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鋰離子電容器 版權信息
- ISBN：9787030750518
- 條形碼：9787030750518 ; 978-7-03-075051-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
鋰離子電容器 內容簡介
鋰離子電容器具有高功率密度、較高能量密度、長循環壽命和高安全性等優點，在軌道交通、新能源發電、電力系統、航空航空和國防軍工等領域具有重要的應用前景。本書重點介紹了鋰離子電容器的發展歷史和結構特點，鋰離子電容器正極材料、負極材料、電解液，鋰離子電容器負極預嵌鋰技術，鋰離子電池電容，柔性固態電容器，鋰離子電容器表征技術和單體制造技術，鋰離子電容器系統集成技術及其應用。本書內容詳實豐富，涵蓋了鋰離子電容器關鍵科學問題，兼顧實際工程技術問題，努力為我國鋰離子電容器產學研從業者提供一本從事該領域工作的工具書。
鋰離子電容器 目錄
目錄
序言
前言
第1章 鋰離子電容器簡介 1
1.1 概述 1
1.2 鋰離子電容器的誕生與發展 4
1.2.1 電化學電容器概述 4
1.2.2 鋰離子電容器的發展 6
1.3 鋰離子電容器的分類及工作原理 10
1.3.1 鋰離子電容器的分類 10
1.3.2 鋰離子電容器的工作原理 12
1.4 鋰離子電容器的基本概念 13
參考文獻 15
第2章 鋰離子電容器正極材料 18
2.1 概述 18
2.2 活性炭 18
2.2.1 活性炭的微觀結構和化學性質 19
2.2.2 活性炭的孔徑分布 21
2.2.3 活性炭的制備方法 23
2.2.4 活性炭的化學改性 24
2.2.5 活性炭在鋰離子電容器中的應用 25
2.3 模板碳 29
2.4 碳納米管 35
2.5 石墨烯 37
2.5.1 石墨烯的基本物性 37
2.5.2 石墨烯粉體的制備方法.39
2.5.3 石墨烯在鋰離子電容器中的應用 40
2.5.4 基于CO2轉化的石墨烯基電極材料 43
2.6 生物質炭 52
2.6.1 生物炭的形成過程 52
2.6.2 生物炭的表面及內部結構 53
2.6.3 生物炭的主要理化特性.54
2.6.4 生物炭在鋰離子電容器中的應用 55
2.7 碳氣凝膠 58
2.8 其他正極材料 59
2.9 本章結語 60
參考文獻 61
第3章 鋰離子電容器負極材料 70
3.1 概述 70
3.2 碳基負極材料 71
3.2.1 石墨類材料 71
3.2.2 中間相炭微球 74
3.2.3 硬碳 75
3.2.4 軟碳 77
3.2.5 石墨烯 80
3.2.6 碳納米管 87
3.2.7 碳納米纖維 89
3.2.8 其他碳材料 91
3.3 含鋰氧化物負極材料 92
3.3.1 鈦酸鋰 92
3.3.2 釩酸鋰 95
3.3.3 硅酸鈦鋰 97
3.4 過渡金屬氧化物負極材料 99
3.4.1 氧化錳 100
3.4.2 鐵氧化物 101
3.4.3 鈷氧化物 103
3.4.4 氧化鎳 104
3.4.5 氧化鉬 105
3.4.6 氧化鈦 107
3.4.7 氧化鈮 109
3.4.8 復合金屬氧化物 111
3.4.9 其他氧化物 113
3.5 金屬硫族化合物負極材料 115
3.5.1 硫化物 115
3.5.2 硒化物 124
3.5.3 碲化物 127
3.5.4 材料改性研究 128
3.6 合金型負極材料 129
3.6.1 Si基負極材料 131
3.6.2 Sn基負極材料 134
3.6.3 其他合金型負極材料 137
3.7 MXene負極材料 138
3.7.1 Ti3C2Tx 141
3.7.2 Nb2CTx 146
3.8 其他負極材料148
3.8.1 過渡金屬碳化物 148
3.8.2 過渡金屬氮化物 148
3.8.3 過渡金屬氟化物 150
