能量形式和转化:
电能、化学能、光能、机械能、热能
主要储能技术不同形式的储能的性能分析:
机械储能、储热(冷)、化学储能、电磁储能
机械储能:大规模、需要地理资源、响应慢
储热:系统简单、运行方便,储存能量密度较小、装置体积大
化学储能:技术成熟、比能量高
电磁储能:可以实现和电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿,响应快、比功率高、成本高,维护困难
储能系统的评价指标:
1. 储能密度
2. 储能功率:输入、输出
3. 储能效率
4. 储存或释放能量的周期
选择储能方式应考虑的因素:
1. 能量的输出、输出形态
2. 储能密度
3. 储能时的能量损失
4. 储能期限
5. 能量的输出和输出的难易程度
6. 安全性
7. 响应性
8. 经久性
9. 经济性
电容的定义式:C=Q/U
电容和面积、被隔离的距离的公式:
超级电容器的特性:
1. 比功率高(几百到几千W/Kg的功率密度)
2. 大电流快充放特性好
3. 电压与容量模块化
4. 使用温度范围宽:-40-70
5. 循环寿命长(10w次)
6. 无污染,免维护
7. 价格低
超级电容器与电池的比较:
1. 功率密度是锂电的数十倍,适合大电流放电
2. 长寿命,充放电大于50w次,是锂电的500倍
3. 充放电时间短,对充电电路要求简单
4. 使用温度范围宽
5. 电压与容量模块化
根据储能机理,超级电容器可以分为两大类:
1. 双电层电容器
2. 法拉第准电容
根据电极材料的不同,可以分为四种:
1) 碳电极电容器
2) 金属氧化物电极电容器
3) 导电聚合物电极电容器
4) 符合材料电极电容器
根据结构和电极上的反应,可以分为两类:
a 对称性电化学电容器
b 非对称性电化学电容器
电容充电的能量:E=CV2/2 =QU/2
能量密度:E=CV2/2m 实际能量密度约为理论的1/4(一个电极相对于另一个工作)
功率密度:P=VI/2m
电池和电容的CV、充放电曲线的区别:
双电层电容器的原理: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
电解质的分类:
1) 水溶液电解质
2) 有机溶液电解质
3) 固体电解质
电解质对电化学电容器性能的影响:
1. 容量
2. 内阻及充放电性能
3. 操作温度范围
4. 循环寿命
5. 自放电性能
6. 过充电、过放电行为
决定电解质电导率的因素{主要}:
1. 自由电荷、载流子、阴阳离子的浓度,取决于盐所取溶剂的溶解性
2. 迁移率 取决于溶解盐的电离度
水溶液介质:
H2SO4或KOH Na2SO4
优点:质子导电性高。有利于大功率,研究成熟
缺点:工作电压低,温度范围低、腐蚀性强
非水电解质:
优点:分解电压高,有利于获得更高的能量密度、工作温度范围宽、腐蚀性小
缺点:电导率低、要求密封性好、成本高且对环境有污染
电解质溶剂+溶质盐:
有机溶剂的要求:
1) 惰性
2) 高的介电常数
3) 沸点高、熔点低
溶质的要求:
1) 惰性
2) 容易解离正负离子
常用的非水电解质:
1) 阳离子:季铵盐(R4N+)和锂盐(Li+)
2) 阴离子:ClO4-、BF4-、PF6-
对非水电解质溶液的主要要求:
1) 合适的电化学窗口:电压窗口大于电容器的拟工作范围,在电压窗口内,电解质不能放电或分解
2) 溶剂和溶液的黏度最小
3) 溶质盐的溶解度最大
4) 离子缔合最小化,使电导率最大化
5) 介电常数合适、电荷数
相同比电容3V和1V能量密度相差多少:
电容充电的能量:E=CV2/2 =QU/2
32/1=9 差9倍
离子液体:
全部由离子组成的液体
阳离子分类:烷基季铵(磷)离子、烷基取代咪唑(吡啶)离子
阴离子分类:卤化盐离子、非卤化盐离子
类型分类:离子型、非离子型
离子液体的优点;
1) 呈液态的温度范围广
2) 化学和热稳定性好
3) 电位窗口宽
4) 导电性好
超级电容器材料测试:
参比电极:硫酸/硫酸汞 中性/甘汞电极 碱性/汞氧化汞电极
超级电容器炭材料:
1.活性炭
2.炭凝胶
3.玻态炭
4.碳纳米管
5.碳化物衍生炭
6.纳米门碳
7.模版制备碳
8.生物质碳
9.石墨烯
几种电极材料比较:
1)活性炭:比表面积高、孔径可调、可批量生产、价格低
2)炭凝胶:优点为电化学性能好、中孔发达、电导率高; 不足为比表面积低、制备工艺复杂
