先進(jìn)儲能科學(xué)技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用叢書--超級電容器儲能材料、器件與應(yīng)用

《超級電容器儲能材料、器件與應(yīng)用》一書從“理論—材料—器件—應(yīng)用”鏈條出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了超級電容器的理論基礎(chǔ)、性能特點(diǎn)及評價(jià)方法，概括了超級電容器電極材料、電解液、隔膜的研究現(xiàn)狀和產(chǎn)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(shù)，總結(jié)了超級電容器在工業(yè)電子、電網(wǎng)、交通、軍用裝備、智能傳感等領(lǐng)域中的應(yīng)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(yīng)用進(jìn)行了論述。
本書可用作高等院校材料、化學(xué)和能源類專業(yè)的教學(xué)用書及相關(guān)技術(shù)人員、科研人員的參考用書。

張海濤，西南交通大學(xué)研究員、博導(dǎo)，中國科學(xué)院百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者、四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人后備人選。主要從事電化學(xué)儲能研究。主持和主研國家自然科學(xué)基金、國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等20余項(xiàng)；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(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)，完成成果技術(shù)轉(zhuǎn)讓4項(xiàng)；榮獲國家級教學(xué)創(chuàng)新競賽三等獎(jiǎng)和四川省教學(xué)創(chuàng)新競賽二等獎(jiǎng)各1次（第2）。

楊維清，西南交通大學(xué)前沿科學(xué)研究院院長，教授、博導(dǎo)，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(yīng)用基礎(chǔ)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(xué)者；主持國家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等多項(xiàng)省部級項(xiàng)目；申請專利40余項(xiàng)，已轉(zhuǎn)化20余項(xiàng)，直接轉(zhuǎn)讓經(jīng)費(fèi)3000余萬元。

何正友，西南交通大學(xué)黨委常委、副校長、特聘教授、博導(dǎo)。教育部"長江學(xué)者"特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、"萬人計(jì)劃"領(lǐng)軍人才、科技部中青年領(lǐng)軍人才?，F(xiàn)為IET Fellow、IEEE Senior Member、中國電工技術(shù)學(xué)會理事。致力于高速鐵路供電系統(tǒng)的保護(hù)與控制研究。主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目2項(xiàng)、面上/青年項(xiàng)目4項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題2項(xiàng)、863計(jì)劃/國家支撐計(jì)劃等5項(xiàng)；獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)（第4、第9）、教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)（第1），國家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)2項(xiàng)（第3、第5）。