3.8.4 過渡金屬磷化物 150
3.9 本章結語 151
參考文獻 153
第4章 鋰離子電容器電解液 164
4.1 概述 164
4.2 電解液與電極的相互作用 167
4.2.1 電解液與負極的相互作用 168
4.2.2 電解液與正極的相互作用 171
4.3 鋰鹽 176
4.3.1 LiPF6 178
4.3.2 LiTFSI 180
4.3.3 LiFSI 181
4.3.4 LiBOB 182
4.3.5 LiODFB 184
4.3.6 其他鋰鹽 185
4.4 有機溶劑 186
4.4.1 碳酸酯 191
4.4.2 醚類 193
4.4.3 羧酸酯 193
4.4.4 砜類 194
4.4.5 其他有機溶劑 194
4.5 功能添加劑 196
4.5.1 成膜添加劑 196
4.5.2 高電壓添加劑 204
4.5.3 高溫添加劑 205
4.5.4 低溫添加劑 206
4.5.5 阻燃添加劑 207
4.5.6 其他添加劑 211
4.6 電解液體系 213
4.6.1 有機體系 213
4.6.2 水系體系 219
4.6.3 離子液體體系 222
4.6.4 高濃度鹽體系 225
4.7 本章結語 230
參考文獻 230
第5章 鋰離子電容器負極預嵌鋰技術 243
5.1 概述 243
5.2 金屬鋰嵌鋰法244
5.2.1 金屬鋰接觸嵌鋰 244
5.2.2 鈍化鋰粉接觸嵌鋰 248
5.2.3 金屬鋰電極電化學嵌鋰 250
5.3 正極添加劑輔助嵌鋰法 258
5.3.1 二元鋰化合物 258
5.3.2 有機鋰化合物 266
5.3.3 富鋰過渡金屬氧化物 270
5.3.4 其他鋰鹽化合物 276
5.4 電解液嵌鋰法 278
5.5 化學溶液嵌鋰法 279
5.6 本章結語 284
參考文獻 284
第6章 鋰離子電池電容 289
6.1 概述 289
6.1.1 結構和工作原理 289
6.1.2 儲能機制和預嵌鋰容量 290
6.2 鋰離子電池電容的結構 292
6.2.1 混合雙材料 292
6.2.2 分段雙材料 293
6.2.3 其他復合結構 295
6.3 材料體系 295
6.3.1 LiCoO2+AC體系 296
6.3.2 LiFePO4+AC體系 297
6.3.3 LiMn2O4+AC體系 303
6.3.4 LiNixCoyMnzO2+AC體系 306
6.3.5 Li3V2（PO4）3+AC體系 319
6.4 本章結語 321
參考文獻 321
第7章 柔性固態電容器 326
7.1 概述 326
7.2 柔性電極與器件的設計制備 327
7.2.1 柔性薄膜超級電容器 327
7.2.2 叉指狀微型超級電容器 331
7.2.3 纖維狀超級電容器 333
7.2.4 其他特殊結構柔性超級電容器 336
7.3 固態電解質 341
7.3.1 全固態電解質 341
7.3.2 凝膠固態電解質 343
7.4 器件的柔性性能表征 347
7.5 本章結語 350
參考文獻 351
第8章 鋰離子電容器表征和測試技術 360
8.1 概述 360
8.2 光譜表征技術 361
8.2.1 X射線衍射 361
8.2.2 同步輻射X射線衍射 365
8.2.3 X射線吸收光譜 368
8.2.4 X射線光電子能譜 370
8.2.5 拉曼光譜 372
8.2.6 紅外光譜 375
8.3 電鏡表征技術376
8.3.1 掃描電子顯微鏡 376
8.3.2 透射電子顯微鏡 378
8.3.3 原子力顯微鏡 381
8.4 核磁共振波譜技術 382
8.5 低溫氮氣吸脫附表征技術 384
8.6 電化學表征技術 386
8.6.1 循環伏安法 386
8.6.2 充放電測試 390
8.6.3 電化學阻抗譜 392
8.7 本章結語 394
參考文獻 395
第9章 鋰離子電容器制備技術及測試規范 397
