（江苏常州，辽宁朝阳，2011年6月）
• 活性炭混入镍氢电池负极
（天津国泰之光研究院，2011年9月）
混入活性炭的效果： (+) 比功率提高 循环性改善 (--) 比能量减低——活性炭占了电极部分位置 可能增加电极析气量和调浆、涂佈难度
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2.1 电容型铅酸电池 ——―铅炭电池”
炭加到入铅酸电池的负极中
2015.11.13 南通
超级电容器的技术发展 与应用
杨裕生
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一、电池与超级电容器的融合
超级电容器的主要不足是比能量不高，而电池 的主要问题是要提高比功率和延长循环寿命，二者 并联使用在一定程度上可以互补而得较好的效果。 •外并——电池与超级电容器并联使用 充电器 电容器 控制 器 充电器 电池
并联电源的比功率和寿命 比电池提高 电路复杂、体积庞大、价格昂贵、使用不便
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近些年，超级电容器和电池进行内部 “融合”，即超级电容器里加入电池的电极 材料，也在电池中添加活性炭。
电容器与电池的“外并”改“内并”
超级电容器中融合电池材料，比能量有所提高 电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命
优越性：省去并联线路；自动调整电压 简化管理系统；加快电池充电
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随着研究的进展，衍生出许多不同的组 合方式，取了许多新名称，虽然大多数的组 合方式与名称相符，但也有个别是有意无意 的名不符实。 应该整理一下 首先划分“电池的变种”与“电容器的 变种”，然后再行细分，并研究机理。
— 钛 酸 锂
比功率、比能量、充-放电寿命介于 电池与超级电容器之间，接近超级电容器 例4: 正极活性炭,负极能嵌锂的碳(江海)
混合（不对称）电容器兼收两者的优点 也继承了两者的缺点——两者的折衷
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+
活 性 炭
2、混合型电池电容器
混合型超级电容器的活性炭正极中 混入锂离子电池正极材料 ——活性炭仍为主 ①国外报道 A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160 正极：活性炭电极 加少部分 LiCoO2 — 负极：Li4Ti5O12
5% 比亚迪、众泰等
(深圳市今朝时代公司2012年提供)
C/C有机体系超级电容器，是回收刹车能量的首选。 适合在混合电动车使用，节油率15%-20%
增程式电动公交车
1、以铅酸电池+电容器为电源（北京科凌）
从北京开到扬州 两天1100公里 中途充电一次
百公里油耗19L (均速50km/h下)
2、以镍-炭混合电容器为电源（青年-巨容）
只有电动机驱动 故属纯电驱动 行驶前电池组充电 途中小功率发电机 在最佳工况下发电 ——节能
发电机与电源组并联驱动电动机 也给电源充电 高功率电池或储能电池+超电容 提供\回收电能 50公里内不用油；长途仍需用油 但可省油一半以上
科技部863计划支持增程式电动轿车和客车了
2、超级电容器在电网中应用
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1、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极
—
+
PbO2
—
—
+
AC PbO2
Pb
铅酸电池
Pb
活 性 炭
+
PbO2
混合电容器
超级电池 UltraBattery
m & R.Louey J Power Sources 158(2006)1140
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2、电池的电极中混入活性炭 ——电容型电池
• 将活性炭混入铅酸电池负极 • 活性炭混入锂离子电池正极
—
活 性 炭 氧 化 铅 活 性 炭
例2: 正极NiOOH,负极活性炭
+
例1：正极PbO2,负极活性炭
advanced lead-acid batteries （美国？） — 活 性 炭
水溶液电解质
氧 化 镍
6
+
1、混合型超级电容器（续）
简称混合电容器
例3: 正极活性炭,负极Li4Ti5O12 有机溶液电解质
— Pb
+
PbO2
—
+
PbO2
AC
铅酸电池 铅炭电池
—
+
PbO2
混合电容器
Pb
+
AC
较超级电池 工艺简单
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2.2 电容型锂离子电池
锂离子电池正极中加入活性炭——活性炭为辅 ①常州 华日升凯晟能源科技有限公司 + —
2011年6月会议，7月技术论证咨询会 “高功率、高能量和高安全性 磷酸铁锂锂离子动力电容电池 ” 正极：LiFePO4 –加活性炭 ； 负极：碳 磷酸 铁锂 + AC 石 墨
二、超级电容器的技术发展动向
1、提高比能量
• 根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的 同时,努力提高提高比能量