本書是“先進(jìn)儲能科學(xué)技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用叢書”的一個(gè)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(xué)技術(shù)與應(yīng)用的多個(gè)方面，助力于推動儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。 本書圍繞作者在超級電容器電化學(xué)理論、儲能材料、無線傳感應(yīng)用、碳材料和隔膜材料產(chǎn)業(yè)化中試方面所取得的研究成果，并結(jié)合近年來超級電容器領(lǐng)域新的研究成果和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，全面系統(tǒng)地介紹超級電容器原理、材料、器件和應(yīng)用。內(nèi)容特點(diǎn)如下： ★超級電容器儲能的優(yōu)缺點(diǎn)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(yīng)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(shù)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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展重點(diǎn)。我國積極支持超級電容器技術(shù)的研究與應(yīng)用，將其視為新能源領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。隨著中國提出“雙碳”目標(biāo)，一些推進(jìn)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(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計(jì)劃（2021—2023年）》，提及重點(diǎn)推動車規(guī)級超級電容器的應(yīng)用；科學(xué)技術(shù)部發(fā)布“儲能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)2021年度項(xiàng)目申報(bào)指南，其中包括主要研究低成本混合型超級電容器關(guān)鍵技術(shù)；國家能源局、科學(xué)技術(shù)部印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，旨在推動10MW級超級電容器等儲能設(shè)備的設(shè)計(jì)與示范應(yīng)用；2023年國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會、國家能源局發(fā)布《新型儲能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，文件提出到2025年，在超級電容器儲能及其他儲能領(lǐng)域形成較為完善的系列標(biāo)準(zhǔn)。這些政策涉及財(cái)政支持、研發(fā)資金投入、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前，我國超級電容器產(chǎn)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(lǐng)域都形成了國際首創(chuàng)應(yīng)用，在軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、智能三表、電動船舶、ETC等領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模都達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。經(jīng)過多年的自主創(chuàng)新，我國超級電容器研發(fā)和生產(chǎn)能力已經(jīng)上了一個(gè)新臺階，無論從產(chǎn)品技術(shù)水平還是從產(chǎn)能規(guī)模上都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
本書結(jié)合作者在超級電容器方面長期的研究和積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，在全面系統(tǒng)介紹超級電容器材料和器件的基礎(chǔ)上，深入分析其電化學(xué)原理，并采用實(shí)例展示法，分析超級電容器在工業(yè)電子、電網(wǎng)、交通、航空航天、軍用裝備、智能傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。本書注重圖文并茂，并總結(jié)近年來超級電容器領(lǐng)域新的研究突破，同時(shí)分析核心材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)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(xiàn)狀。
與國內(nèi)同類參考書相比，本書具有三個(gè)方面的特色。
1．教研相長、全面系統(tǒng)
結(jié)合編著者15年來在超級電容器領(lǐng)域的教學(xué)、科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化工作，采取“理論—材料—器件—應(yīng)用”的思路編寫，本書重點(diǎn)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(chǔ)，在闡述電極材料、電解液、隔膜、性能、器件的基礎(chǔ)上，關(guān)注超級電容器儲能產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢，結(jié)合實(shí)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(shù)。
2．精選內(nèi)容、填補(bǔ)空白
本書詳細(xì)地論述了超級電容器儲能碳電極材料、電解液的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀；全面系統(tǒng)地總結(jié)了隔膜材料的制備工藝和性質(zhì)特點(diǎn)；較為全面地闡述了超級電容器器件工藝。這些內(nèi)容在其他同類圖書中都是極為缺乏的，本書填補(bǔ)了同類圖書在這些領(lǐng)域的空白。
3．注重新意、與時(shí)俱進(jìn)
編著者重點(diǎn)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(lǐng)域的應(yīng)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(guān)重要的，因此本書在部分重點(diǎn)內(nèi)容中具有獨(dú)特性。
本書由西南交通大學(xué)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(yuǎn)簫、唐海龍、牟達(dá)麗、唐靚、王宜平、劉申奧、呂強(qiáng)碩士研究生為本書的內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換、存儲與利用	1
1.2 電化學(xué)儲能技術(shù)	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(xué)儲能電池技術(shù)的性能比較	7
1.3 超級電容器儲能技術(shù)	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(diǎn)分析	13
1.5.1 超級電容器優(yōu)點(diǎn)	14
1.5.2 超級電容器缺點(diǎn)	15
參考文獻(xiàn)	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(xiàn)	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(zhì)	60
3.2.1 比表面積	60
3.2.2 孔徑及孔分布	61
3.2.3 導(dǎo)電性	63
3.2.4 穩(wěn)定性	64
3.3 超級電容器儲能復(fù)合電極材料	66
3.3.1 碳-碳復(fù)合（碳基復(fù)合材料）	66
3.3.2 碳-贗電容材料復(fù)合	68
3.3.3 贗電容-贗電容材料復(fù)合	69
3.4 超級電容器儲能碳材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)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(xiàn)	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(jī)電解液	84
4.1.3 離子液體電解液	85
4.1.4 凝膠電解質(zhì)	86
4.1.5 全固態(tài)電解質(zhì)	93
4.2 超級電容器儲能電解液的理化性質(zhì)  	101
4.2.1 離子遷移數(shù)	102
4.2.2 離子電導(dǎo)率	103
4.2.3 介電性質(zhì)	105
4.2.4 介電性質(zhì)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(xué)法改性	114
4.4 超級電容器儲能電解液產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀概述	116
4.4.1 水系電解液的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀	117
4.4.2 離子液體的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀	117
4.4.3 有機(jī)電解液的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀	118
4.4.4 上下游市場對超級電容器電解液產(chǎn)業(yè)的推動作用	122
參考文獻(xiàn)	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(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀	138
5.3 超級電容器儲能隔膜材料的性質(zhì)	140
5.3.1 力學(xué)性質(zhì)	141
5.3.2 熱學(xué)性質(zhì)	143
5.3.3 表面性質(zhì)	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(xiàn)	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(shù)	186
6.3.3 發(fā)展趨勢展望	194
參考文獻(xiàn)	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(jì)算	214
7.6.2 自放電機(jī)理	215
7.6.3 自放電機(jī)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(nèi)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(xiàn)	226

第8章 超級電容器的應(yīng)用	230
8.1 超級電容器在工業(yè)電子領(lǐng)域的應(yīng)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(fèi)電子	237
8.2 超級電容器在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用	241
8.2.1 儲能電站	241
8.2.2 分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)	242
8.2.3 新能源及其并網(wǎng)	245
8.3 超級電容器在交通領(lǐng)域的應(yīng)用	247
8.3.1 工程機(jī)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(lǐng)域的應(yīng)用	255
8.5 微型電容器在智能傳感領(lǐng)域的應(yīng)用	261
參考文獻(xiàn)	265