9.1 概述 397
9.2 鋰離子電容器制備工藝 398
9.2.1 結構和類型 398
9.2.2 制備工藝流程 400
9.2.3 電極制備工藝 401
9.2.4 單體制備技術 405
9.2.5 后端制備工藝 410
9.3 鋰離子電容器單體設計 410
9.3.1 正負極材料體系設計 410
9.3.2 正負極容量匹配 412
9.3.3 工藝參數設計 414
9.3.4 非活性材料 415
9.3.5 高性能鋰離子電容器的研制 425
9.4 鋰離子電容器單體性能測試及評價 426
9.4.1 測試規范 427
9.4.2 評價體系 434
9.4.3 安全性能測試規范 437
9.5 本章結語 438
參考文獻 439
第10章 鋰離子電容器系統集成技術 443
10.1 概述 443
10.2 鋰離子電容器建模理論 443
10.2.1 電化學模型 444
10.2.2 等效電路模型 446
10.2.3 分數階模型 451
10.2.4 數據驅動模型 456
10.3 鋰離子電容器熱特性與仿真 457
10.3.1 生熱原理 457
10.3.2 溫度對單體性能影響 460
10.3.3 充放電熱特性分析 463
10.3.4 軟包單體放電熱模型與仿真 466
10.3.5 熱安全性 469
10.4 鋰離子電容器老化機制與壽命預測 471
10.4.1 老化機制 471
10.4.2 壽命預測 480
10.5 鋰離子電容器自放電機制 483
10.5.1 雙電層自放電機制 483
10.5.2 自放電分析 488
10.6 鋰離子電容器成組技術 493
10.6.1 模組設計 493
10.6.2 荷電狀態估計 498
10.6.3 均衡管理系統 501
10.6.4 熱管理系統 505
10.7 本章結語 509
參考文獻 509
第11章 鋰離子電容器的應用 516
11.1 概述 516
11.2 鋰離子電容器主要應用領域 516
11.2.1 日常應用領域 517
11.2.2 工業節能 521
11.2.3 交通運輸 527
11.2.4 新型電力系統 540
11.2.5 航空航天與國防軍工 547
11.3 鋰離子電容器產業政策與市場規模 550
11.3.1 中國超級電容器政策導向和產業發展 550
11.3.2 鋰離子電容器市場規模 551
11.4 本章結語 552
參考文獻 552
序言
前言
第1章 鋰離子電容器簡介 1
1.1 概述 1
1.2 鋰離子電容器的誕生與發展 4
1.2.1 電化學電容器概述 4
1.2.2 鋰離子電容器的發展 6
1.3 鋰離子電容器的分類及工作原理 10
1.3.1 鋰離子電容器的分類 10
1.3.2 鋰離子電容器的工作原理 12
1.4 鋰離子電容器的基本概念 13
參考文獻 15
第2章 鋰離子電容器正極材料 18
2.1 概述 18
2.2 活性炭 18
2.2.1 活性炭的微觀結構和化學性質 19
2.2.2 活性炭的孔徑分布 21
2.2.3 活性炭的制備方法 23
2.2.4 活性炭的化學改性 24
2.2.5 活性炭在鋰離子電容器中的應用 25
2.3 模板碳 29
2.4 碳納米管 35
2.5 石墨烯 37
2.5.1 石墨烯的基本物性 37
2.5.2 石墨烯粉體的制備方法.39
2.5.3 石墨烯在鋰離子電容器中的應用 40
2.5.4 基于CO2轉化的石墨烯基電極材料 43
2.6 生物質炭 52
2.6.1 生物炭的形成過程 52
2.6.2 生物炭的表面及內部結構 53
2.6.3 生物炭的主要理化特性.54
2.6.4 生物炭在鋰離子電容器中的應用 55
2.7 碳氣凝膠 58
2.8 其他正極材料 59
2.9 本章結語 60
參考文獻 61
第3章 鋰離子電容器負極材料 70
3.1 概述 70
3.2 碳基負極材料 71
