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储能技术总结

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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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