先進儲能科學技術與工業(yè)應用叢書--超級電容器儲能材料、器件與應用

《超級電容器儲能材料、器件與應用》一書從“理論—材料—器件—應用”鏈條出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了超級電容器的理論基礎、性能特點及評價方法，概括了超級電容器電極材料、電解液、隔膜的研究現狀和產業(yè)化發(fā)展態(tài)勢，闡述了超級電容器單體和模組的器件制造工藝技術，總結了超級電容器在工業(yè)電子、電網、交通、軍用裝備、智能傳感等領域中的應用。本書還對新型超級電容器如柔性超級電容器、固態(tài)超級電容器和微型超級電容器的原理、發(fā)展和應用進行了論述。
本書可用作高等院校材料、化學和能源類專業(yè)的教學用書及相關技術人員、科研人員的參考用書。

張海濤，西南交通大學研究員、博導，中國科學院百篇優(yōu)秀博士學位論文獲得者、四川省學術與技術帶頭人后備人選。主要從事電化學儲能研究。主持和主研國家自然科學基金、國家科技部重點研發(fā)計劃等20余項；在Advanced Materials、ACS Energy Letters等著名刊物發(fā)表SCI論文120余篇，SCI他引7000余次；獲得授權發(fā)明專利10余項，完成成果技術轉讓4項；榮獲國家級教學創(chuàng)新競賽三等獎和四川省教學創(chuàng)新競賽二等獎各1次（第2）。

楊維清，西南交通大學前沿科學研究院院長，教授、博導，四川省第十二屆政協(xié)委員，四川省杰出青年。主要從事納米能源材料與功能器件的應用基礎研究。近年來，在Chemical Society Reviews、Advanced Materials等著名刊物發(fā)表SCI論文270余篇，連續(xù)多年入選愛思唯爾中國高被引學者；主持國家自然科學基金3項、教育部創(chuàng)新團隊等多項省部級項目；申請專利40余項，已轉化20余項，直接轉讓經費3000余萬元。

何正友，西南交通大學黨委常委、副校長、特聘教授、博導。教育部"長江學者"特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、"萬人計劃"領軍人才、科技部中青年領軍人才。現為IET Fellow、IEEE Senior Member、中國電工技術學會理事。致力于高速鐵路供電系統(tǒng)的保護與控制研究。主持國家自然科學基金重點項目2項、面上/青年項目4項、國家重點研發(fā)計劃課題2項、863計劃/國家支撐計劃等5項；獲國家科技進步二等獎2項（第4、第9）、教育部科學技術進步二等獎（第1），國家教學成果二等獎2項（第3、第5）。

本書是“先進儲能科學技術與工業(yè)應用叢書”的一個分冊，本套叢書由中科院物理所李泓研究員牽頭組織，涉及儲能科學技術與應用的多個方面，助力于推動儲能技術的發(fā)展和應用。 本書圍繞作者在超級電容器電化學理論、儲能材料、無線傳感應用、碳材料和隔膜材料產業(yè)化中試方面所取得的研究成果，并結合近年來超級電容器領域新的研究成果和產業(yè)化現狀，全面系統(tǒng)地介紹超級電容器原理、材料、器件和應用。內容特點如下： ★超級電容器儲能的優(yōu)缺點分析 ★超級電容器的儲能原理 ★超級電容器儲能電極材料 ★超級電容器儲能電解液 ★超級電容器儲能隔膜材料 ★超級電容器儲能的器件工藝 ★超級電容器的性能與分析 ★超級電容器的應用