3.2.1 石墨類材料 71
3.2.2 中間相炭微球 74
3.2.3 硬碳 75
3.2.4 軟碳 77
3.2.5 石墨烯 80
3.2.6 碳納米管 87
3.2.7 碳納米纖維 89
3.2.8 其他碳材料 91
3.3 含鋰氧化物負極材料 92
3.3.1 鈦酸鋰 92
3.3.2 釩酸鋰 95
3.3.3 硅酸鈦鋰 97
3.4 過渡金屬氧化物負極材料 99
3.4.1 氧化錳 100
3.4.2 鐵氧化物 101
3.4.3 鈷氧化物 103
3.4.4 氧化鎳 104
3.4.5 氧化鉬 105
3.4.6 氧化鈦 107
3.4.7 氧化鈮 109
3.4.8 復合金屬氧化物 111
3.4.9 其他氧化物 113
3.5 金屬硫族化合物負極材料 115
3.5.1 硫化物 115
3.5.2 硒化物 124
3.5.3 碲化物 127
3.5.4 材料改性研究 128
3.6 合金型負極材料 129
3.6.1 Si基負極材料 131
3.6.2 Sn基負極材料 134
3.6.3 其他合金型負極材料 137
3.7 MXene負極材料 138
3.7.1 Ti3C2Tx 141
3.7.2 Nb2CTx 146
3.8 其他負極材料148
3.8.1 過渡金屬碳化物 148
3.8.2 過渡金屬氮化物 148
3.8.3 過渡金屬氟化物 150
3.8.4 過渡金屬磷化物 150
3.9 本章結語 151
參考文獻 153
第4章 鋰離子電容器電解液 164
4.1 概述 164
4.2 電解液與電極的相互作用 167
4.2.1 電解液與負極的相互作用 168
4.2.2 電解液與正極的相互作用 171
4.3 鋰鹽 176
4.3.1 LiPF6 178
4.3.2 LiTFSI 180
4.3.3 LiFSI 181
4.3.4 LiBOB 182
4.3.5 LiODFB 184
4.3.6 其他鋰鹽 185
4.4 有機溶劑 186
4.4.1 碳酸酯 191
4.4.2 醚類 193
4.4.3 羧酸酯 193
4.4.4 砜類 194
4.4.5 其他有機溶劑 194
4.5 功能添加劑 196
4.5.1 成膜添加劑 196
4.5.2 高電壓添加劑 204
4.5.3 高溫添加劑 205
4.5.4 低溫添加劑 206
4.5.5 阻燃添加劑 207
4.5.6 其他添加劑 211
4.6 電解液體系 213
4.6.1 有機體系 213
4.6.2 水系體系 219
4.6.3 離子液體體系 222
4.6.4 高濃度鹽體系 225
4.7 本章結語 230
參考文獻 230
第5章 鋰離子電容器負極預嵌鋰技術 243
5.1 概述 243
5.2 金屬鋰嵌鋰法244
5.2.1 金屬鋰接觸嵌鋰 244
5.2.2 鈍化鋰粉接觸嵌鋰 248
5.2.3 金屬鋰電極電化學嵌鋰 250
5.3 正極添加劑輔助嵌鋰法 258
5.3.1 二元鋰化合物 258
5.3.2 有機鋰化合物 266
5.3.3 富鋰過渡金屬氧化物 270
5.3.4 其他鋰鹽化合物 276
5.4 電解液嵌鋰法 278
5.5 化學溶液嵌鋰法 279
5.6 本章結語 284
參考文獻 284
第6章 鋰離子電池電容 289
6.1 概述 289
6.1.1 結構和工作原理 289
6.1.2 儲能機制和預嵌鋰容量 290
6.2 鋰離子電池電容的結構 292
6.2.1 混合雙材料 292
6.2.2 分段雙材料 293
6.2.3 其他復合結構 295
6.3 材料體系 295
6.3.1 LiCoO2+AC體系 296
6.3.2 LiFePO4+AC體系 297
6.3.3 LiMn2O4+AC體系 303
6.3.4 LiNixCoyMnzO2+AC體系 306
6.3.5 Li3V2（PO4）3+AC體系 319
6.4 本章結語 321
