储能技术总结

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