超級電容器具有容量大、功率性能高、使用溫度范圍寬和安全性好等優(yōu)勢，在儲能技術中具有不可替代的地位。作為一種大功率儲能元件，超級電容器在工業(yè)電子、交通、國防軍工等領域具有廣泛的應用前景，是新能源領域的研究熱點和發(fā)展重點。我國積極支持超級電容器技術的研究與應用，將其視為新能源領域的重點發(fā)展方向。隨著中國提出“雙碳”目標，一些推進超級電容器發(fā)展的政策也相繼出臺：工業(yè)和信息化部印發(fā)《基礎電子元器件產業(yè)發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》，提及重點推動車規(guī)級超級電容器的應用；科學技術部發(fā)布“儲能與智能電網技術”重點專項2021年度項目申報指南，其中包括主要研究低成本混合型超級電容器關鍵技術；國家能源局、科學技術部印發(fā)《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，旨在推動10MW級超級電容器等儲能設備的設計與示范應用；2023年國家標準化管理委員會、國家能源局發(fā)布《新型儲能標準體系建設指南》，文件提出到2025年，在超級電容器儲能及其他儲能領域形成較為完善的系列標準。這些政策涉及財政支持、研發(fā)資金投入、技術標準制定等方面，對推動超級電容器的發(fā)展提供極大的支持。當前，我國超級電容器產業(yè)發(fā)展迅速，在儲能式有軌電車、超級電容客車、超級電容路燈等領域都形成了國際首創(chuàng)應用，在軌道交通、風力發(fā)電、智能三表、電動船舶、ETC等領域的應用規(guī)模都達到了世界領先水平。經過多年的自主創(chuàng)新，我國超級電容器研發(fā)和生產能力已經上了一個新臺階，無論從產品技術水平還是從產能規(guī)模上都達到了國際先進水平。
本書結合作者在超級電容器方面長期的研究和積累的豐富經驗，在全面系統(tǒng)介紹超級電容器材料和器件的基礎上，深入分析其電化學原理，并采用實例展示法，分析超級電容器在工業(yè)電子、電網、交通、航空航天、軍用裝備、智能傳感等領域的應用。本書注重圖文并茂，并總結近年來超級電容器領域新的研究突破，同時分析核心材料的產業(yè)化現狀，一方面讓讀者更容易地理解超級電容器知識，另一方面有助于讀者全面系統(tǒng)地熟悉超級電容器行業(yè)現狀。
與國內同類參考書相比，本書具有三個方面的特色。
1．教研相長、全面系統(tǒng)
結合編著者15年來在超級電容器領域的教學、科學研究和產業(yè)化工作，采取“理論—材料—器件—應用”的思路編寫，本書重點介紹和分析了不同種類超級電容器的基本原理和理論基礎，在闡述電極材料、電解液、隔膜、性能、器件的基礎上，關注超級電容器儲能產業(yè)化現狀和發(fā)展態(tài)勢，結合實際工程案例并注重圖文并茂，有助于讀者全面系統(tǒng)地了解超級電容器儲能技術。
2．精選內容、填補空白
本書詳細地論述了超級電容器儲能碳電極材料、電解液的產業(yè)化發(fā)展現狀；全面系統(tǒng)地總結了隔膜材料的制備工藝和性質特點；較為全面地闡述了超級電容器器件工藝。這些內容在其他同類圖書中都是極為缺乏的，本書填補了同類圖書在這些領域的空白。
3．注重新意、與時俱進
編著者重點論述了自放電行為的新原理和抑制策略、微型超級電容器在智能傳感領域的應用，這是其他同類書籍中所缺乏的，但是對于超級電容器的發(fā)展又是至關重要的，因此本書在部分重點內容中具有獨特性。
本書由西南交通大學的張海濤、楊維清、何正友編著。在編著本書的過程中，謝巖廷、黃浚峰、蔣興琳博士研究生和何涵宇、賈艾黎、彭鴻志、屈遠簫、唐海龍、牟達麗、唐靚、王宜平、劉申奧、呂強碩士研究生為本書的內容選取搜集了大量資料，參與本書部分章節(jié)的編著工作，并對本書內容的組織提出了許多寶貴意見，在此表示感謝。
限于編著者水平，書中難免存在疏漏和不妥之處，希望得到廣大讀者的批評指正。

編著者

第1章 緒論	1
1.1 能量轉換、存儲與利用	1
1.2 電化學儲能技術	3
1.2.1 鉛酸電池	3
1.2.2 鋰離子電池	4
1.2.3 液流電池	5
1.2.4 鈉硫電池	6
1.2.5 鎳鎘電池	7
1.2.6 電化學儲能電池技術的性能比較	7
1.3 超級電容器儲能技術	9
1.3.1 納米孔隙電極	10
1.3.2 電解液	10
1.3.3 隔膜	11
1.3.4 超級電容器單體與模組	11
1.3.5 混合儲能器件	11
1.4 超級電容器的發(fā)展歷程	11
1.5 超級電容器儲能的優(yōu)缺點分析	13
1.5.1 超級電容器優(yōu)點	14
1.5.2 超級電容器缺點	15
參考文獻	16

第2章 超級電容器的儲能原理	17
2.1 超級電容器的概念與分類	17
2.1.1 超級電容器的概念	17
2.1.2 超級電容器的分類	18
2.2 雙電層超級電容器的儲能原理	21
2.3 贗電容超級電容器的儲能原理	26
2.4 混合型超級電容器的儲能原理	29
2.5 新型超級電容器的儲能原理	30
2.5.1 柔性超級電容器	30
2.5.2 固態(tài)超級電容器	32
2.5.3 微型超級電容器	33
參考文獻	37