參考文獻 321
第7章 柔性固態電容器 326
7.1 概述 326
7.2 柔性電極與器件的設計制備 327
7.2.1 柔性薄膜超級電容器 327
7.2.2 叉指狀微型超級電容器 331
7.2.3 纖維狀超級電容器 333
7.2.4 其他特殊結構柔性超級電容器 336
7.3 固態電解質 341
7.3.1 全固態電解質 341
7.3.2 凝膠固態電解質 343
7.4 器件的柔性性能表征 347
7.5 本章結語 350
參考文獻 351
第8章 鋰離子電容器表征和測試技術 360
8.1 概述 360
8.2 光譜表征技術 361
8.2.1 X射線衍射 361
8.2.2 同步輻射X射線衍射 365
8.2.3 X射線吸收光譜 368
8.2.4 X射線光電子能譜 370
8.2.5 拉曼光譜 372
8.2.6 紅外光譜 375
8.3 電鏡表征技術376
8.3.1 掃描電子顯微鏡 376
8.3.2 透射電子顯微鏡 378
8.3.3 原子力顯微鏡 381
8.4 核磁共振波譜技術 382
8.5 低溫氮氣吸脫附表征技術 384
8.6 電化學表征技術 386
8.6.1 循環伏安法 386
8.6.2 充放電測試 390
8.6.3 電化學阻抗譜 392
8.7 本章結語 394
參考文獻 395
第9章 鋰離子電容器制備技術及測試規范 397
9.1 概述 397
9.2 鋰離子電容器制備工藝 398
9.2.1 結構和類型 398
9.2.2 制備工藝流程 400
9.2.3 電極制備工藝 401
9.2.4 單體制備技術 405
9.2.5 后端制備工藝 410
9.3 鋰離子電容器單體設計 410
9.3.1 正負極材料體系設計 410
9.3.2 正負極容量匹配 412
9.3.3 工藝參數設計 414
9.3.4 非活性材料 415
9.3.5 高性能鋰離子電容器的研制 425
9.4 鋰離子電容器單體性能測試及評價 426
9.4.1 測試規范 427
9.4.2 評價體系 434
9.4.3 安全性能測試規范 437
9.5 本章結語 438
參考文獻 439
第10章 鋰離子電容器系統集成技術 443
10.1 概述 443
10.2 鋰離子電容器建模理論 443
10.2.1 電化學模型 444
10.2.2 等效電路模型 446
10.2.3 分數階模型 451
10.2.4 數據驅動模型 456
10.3 鋰離子電容器熱特性與仿真 457
10.3.1 生熱原理 457
10.3.2 溫度對單體性能影響 460
10.3.3 充放電熱特性分析 463
10.3.4 軟包單體放電熱模型與仿真 466
10.3.5 熱安全性 469
10.4 鋰離子電容器老化機制與壽命預測 471
10.4.1 老化機制 471
10.4.2 壽命預測 480
10.5 鋰離子電容器自放電機制 483
10.5.1 雙電層自放電機制 483
10.5.2 自放電分析 488
10.6 鋰離子電容器成組技術 493
10.6.1 模組設計 493
10.6.2 荷電狀態估計 498
10.6.3 均衡管理系統 501
10.6.4 熱管理系統 505
10.7 本章結語 509
參考文獻 509
第11章 鋰離子電容器的應用 516
11.1 概述 516
11.2 鋰離子電容器主要應用領域 516
11.2.1 日常應用領域 517
11.2.2 工業節能 521
11.2.3 交通運輸 527
11.2.4 新型電力系統 540
11.2.5 航空航天與國防軍工 547
11.3 鋰離子電容器產業政策與市場規模 550
11.3.1 中國超級電容器政策導向和產業發展 550
11.3.2 鋰離子電容器市場規模 551
11.4 本章結語 552
參考文獻 552
