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二. 电化学电容器与电池的比较
1. 法拉第和非法拉第过程
➢ 法拉第过程：发生了穿过双层的电子迁移，结果则发生了 氧化态的变化和电活性材料化学性质的变化的过程。
其电子是来源于价带
➢ 非法拉第过程：电荷和能量的储存是静电性的，是一种理 想的、没有发生通过电极界面的电子迁移。
其电子是来源于导带离位电子
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化学储能
铅酸电池 镍系电池 锂系电池 液流电池 钠硫电池
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热能储能
显热储热：在储能和释能过程中利用材料的比热容和材料的温度变化
来进行的。 优点：系统结构简单，运行方便。 缺点：储能能量密度较小，储能装置体积大。
潜热储热：即相变储能，是利用物态转变过程中伴随的能量吸收和释
放而进行的储热方式。 优点：储能密度比显热储能的高。
用于电网的“削峰填谷”
用于用电大户的“谷电”蓄电
用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源
用于“非并网”风电直接利用中的调节电源
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4. 主要储能技术
到目前为止，人们已经探索和开发了 多种形式的储能方式，主要可分为：机 械储能、储热（冷）、化学储能和电磁 储能等。
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机械储能
弹性储能 液压储能 抽水储能 压缩空气储能 飞轮储能
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二. 电化学电容器的特点
1. 高能量密度：1-10W.h/kg，是传统电容器的10100倍。
2. 高功率密度：输出功率密度高达数kW/kg，一般 蓄电池的数十倍。适用于短时间高功率输出的 场合。
3. 使用寿命长：其循环寿命可达10万次以上，比电 池高10 ～100倍。
4. 使用温度范围宽：可在-40o～+70o的温度范围内 使用，且容量随温度衰减小。电池在-20o～+线的比较
➢电池：ΔG = Q×ΔE
➢ 电容器： ΔG=QU/2 ➢ 在ΔE =U的情况下可知：电池的能量是电容器的两倍。
原因： 在充电到纯双层电容器的过程中，每一个额外加入 的电荷都要对已经聚集在电极上的电荷作电功，并逐步提 高电极间的电位差。
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➢电容充电能量公式的证明
✓ 非水电解质中电压约为3.5 ～4.0V，水中的则1.0V
✓ 能量密度：
CU2 E=
2m
非水电解质的能量密度要高出12 ～16倍
✓功率密度：非水电解质的则高3.5 ～4.0倍 ✓非水电解质的优缺点
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第6讲 双电层及碳材料 的电化学行为-3
用于电化学电容器的碳材料 碳材料的表面性质和官能团 碳材料的双层电容 碳材料的材料科学问题
是 泪 如 雨 下 韶华倾 负心中 不再那 般无瑕 你 守 着 佛 灯听经 文诵一 场盛世 繁华
我 却 把 相 思 放下笑 言当初 脸颊 等 风 敲 青瓦 云披红 纱 再 与 你 说 红尘 佳话
幽 幽 竹 林 觅 曲古琴 风雅 湖 边 你 提裙 婉婉入 画 我 化 蝶 飞 入寻 常百姓 家
寻 找 着 谁 的 玉簪花 弦 音 绕 指 缠尽相 思一曲 作罢 梦 中 你 走过 的篱笆 唤
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➢判断电容可逆性的标准： 在理想状况下，即不存在扩散控制时，则 正方向的循环伏安曲线是相反方向的镜像 图。这也是纯电容行为的基本特征。
➢前体条件：循环伏安的扫描速度不太高或 不是特别高电流密度下的放电曲线。
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第4讲 双电层及碳材料 的电化学行为-1
➢ 双电层电容器的原理 ➢ 双层模型、结构及双层的性质
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一. 电化学电容器的常用公式
➢电容(简称C): 单位是法拉( 简称F )
C Q= U
I.T U
C A
d
1F10 6F1102pF
➢法拉第定律 Q nzF
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➢电容充电的能量：
CU2
QU
E=
=
2
2
➢能量密度： 单位：W.h/kg
➢功率密度: 单位：W/kg
CU2 E=
2m UI P= 2m
➢ 阻抗谱技术可区分双层充电过程和法拉第过程或扩散控制 过程
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➢普通金属一般发生非理想的极化， 原因如下：
1） 在H2可逆电势附件会发生阳极腐蚀，或形成 氧化膜，导致法拉第漏电流的产生。
2） H2析出漏电流密度较大
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三. 非水电解质中双层的行为和非水电解 质电容器
➢ 非水电解质与水溶液下的能量密度和功率密度的比较
例如：标准大气压下，
水沸腾的潜热约为2260kJ/kg,冰融化的潜热是355kJ/kg，
水在大气压下，从20℃加热到40℃，其显热能仅为84kJ/kg。
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相变储冷——冰储冷空调系统
✓冰储冷空调系统是目前较新颖的一种空调 系统。
✓它与常规的空调系统最大区别在于：冰储 冷空调系统可以在不需要向用户供冷期间 使用低谷电能(便宜电价)制冷储冷，以达到 移峰填谷，均衡电网用电，从而提高电网 的经济运行水平。
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➢ 充放电效率： η=（Qdch/Qch) ×100%
其中Qdch为电容器的放电电容量 Qch为电容器的充电电容量
➢ 等效串联电阻 (ESR)：来自于电极材料、粘结剂、隔
