先进储能科学技术与工业应用丛书--超级电容器储能材料、器件与应用

《超级电容器储能材料、器件与应用》一书从“理论—材料—器件—应用”链条出发，系统地介绍了超级电容器的理论基础、性能特点及评价方法，概括了超级电容器电极材料、电解液、隔膜的研究现状和产业化发展态势，阐述了超级电容器单体和模组的器件制造工艺技术，总结了超级电容器在工业电子、电网、交通、军用装备、智能传感等领域中的应用。本书还对新型超级电容器如柔性超级电容器、固态超级电容器和微型超级电容器的原理、发展和应用进行了论述。
本书可用作高等院校材料、化学和能源类专业的教学用书及相关技术人员、科研人员的参考用书。

张海涛，西南交通大学研究员、博导，中国科学院百篇优秀博士学位论文获得者、四川省学术与技术带头人后备人选。主要从事电化学储能研究。主持和主研国家自然科学基金、国家科技部重点研发计划等20余项；在Advanced Materials、ACS Energy Letters等著名刊物发表SCI论文120余篇，SCI他引7000余次；获得授权发明专利10余项，完成成果技术转让4项；荣获国家级教学创新竞赛三等奖和四川省教学创新竞赛二等奖各1次（第2）。

杨维清，西南交通大学前沿科学研究院院长，教授、博导，四川省第十二届政协委员，四川省杰出青年。主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Chemical Society Reviews、Advanced Materials等著名刊物发表SCI论文270余篇，连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者；主持国家自然科学基金3项、教育部创新团队等多项省部级项目；申请专利40余项，已转化20余项，直接转让经费3000余万元。

何正友，西南交通大学党委常委、副校长、特聘教授、博导。教育部"长江学者"特聘教授、国家杰出青年基金获得者、"万人计划"领军人才、科技部中青年领军人才。现为IET Fellow、IEEE Senior Member、中国电工技术学会理事。致力于高速铁路供电系统的保护与控制研究。主持国家自然科学基金重点项目2项、面上/青年项目4项、国家重点研发计划课题2项、863计划/国家支撑计划等5项；获国家科技进步二等奖2项（第4、第9）、教育部科学技术进步二等奖（第1），国家教学成果二等奖2项（第3、第5）。

本书是“先进储能科学技术与工业应用丛书”的一个分册，本套丛书由中科院物理所李泓研究员牵头组织，涉及储能科学技术与应用的多个方面，助力于推动储能技术的发展和应用。 本书围绕作者在超级电容器电化学理论、储能材料、无线传感应用、碳材料和隔膜材料产业化中试方面所取得的研究成果，并结合近年来超级电容器领域新的研究成果和产业化现状，全面系统地介绍超级电容器原理、材料、器件和应用。内容特点如下： ★超级电容器储能的优缺点分析 ★超级电容器的储能原理 ★超级电容器储能电极材料 ★超级电容器储能电解液 ★超级电容器储能隔膜材料 ★超级电容器储能的器件工艺 ★超级电容器的性能与分析 ★超级电容器的应用