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鋰離子電容器 節選
**章鋰離子電容器簡介 1.1概述 當今社會化石能源的大量消耗引起了諸多問題，如二氧化碳排放、氣候變化、環境污染、能源危機，因此替代傳統的化石能源，發展新型的可再生能源刻不容緩。2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論的講話中提出，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。2020年12月12日，習近平主席在氣候雄心峰會上的講話中提出，“到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上”。“碳達峰、碳中和”是一場能源革命。實現碳中和的過程中，可再生能源將從補充能源變為主體能源，化石能源將從主體能源變為輔助能源。可再生能源占比將從現在的20%左右提升至80%左右，化石能源將從80%左右降至20%左右，這是一場革命性的變革。其中，儲能技術是踐行和落實能源革命的關鍵環節，其目的在于解決風能和太陽能等可再生能源大規模接入、多能互補耦合利用、終端用能深度電氣化等重大問題[1]。 目前，儲能技術可分為物理儲能技術、化學儲能技術和電化學儲能技術等。其中物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能和超導儲能等；化學儲能包括各類化石燃料和氫能等；電化學儲能包括鉛酸電池、鎳氫電池、高溫鈉電池、液流電池、燃料電池、鋰離子電池、鈉離子電池和超級電容器等。在眾多儲能技術中，電化學儲能具有能量密度髙、能量轉換效率高和響應速度快等優點，在能源領域具有廣泛的應用前景。電化學儲能技術在能源領域中的具體功能如下：在發電側，解決風能、太陽能等可再生能源發電不連續、不可控的問題，保障其可控并網和按需輸配；在輸配電側，解決電網的調峰調頻、削峰填谷、智能化供電、分布式供能問題，提高多能耦合效率，實現節能減排；在用電側，支撐汽車等用能終端的電氣化，進一步實現其低碳化、智能化等目標。電化學儲能技術種類較多，根據其技術特點，適用的場合也不盡相同，其中鋰離子電池和超級電容器是兩類十分重要的電化學儲能器件。圖1-1給出了不同電化學儲能器件的能量密度與功率密度對應關系圖（RBgcme圖）。 鋰離子電池通過鋰離子在正負極材料中發生可逆的嵌入/脫出氧化還原反應來存儲和釋放能量，相比于其他二次電池，鋰離子電池可儲存更多的能量，并具備更高的工作電壓，這也決定了它具有較高的能量密度，鋰離子電池的能量密度可以達到150～300W-h/kgo但它的高倍率充放電性能受電解液的離子擴散速率、鋰離子在電極/電解液相界面的迀移速率，以及鋰離子在電極體相中的擴散速率等限制，在實際應用中功率特性較差，通常功率密度在1kW/kg以下。超級電容器按照正負電極是否為同一種物質可分為對稱型超級電容器和非對稱型超級電容器。雙電層電容器是*早出現的對稱型超級電容器，通過在電極與電解質的界面上形成雙電層結構來儲存能量。電解液與電極接觸時，由于固液兩相的電化學勢不同，為達到系統的電化學平衡，電極表面上的靜電荷將從溶液中吸附部分無規則分布的離子，電荷在電極與電解質界面間自發地分配形成雙電層，從而實現能量的儲存。從電化學的觀點來看，該類理想的電極屬于完全極化電極，因此不受電化學動力學的限制，這種表面儲能機理允許非常快速的能量儲存和釋放，使得雙電層電容器具有很好的功率特性，功率密度可達10kW/kg。然而，由于其靜電表面儲能機理，它的能量密度有限（通常在10W.li/kg以下）。鋰離子電容器屬于非對稱型超級電容器或者混合型超級電容器，一般正極采用雙電層電容器的電極材料（主要是活性炭材料），負極釆用可脫嵌鋰的鋰離子電池負極材料。鋰離子電容器工作過程不同于鋰離子電池和雙電層電容器，其電解液中的陰離子和陽離子經歷不同的過程：在負極發生鋰離子的嵌入/脫出，而在正極發生離子的吸附/脫附，其工作原理和結構示意圖如圖1-2所示。 