第3章 超級電容器儲能電極材料	41
3.1 超級電容器儲能電極材料的分類	41
3.1.1 雙電層電極材料	42
3.1.2 贗電容電極材料	49
3.2 超級電容器儲能電極材料的性質	60
3.2.1 比表面積	60
3.2.2 孔徑及孔分布	61
3.2.3 導電性	63
3.2.4 穩(wěn)定性	64
3.3 超級電容器儲能復合電極材料	66
3.3.1 碳-碳復合（碳基復合材料）	66
3.3.2 碳-贗電容材料復合	68
3.3.3 贗電容-贗電容材料復合	69
3.4 超級電容器儲能碳材料的產業(yè)化現狀	70
3.4.1 活性炭	71
3.4.2 碳纖維	73
3.4.3 石墨烯	74
參考文獻	75

第4章 超級電容器儲能電解液	81
4.1 超級電容器儲能電解液的分類 	81
4.1.1 水系電解液	82
4.1.2 有機電解液	84
4.1.3 離子液體電解液	85
4.1.4 凝膠電解質	86
4.1.5 全固態(tài)電解質	93
4.2 超級電容器儲能電解液的理化性質  	101
4.2.1 離子遷移數	102
4.2.2 離子電導率	103
4.2.3 介電性質	105
4.2.4 介電性質影響因素	107
4.2.5 電勢窗口	108
4.2.6 電勢窗口影響因素	109
4.2.7 穩(wěn)定性	110
4.3 超級電容器儲能電解液的改性	112
4.3.1 物理法改性	112
4.3.2 化學法改性	114
4.4 超級電容器儲能電解液產業(yè)化現狀概述	116
4.4.1 水系電解液的產業(yè)化現狀	117
4.4.2 離子液體的產業(yè)化現狀	117
4.4.3 有機電解液的產業(yè)化現狀	118
4.4.4 上下游市場對超級電容器電解液產業(yè)的推動作用	122
參考文獻	126

第5章 超級電容器儲能隔膜材料	132
5.1 超級電容器儲能隔膜材料的分類	132
5.1.1 纖維素隔膜	133
5.1.2 合成高分子聚合物隔膜	135
5.1.3 生物隔膜	136
5.1.4 靜電紡絲隔膜	137
5.2 超級電容器隔膜材料的產業(yè)化現狀	138
5.3 超級電容器儲能隔膜材料的性質	140
5.3.1 力學性質	141
5.3.2 熱學性質	143
5.3.3 表面性質	145
5.4 超級電容器儲能隔膜材料的工藝	149
5.4.1 纖維素基隔膜材料的抄紙法工藝	149
5.4.2 PP/PE基隔膜材料的制備工藝	155
參考文獻	158

第6章 超級電容器儲能的器件工藝	162
6.1 干法工藝	162
6.1.1 干法前段工藝	162
6.1.2 干法中段工藝	168
6.1.3 干法后段工藝	172
6.2 濕法工藝	173
6.2.1 濕法前段工藝：極片制造	173
6.2.2 濕法中段工藝：電芯制造	180
6.2.3 濕法后段工藝：檢測	181
6.3 超級電容器模組與管理	184
6.3.1 超級電容器模組	184
6.3.2 超級電容器模組的管控技術	186
6.3.3 發(fā)展趨勢展望	194
參考文獻	195

第7章 超級電容器的性能與分析	200
7.1 比電容	200
7.1.1 測試方法	200
7.1.2 分析方法	201
7.1.3 電容類型分析方法	207
7.2 能量密度	208
7.2.1 測試與分析	208
7.2.2 能量密度受限的原理與改善策略	209
7.3 功率密度	211
7.3.1 測試方法	212
7.3.2 分析方法	212
7.4 工作電壓	212
7.5 最大電流	213
7.6 自放電	214
7.6.1 自放電的測試與計算	214
7.6.2 自放電機理	215
7.6.3 自放電機理研究的局限性	218
7.6.4 超級電容器自放電行為的抑制策略	218
7.7 內阻	221
7.7.1 測試方法	221
7.7.2 分析方法	223
7.8 循環(huán)穩(wěn)定性 	225
7.8.1 測試方法	225
7.8.2 分析方法	226
參考文獻	226

第8章 超級電容器的應用	230
8.1 超級電容器在工業(yè)電子領域的應用	231
8.1.1 智能三表	231
8.1.2 不間斷電源	232
8.1.3 電梯能量回收	236
8.1.4 其他消費電子	237
8.2 超級電容器在電網領域的應用	241
8.2.1 儲能電站	241
8.2.2 分布式微電網系統(tǒng)	242
8.2.3 新能源及其并網	245
8.3 超級電容器在交通領域的應用	247
8.3.1 工程機械	247
8.3.2 軌道交通	250
8.3.3 新能源汽車	253
8.4 超級電容器在航空航天領域的應用	255
8.5 微型電容器在智能傳感領域的應用	261
參考文獻	265