提高电极的比电容—
新型高比容量碳材料 石墨烯作电极导电添加剂 多孔石墨烯、立体石墨烯——主材料
价格？
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多孔电容炭材料性能要求
1、高比表面 > 1000m2/g 2、高中孔率--合理的孔结构 3、高电导率 4、高的堆积比重 5、高纯度--灰份 < 0.1% 6、高性价比 7、对电解液具有良好的浸润性 8、析气少
（还有以锂离子电池为电源）
城市公共交通
城市无轨电车——上海奥威镍碳混合电容器 城市轨道交通——宁波南车炭炭超级电容器 快速充电电源——宁波南车炭炭超级电容器 避免对电网的冲击 问题：车价昂贵；充电站多
增程式电动汽车(EREV)
纯电动汽车增程 内燃机 纯电动车 油箱 变 速 箱 电机 发电机 电源组 充电器 220V
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超级电容器及其变种
超级电容器
活 性 炭 隔 活 性 膜 炭
两个电极均以双电层原理蓄电 的储能器件
超级电容器主要用活性炭（大 比表面的炭）作为活性物质 超级电容器的电解液 水溶液体系：酸、碱、中性 有机溶液体系——电压高
超级电容器的比能量低
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1、混合型超级电容器
简称混合电容器 一个电极以双电层原理蓄电、 另一个为电池电极的储能器件
各指 标间 相互 矛盾
高性能、低成本电容炭
电容炭主要靠进口
防化研究院中试连续性生产线 BTR公司工程化生产线6月通过鉴定
提高电解液的分解电压减小电ຫໍສະໝຸດ 质离子半径→3.0V，比能量↑23%
4个乙基两两成环 提高稳定性 减小体积
N
BF 4
N
BF 4
四氟硼酸四乙铵
四氟硼酸螺环季铵
问题：正极的稳定寿命
SBP-BF4
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小结：超级电容器与电池的变种
分类、名称 超级 超级电容器 电容 混合型超级电容器 器及 变种 混合型电池电容器 电池 添加 活性 炭的 变种 电池电极与活性炭 电极并联=超级电池 铅酸- 电池的电极 锂离子 中加入部分 活性炭—— 镍氢- 电容型电池 电极材料举例 负极 正极 活性炭 活性炭 活性炭 氧化铅、镍 钛酸锂；碳 活性炭 钛酸锂 活性炭+锂盐 活性炭电极 PbO2 并联铅电极 铅+活性炭 PbO2 石墨 锂盐+活性炭 AB5+活性炭 NiO 15
与其他能量部件（发动机、蓄 电池、燃料电池）并联工作：
提供车辆启动需求的高功率 承受制动能量全回馈的高功率冲击 承受大电流快速充电的高功率冲击
混合动力汽车 汽车启停系统 燃料电池汽车 城市轨道交通 纯电动汽车
效 果
如果是内燃机——可减小其设计功率，减轻 重量，节省油料，降低污染； 如是燃料电池——适应路况需求 各种蓄电池——延长电池寿命，节省电能
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2.3 电容型镍氢电池
镍氢电池的负极中加入活性炭 — +
氧 化 镍 储氢 合金 + AC
科技日报2010年9月报道 “镍碳超级电容器” 活性炭在负极中占30% 储氢合金占主导地位
镍氢电池的基本结构未变 电池负极中的活性炭占小头——活性炭为辅
上述的名称都较长，是为了准确、全面地反映蓄电器件的实质。 当然，应该允许有简称，但是无论如何简化， 是“电池”还是“电容器”必须正确地表达清楚，不要混淆。
②朝阳 立塬新能源有限公司
2011年6月会议，2012年1月成果鉴定会 正极：LiFePO4 –加活性炭 ； 负极：碳 功率型： 78Wh/kg， 3000次衰减至65.8Wh/kg（84%） 2243W/kg；—20℃下，71.2Wh/kg； 能量型：117Wh/kg，500次容量保持97.0% 1740W/kg；—20℃下，94.2Wh/kg
用于：电网的调频； 瞬时电压波动的平抑 风力发电机的浆距调节 比能量低，限制了它在规模蓄电中应用
3、超级电容器在节能中应用
回收位能： 港机 电梯 ……… 要努力开发
谢谢！
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新能源汽车单独应用超级电容器
“十城千辆”节能与新能源汽车示范工程以混合动力为主
南车2011年生产了1000辆超级电容器混合动力客车
能源构成 油+超级电容 油+超级电容+锂电池 比例 主要采用厂家 67% 南车时代、宇通客车、海格客车 7% 金旅客车、中通客车、大金龙
油+锂电池
锂电池纯电动
21% 北汽福田、五洲龙
2、提高比功率
铝箔预先涂覆导电炭层，增强活性层与铝箔的电 接触，降低电极内阻
3、增长寿命
减少炭材料的杂质和水分，调节官能团
长寿命和高功率是双电层超级电容器的两大优势 不宜过分追求高比能量而牺牲它们
4、环保化
开发高安全性、高性能超级电容器 研究无毒的溶剂，替代乙腈
三、超级电容器的应用
1、超级电容器在电动汽车中的应用
+
②成都有机所
正极：活性炭电极 60-45% 加15-30% LiMn2O4 负极：Li4Ti5O12 4C恒电流下：14.47Wh/kg，5000次衰减<8%