鋰離子電容器與雙電層電容器、鋰離子電池相比具有以下幾個方面的優勢： （1）高能量密度，鋰離子電容器的能量密度可達40W.h/kg，達到鉛酸電池的水平，是雙電層電容器的4倍以上； （2）高功率密度，鋰離子電容器的功率密度可達10kW/kg以上，是鋰離子電池的10多倍，可在秒級內進行快速的充放電； （3）長循環壽命，鋰離子電容器的使用壽命可達50萬次以上，遠高于鋰離子電池，甚至可與雙電層電容器媲美； （4）較寬的工作溫度范圍，鋰離子電容器具有非常好的高低溫特性，可在-40～85°C的溫度區間內正常工作； （5）高安全性，鋰離子電池短路或過充時會導致熱失控現象，嚴重時會導致電池爆炸，而鋰離子電容器正極釆用活性炭材料，不會出現熱失控現象。 鋰離子電容器結合了鋰離子電池和雙電層電容器兩者的優點，表1-1進一步總結了鋰離子電池、雙電層電容器與鋰離子電容器的主要性能參數。 本章首先簡要回顧鋰離子電容器的發展歷史，然后介紹鋰離子電容器的工作原理與特性，*后對鋰離子電容器的基本概念作簡要總結。 1.2鋰離子電容器的誕生與發展 1.2.1電化學電容器概述 電化學電容器，又稱超級電容器，包括雙電層電容器、贗電容電容器和混合型電容器等，其原理是利用電極表面形成的雙電層或發生的二維或準二維法拉第反應儲存電能。人類**個儲能裝置電容器出現于1745年，即von Musschenbrock發明的萊頓瓶，這是公認的電容器鼻祖。1874年，亥姆霍茲（von Helmholtz）在研究膠體懸浮液的工作中首次提出了雙電層的概念并建立了**個描述金屬電極表面離子分布的模型。直到1957年，通用電氣公司的Becker申請發表了**個關于雙電層電容器的專利，從而預示著超級電容器進入儲能領域。隨后美國俄亥俄州標準石油公司（Standard Oil Company of Ohio，SOHIO）的Rightmire于1966年發明了以LiCl-KCl作為共晶電解液的超級電容器，其可真正視為一種電能儲存設備。同樣，在I960年以后，加拿大渥太華大學Conway小組開始研究贗電容機理，將法拉第反應帶入超級電容器，豐富了超級電容器的儲能機制。從此以后，雙電層電容器和贗電容電容器取得了快速的發展。1971年，日本電氣公司（NEC）在SOHIO的許可下開發了水系電解液的雙電層電容器，標志著電化學電容器在商業設備中使用的開端。同年，意大利科學家Trasatti報道了Ru02的贗電容儲能機制。1975年，Conway小組同加拿大大陸集團合作，開發了以Ru02作為電極材料的贗電容電容器。而超級電容器的真正商品化開始于1978年日本松下公司推出的Goldcap雙電層電容器，兩年之后日本NEC公司和三菱公司先后將超級電容器產業化，推出了面向市場的超級電容器。至此，人們認識到超級電容器和電池在未來的能源儲存系統中具有同樣重要的地位，其開發應用將成為儲能領域的革命性突破。世界各國加快了研發超級電容器的進程，日本和美國分別于1993年和1989年制定了關于超級電容器發展的長期規劃項目。1995年，美國Evans公司首次提出了混合型電容器的概念，俄羅斯ESMA公司生產出了C/KOH/NiOOH體系商品化水系混合型電容器。混合型電容器的提出進一步豐富了超級電容器的儲能機制，為制備兼具高能量密度和高功率密度的下一代超級電容器奠定了理論基礎。進入21世紀后，我國的超級電容器的產業化也逐步開展，2007年，生產工藝成熟的Maxwell公司進入中國市場，促進了我國超級電容器相關行業的發展。2016年12月，中國超級電容產業聯盟在北京成立，這是世界上**個超級電容器產業聯盟，涵蓋了國內95%以上的從業單位，楊裕生院士任**屆理事長，從此我國超級電容器產業進入了快速發展的階段。 傳統電容器由電介質分開的兩個平行電極組成，在兩極之間施加電壓會使正負電荷向相反極性的電極表面遷移。