膜和电解液的电阻、各种接触电阻和电解液传质电阻等。
Rs=△V/ i0
注： △V为充放电开始瞬间电压 的突变值 i0为充放电电流
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第2讲 电化学电容器概论
一 电容器与电化学电容的概念及原理 1. 电容器(capacitor) ✓ 概念：顾名思义，是‘装电的容器’，是一
种容纳电荷的器件。由两片接近并相互绝缘 的导体制成的电极组成的储存电荷和电能的 器件。
✓ 其每伏电压储存电荷的能力称为‘电容’ （capacitance）
✓ 结构：两个电极、绝缘电介质
电化学电容器主要由电极、电解质和隔膜组成， 其中电极包括电极活性物质和集电极两部分。
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四. 电化学电容器的分类
1. 根据储能机理，可分为三类 2. （1）双电池电容器 3. （2）法拉第准电容器 4. （3）混合电容器
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2. 根据电解液的不同，可分为三类 （1）水系电化学电容器 （2）有机系电化学电解质 （3）全固态电化学电容器
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一. 双电层电容器的原理
➢双电层电容原理是指由于正负离子在固体电 极与电解液之间的界面上分别吸附,造成两固 体电极之间的电势差,从而实现能量的存储。
界面厚度：0.3～ 0.5nm，三维的
注：根据给定条件可计算电荷密度。
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充电时,在固体电极上电荷引力的作用下,电解液中阴 阳离子分别聚集两个固体电极的表面。
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电磁储能
超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage，SMES)
利用超导体制成的线圈储存磁场能量，功率 输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快 (ms 级)，转换效率高(³96%)、比容量(1~10 Wh/kg)/比功率(104~105 kW/kg)大等优点，可 以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率 补偿。
用等过程中的数量、形态和时间上的差异， 采取储存和释放能量的人为过程或技术手 段，称为储能技术。
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3. 储能技术的应用
1）防止能量品质的自动恶化 2）改善能源转换过程的性能 3）方便经济的使用能量 4）为了降低污染、保护环境也需要储能技术 5）新能源的开发利用也需要发展储能技术
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大规模储能蓄电的作用
不 回 南 方 的 雁归家 夜 雨 微 凉 听一夜 雨打烛 花 她 在 窗 前 绣一 抹云霞 月
影 憧 憧 掩 尽 谁的牵 挂 刀 光 剑 影 战场 厮杀 江 山 豪 杰终 是谁的 天下 又 忆
当 年 踏 月 折 花 谁 与 你 笑 谈他 日华发 深 山 亭 下 兀自饮 茶 是 灯 火 阑 珊相 思殆尽桌上
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一.用于电化学电容器的碳材料
➢炭基材料 有活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、纳
米炭纤维、炭纳米管、炭气凝胶、玻璃炭、 网络结构炭和某些有机物的炭化产物 等。
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➢两种形态的碳材料常被用来制备电容电极： ✓粉末形式的高比表面材料 ✓高表面积碳纤维：机械性能、导电性良好
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用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性
微雨诉愁乱
檐 外 微 雨 晕开 江山的 画 谁 在 灯 下 绣一 枝寒鸦 置
针 挽 起 半 边 散落的 发 春 风 坠 花 似是 无暇 烟 柳 薄 雾氤 氲出江 南的人 家
又 到 一 年 新 人做嫁 谁 家 门 前 徘徊泪 抚轻纱 碧 水 涟 漪 洇染岸 边古刹 他
储能技术
复习提纲
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第一讲 储能技术概论
1. 什么是储能？ ✓又称蓄能，是指使能量转化为自然条件下
比较稳定的存在形态的过程。即在能量富 余的时候，利用特殊装置把能量存储起来， 并在能量不足时释放出来，从而调节能量 供求在时间和强度上的不匹配。 ✓自然储能：光合作用 ✓人为储能：发条、蓄水等
2
2. 什么是储能技术？ ✓为了有效的利用能源，弥补能源开发、利
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5．充电速度快：可大电流充电，在几十秒内完成。
电池则慢，快速充电则会受到损害
6．放置时间长：自放电后重新充电可回到原来的状 态，几年不变
7．解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的 矛盾，将它与蓄电池组合起来，就会成为一个兼 有高比功率输出的贮能系统。
8．免维护，环保
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三. 电化学电容器的结构
✓ 常见的理想极化电极： Hg电极( 0.23～-0.9V)、 Au 电极(﹣0.2V ～1.3V )
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➢ 当电势偏移，即超出理想极化电极电势之后，仍然能够发 生进一步的双层充放电，此时总电流密度为双层充电电流 和法拉第漏电流之和。即： i = iC + iF
➢ 当存在其他溶质或杂质是也会有法拉第漏电流伴随双层充 电电流。 ✓ iF服从电极电势的tafel方程 ✓ 杂质浓度低时，该过程受扩散控制