超级电容器具有容量大、功率性能高、使用温度范围宽和安全性好等优势，在储能技术中具有不可替代的地位。作为一种大功率储能元件，超级电容器在工业电子、交通、国防军工等领域具有广泛的应用前景，是新能源领域的研究热点和发展重点。我国积极支持超级电容器技术的研究与应用，将其视为新能源领域的重点发展方向。随着中国提出“双碳”目标，一些推进超级电容器发展的政策也相继出台：工业和信息化部印发《基础电子元器件产业发展行动计划（2021—2023年）》，提及重点推动车规级超级电容器的应用；科学技术部发布“储能与智能电网技术”重点专项2021年度项目申报指南，其中包括主要研究低成本混合型超级电容器关键技术；国家能源局、科学技术部印发《“十四五”能源领域科技创新规划》，旨在推动10MW级超级电容器等储能设备的设计与示范应用；2023年国家标准化管理委员会、国家能源局发布《新型储能标准体系建设指南》，文件提出到2025年，在超级电容器储能及其他储能领域形成较为完善的系列标准。这些政策涉及财政支持、研发资金投入、技术标准制定等方面，对推动超级电容器的发展提供极大的支持。当前，我国超级电容器产业发展迅速，在储能式有轨电车、超级电容客车、超级电容路灯等领域都形成了国际首创应用，在轨道交通、风力发电、智能三表、电动船舶、ETC等领域的应用规模都达到了世界领先水平。经过多年的自主创新，我国超级电容器研发和生产能力已经上了一个新台阶，无论从产品技术水平还是从产能规模上都达到了国际先进水平。
本书结合作者在超级电容器方面长期的研究和积累的丰富经验，在全面系统介绍超级电容器材料和器件的基础上，深入分析其电化学原理，并采用实例展示法，分析超级电容器在工业电子、电网、交通、航空航天、军用装备、智能传感等领域的应用。本书注重图文并茂，并总结近年来超级电容器领域新的研究突破，同时分析核心材料的产业化现状，一方面让读者更容易地理解超级电容器知识，另一方面有助于读者全面系统地熟悉超级电容器行业现状。
与国内同类参考书相比，本书具有三个方面的特色。
1．教研相长、全面系统
结合编著者15年来在超级电容器领域的教学、科学研究和产业化工作，采取“理论—材料—器件—应用”的思路编写，本书重点介绍和分析了不同种类超级电容器的基本原理和理论基础，在阐述电极材料、电解液、隔膜、性能、器件的基础上，关注超级电容器储能产业化现状和发展态势，结合实际工程案例并注重图文并茂，有助于读者全面系统地了解超级电容器储能技术。
2．精选内容、填补空白
本书详细地论述了超级电容器储能碳电极材料、电解液的产业化发展现状；全面系统地总结了隔膜材料的制备工艺和性质特点；较为全面地阐述了超级电容器器件工艺。这些内容在其他同类图书中都是极为缺乏的，本书填补了同类图书在这些领域的空白。
3．注重新意、与时俱进
编著者重点论述了自放电行为的新原理和抑制策略、微型超级电容器在智能传感领域的应用，这是其他同类书籍中所缺乏的，但是对于超级电容器的发展又是至关重要的，因此本书在部分重点内容中具有独特性。
本书由西南交通大学的张海涛、杨维清、何正友编著。在编著本书的过程中，谢岩廷、黄浚峰、蒋兴琳博士研究生和何涵宇、贾艾黎、彭鸿志、屈远箫、唐海龙、牟达丽、唐靓、王宜平、刘申奥、吕强硕士研究生为本书的内容选取搜集了大量资料，参与本书部分章节的编著工作，并对本书内容的组织提出了许多宝贵意见，在此表示感谢。
限于编著者水平，书中难免存在疏漏和不妥之处，希望得到广大读者的批评指正。

编著者

第1章 绪论	1
1.1 能量转换、存储与利用	1
1.2 电化学储能技术	3
1.2.1 铅酸电池	3
1.2.2 锂离子电池	4
1.2.3 液流电池	5
1.2.4 钠硫电池	6
1.2.5 镍镉电池	7
1.2.6 电化学储能电池技术的性能比较	7
1.3 超级电容器储能技术	9
1.3.1 纳米孔隙电极	10
1.3.2 电解液	10
1.3.3 隔膜	11
1.3.4 超级电容器单体与模组	11
1.3.5 混合储能器件	11
1.4 超级电容器的发展历程	11
1.5 超级电容器储能的优缺点分析	13
1.5.1 超级电容器优点	14
1.5.2 超级电容器缺点	15
参考文献	16

第2章 超级电容器的储能原理	17
2.1 超级电容器的概念与分类	17
2.1.1 超级电容器的概念	17
2.1.2 超级电容器的分类	18
2.2 双电层超级电容器的储能原理	21
2.3 赝电容超级电容器的储能原理	26
2.4 混合型超级电容器的储能原理	29
2.5 新型超级电容器的储能原理	30
2.5.1 柔性超级电容器	30
2.5.2 固态超级电容器	32
2.5.3 微型超级电容器	33
参考文献	37