因此，每個電極上攜帶的電荷Q（單位為C）與兩電極之間電位差（電壓）U（單位為V）的比值即為該電容器的電容C（單位為F）。 （1.1） 電容C又正比于每個電極的面積4和電介質的介電常數e，與兩電極之間的距離成反比，因此， （1.2） 式中，為真空介電常數；為兩電極之間材料的介電常數（相對值）。因此兩電極的比表面積、電極之間的距離和所用電解質的性質往往決定了電容器的電容。 能量密度和功率密度是電化學電容器的兩個主要屬性，代表單位質量或單位體積的能量和功率。其中電化學電容器能夠儲存的能量E（單位為J）與電容C和電壓U有關，即 （1.3） 而功率P為單位時間內能量輸出的速率。在確定電化學電容器功率大小時要考慮內部各個組件（如集流體、電極材料、電解質和隔膜）之間的等效串聯電阻（ESR）（單位為叫。ESR會產生電壓降，直接決定了電化學電容器放電過程中的*大電壓，進而限制了電化學電容器的五和其*大功率Pmax可表示如下： （1.4） 電化學電容器遵循著與傳統電容器一樣的基本原理，可以通過高度可逆的方式進行電荷存儲。但電化學電容器采用高比表面積的多孔碳材料或具有快速法拉第反應的贗電容材料作為電極，使其比電容和能量密度比傳統電容器高出數萬倍。雖然電化學電容器的能量密度相比于電池仍有一定的差距，但就其功率密度而言在儲能器件領域具有相當的不可替代性，可以與電池形成互補的儲能元件。大多數電池在儲能過程中存在緩慢的化學過程和相變過程，而電化學電容器不存在這種情況，因此其往往具備高功率的同時，在循環壽命、高效率、快速充放電及高低溫性能等方面也具有明顯優勢。電化學電容器和電池兩者充放電行為的區別如圖1-3所示，在電化學電容器電極上存儲電荷（g）的增加或減少，總是會導致電壓的（上升）充電或（下降）放電；而對于電池的充放電過程，除了接近100%充電狀態丨充電頂峰）和接近o%的狀態（放電截止）之外，都具有一個恒定電壓丨穩定的放電平臺）。因此，對于需要恒定電壓輸出的應用而言，電化學電容器需要一個直流-直流（DC-DC）轉換器來調節和穩定輸出電壓。如需要交流電，則電池和電化學電容器都需要一個逆變器。 從電化學電容器的結構上來看，無論是雙電層電容器還是贗電容電容器，電極材料都直接決定了器件的儲能機制和電化學性能。對于雙電層電容器而言，電極材料需要多層次孔結構以及大比表面積來吸附和釋放更多的電解質離子。碳材料丨包括活性炭、碳納米管、石墨烯等），因電導率高、環境友好、化學穩定性優良等特點而成為首選，其發展也*為成熟、商業化*具規模。而對于贗電容電容器而言，根據氧化還原反應發生的位置分為表面氧化還原贗電容和插層贗電容兩類。前一種主要依靠電解質離子被電化學吸附在電極材料表面，產生短的擴散距離和時間，這種儲能機制發生在本征贗電容材料上，如Ru02、納米級Mn02等。而插層贗電容則依賴于材料的離子傳輸通道傳輸電解質離子，進而發生氧化還原反應，但此過程不改變材料的晶體結構，這種材料往往具有獨*的層狀結構，如二維過渡金屬氧化物（TMO）、硫化物（TMD）和MXene等。此外，聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）和聚噻吩（PEDOT）等導電聚合物通過納米工程同樣可以誘導贗電容行為并用于電化學電容器，其儲能的本質為充放電過程中電解質離子的反復摻雜和去摻雜，導致聚合物周期性地成為氧化態和還原態的行為。 除了電極材料，電解液作為電化學電容器的重要組成部分，其對器件的性能也有著重要的影響。根據計算公式（1.3）和公式（1.4），電壓是電化學電容器能量密度和功率密度大小的一個重要決定因素，而器件的*終工作電壓取決于電解液的穩定性。目前電化學電容器的電解液可分為三大類：水系、有機溶液體系以及離子液體。水系電解液如酸（H2S04）、堿（KOH）具有高離子電導
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