3)玻态炭:优点为不透气、机械性能好、化学性质稳定、电导率高(200s/cm)、化学性质稳定 缺点:固化炭化升温速率慢、制备周期长,成本高、透气率低而无法整体活化
4)碳纳米管:比表面积大、微孔集中在(2-5nm)范围内,比表面利用率高。
中空结构,如能使电解质溶液浸润碳纳米管内腔,电容量将明显提高
活性炭分类:
按原料分:
1. 兽骨、血炭
2. 矿物质原料
3. 其他原料
4. 再生性
按制造法分:
1. 化学法(化学药品活化法 KOH NaOH ZnCl22. 物理法(气体活化 CO2 水蒸气)
按外观形状:
1. 粉末状
)
2. 颗粒(不定型 圆柱形 球形)
3. 纤维状
孔结构:
大孔(50-2000nm):使被吸附物的分子迅速进入更深处的孔
介孔过渡孔(2-50nm):过渡孔的表面积占总的5%,作为吸附物质到微孔的通道
微孔:(<2nm):占总面积的95%,提供很大的比表面积来吸附杂质
理想炭电极材料“六高,一良好”
1. 比表面积高
2. 堆积比重高
3. 中孔率高
4. 电导率高
5. 纯度高
6. 性价比高
7. 电解液浸润性良好
RF:R(凝胶间苯二酚)+F(甲醛)
CNT:carbon nanotube
MWNT:multi-wall carbon nanotube
SWNT:single-wall carbon nanotube
CNT array: 碳纳米管阵
模版法制备炭——模版法的分类:硬模版和软模版
硬模版:氧化铝、介孔沸石、纳米管、二氧化硅、分子筛
软模版:表面活性剂分子聚集形成的胶团、囊泡等。
硬模版的去除:使用盐酸
石墨烯的合成方法:
1) 氧化石墨还原法
2) 化学剥离法
3) 电化学剥离法
4) 化学气相沉积法(CVD)
石墨烯的改性:
1) KOH活化
2) 表面修饰
3) 参杂杂原子
4) 3D结构石墨烯
超电石墨烯的性质:
1. 导电性能
2. 高比表面
3. 离子导体各向异性
石墨烯需要解决问题:石墨烯堆叠、团聚、离子迁移电阻、孔隙率、有效比表面几种重要的准电容:
1. 吸附型欠电位沉积
2. 氧化还原型
3. 嵌入体系
4. 阴离子的特征吸附
准电容的两种主要材料:
1) 贵金属的电活性氧化物和水合氧化物膜(RuO2、IrO2)
2) 导电聚合物的氧化还原性膜(聚苯胺、聚噻吩)
电化学方法形成RuO2从单层到多层的转化:
在硫酸水溶液中,金属Ru或Ru化基体在一定电势范围内进行循环伏安法扫描,随着持续循环的进行,Ru的氧化物膜进行累积性生长。在0.05-1.4V之间循环数百上千次之后,可形成微米厚度的膜。
RuO2的CV特征:
在20-30次循环之后失去第一次循环伏安过程的特征(单层氧化物的形成与还原),形成了像大电流充放电过程一样近似矩形的循环伏安曲线图。
IrO2的CV特征:
可逆电势区间仅为0.6-1.4V,0.6V以下变成导电性差的氧化膜
WO3的CV特征:
工作范围仅为0.8V
NiO赝电容:0.5M/L的KOH溶液
在制备Ni(OH)2过程中吐温-80的作用:
包覆在新生成的Ni(OH)2颗粒表面,抑制Ni(OH)2颗粒的生长速度,使颗粒之间相互隔离,抑制团聚的发生。
表面活性剂对颗粒的尺寸有很大的影响。
由XRD图谱可知:
随着热处理温度的升高,衍射峰的半峰宽越小,晶粒直径约大,300 400 500度的粒径分别问3.6nm 8.7nm 21.9nm.
最佳的热处理温度应该是使Ni(OH)2全部转化为NiO而电活性表面积又没因为NiO晶粒的烧结而减少的温度,即300度。
NiO-AC混合电容器的工作电压:
比NiO对称性电容器提高4.3倍;比AC对称型电容器的工作电压提高0.5V
NiO-AC混合电容器的能量密度:
比NiO对称性电容器提高17.2倍,是AC对称性电容器的2.5倍
MnO2的优点:
1) 价格低
2) 晶型多
3) 价态多
4) 理论比容量高
5) 电化学窗口宽
无定型层状Birnessite钠水锰矿
两类电极:粉末电极、薄膜电极,比电容哪个高
VN具有良好的导电性,容量可达1340F/g
VN新实验方案:
氧化物原料+有机氮化试剂(三聚氰胺)
两个作用:
1) 分解时放出气体,防止团聚
2) 残留碳分割纳米晶粒,防止团聚
导电聚合物:
聚乙炔:
聚吡咯:
聚苯胺:
聚噻吩:
聚对苯:
从上往下:聚乙炔、聚对苯、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺
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