第3章 超级电容器储能电极材料	41
3.1 超级电容器储能电极材料的分类	41
3.1.1 双电层电极材料	42
3.1.2 赝电容电极材料	49
3.2 超级电容器储能电极材料的性质	60
3.2.1 比表面积	60
3.2.2 孔径及孔分布	61
3.2.3 导电性	63
3.2.4 稳定性	64
3.3 超级电容器储能复合电极材料	66
3.3.1 碳-碳复合（碳基复合材料）	66
3.3.2 碳-赝电容材料复合	68
3.3.3 赝电容-赝电容材料复合	69
3.4 超级电容器储能碳材料的产业化现状	70
3.4.1 活性炭	71
3.4.2 碳纤维	73
3.4.3 石墨烯	74
参考文献	75

第4章 超级电容器储能电解液	81
4.1 超级电容器储能电解液的分类 	81
4.1.1 水系电解液	82
4.1.2 有机电解液	84
4.1.3 离子液体电解液	85
4.1.4 凝胶电解质	86
4.1.5 全固态电解质	93
4.2 超级电容器储能电解液的理化性质  	101
4.2.1 离子迁移数	102
4.2.2 离子电导率	103
4.2.3 介电性质	105
4.2.4 介电性质影响因素	107
4.2.5 电势窗口	108
4.2.6 电势窗口影响因素	109
4.2.7 稳定性	110
4.3 超级电容器储能电解液的改性	112
4.3.1 物理法改性	112
4.3.2 化学法改性	114
4.4 超级电容器储能电解液产业化现状概述	116
4.4.1 水系电解液的产业化现状	117
4.4.2 离子液体的产业化现状	117
4.4.3 有机电解液的产业化现状	118
4.4.4 上下游市场对超级电容器电解液产业的推动作用	122
参考文献	126

第5章 超级电容器储能隔膜材料	132
5.1 超级电容器储能隔膜材料的分类	132
5.1.1 纤维素隔膜	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 静电纺丝隔膜	137
5.2 超级电容器隔膜材料的产业化现状	138
5.3 超级电容器储能隔膜材料的性质	140
5.3.1 力学性质	141
5.3.2 热学性质	143
5.3.3 表面性质	145
5.4 超级电容器储能隔膜材料的工艺	149
5.4.1 纤维素基隔膜材料的抄纸法工艺	149
5.4.2 PP/PE基隔膜材料的制备工艺	155
参考文献	158

第6章 超级电容器储能的器件工艺	162
6.1 干法工艺	162
6.1.1 干法前段工艺	162
6.1.2 干法中段工艺	168
6.1.3 干法后段工艺	172
6.2 湿法工艺	173
6.2.1 湿法前段工艺：极片制造	173
6.2.2 湿法中段工艺：电芯制造	180
6.2.3 湿法后段工艺：检测	181
6.3 超级电容器模组与管理	184
6.3.1 超级电容器模组	184
6.3.2 超级电容器模组的管控技术	186
6.3.3 发展趋势展望	194
参考文献	195

第7章 超级电容器的性能与分析	200
7.1 比电容	200
7.1.1 测试方法	200
7.1.2 分析方法	201
7.1.3 电容类型分析方法	207
7.2 能量密度	208
7.2.1 测试与分析	208
7.2.2 能量密度受限的原理与改善策略	209
7.3 功率密度	211
7.3.1 测试方法	212
7.3.2 分析方法	212
7.4 工作电压	212
7.5 最大电流	213
7.6 自放电	214
7.6.1 自放电的测试与计算	214
7.6.2 自放电机理	215
7.6.3 自放电机理研究的局限性	218
7.6.4 超级电容器自放电行为的抑制策略	218
7.7 内阻	221
7.7.1 测试方法	221
7.7.2 分析方法	223
7.8 循环稳定性 	225
7.8.1 测试方法	225
7.8.2 分析方法	226
参考文献	226

第8章 超级电容器的应用	230
8.1 超级电容器在工业电子领域的应用	231
8.1.1 智能三表	231
8.1.2 不间断电源	232
8.1.3 电梯能量回收	236
8.1.4 其他消费电子	237
8.2 超级电容器在电网领域的应用	241
8.2.1 储能电站	241
8.2.2 分布式微电网系统	242
8.2.3 新能源及其并网	245
8.3 超级电容器在交通领域的应用	247
8.3.1 工程机械	247
8.3.2 轨道交通	250
8.3.3 新能源汽车	253
8.4 超级电容器在航空航天领域的应用	255
8.5 微型电容器在智能传感领域的应用	261
参考文献	265