《超级电容器 材料、系统及应用》PDF下载

  • 购买积分:14 如何计算积分?
  • 作  者:(法)FrancoisBeguin,(波兰)ElzbietaFrackowiak著;张治安等译
  • 出 版 社:北京:机械工业出版社
  • 出版年份:2014
  • ISBN:9787111473602
  • 页数:423 页
图书介绍:超级电容器是介于电解电容器和电池之间的一种新型储能器件,具有循环寿命长、可大电流充放电等特点,其应用市场广阔,是新能源领域的研究热点。本书共有14章,第1~3章分别介绍电化学的基础知识、超级电容器概述以及电化学表征技术;第4~6章分别介绍了双电层电容器及其电极材料、双电层的电化学理论发展以及赝电容及其电极材料;第7、8章介绍了水系介质和有机介质中的混合电容器及非对称电容器;第9章介绍了离子液体型超级电容器;第10~13章分别介绍了超级电容器的产业化制造、模型、测试以及可靠性分析;第14章介绍了超级电容器的应用。各章节之间力求既相对独立,又相互联系,在内容上是一个整体。

第1章 电化学基本原理 1

1.1 平衡态电化学 1

1.1.1 自发化学反应 1

1.1.2 吉布斯自由能最小化 1

1.1.3 化学平衡和电化学电位间的桥接 2

1.1.4 E与△Gr间的关系 2

1.1.5 能斯特方程 3

1.1.6 平衡态的电池 3

1.1.7 标准电位 4

1.1.8 使用能斯特方程——Eh-pH图 4

1.2 离子 5

1.2.1 溶液中的离子 5

1.2.1.1 离子-溶剂相互作用 6

1.2.1.2 热力学 6

1.2.2 玻尔或简单连续介质模型 6

1.2.2.1 玻尔方程的证明 7

1.2.3 水的结构 7

1.2.3.1 离子附近水的结构 8

1.2.3.2 离子-偶极子模型 8

1.2.3.3 空穴形成 9

1.2.3.4 集群的破坏 9

1.2.3.5 离子-偶极子作用 9

1.2.3.6 玻尔能量 10

1.2.3.7 确定空穴中溶剂化离子的位置 10

1.2.3.8 剩余的水分子 10

1.2.3.9 与实验对比 10

1.2.3.10 离子-四极模型 11

1.2.3.11 诱导偶极子作用 11

1.2.3.12 结果 11

1.2.3.13 质子的水合焓 12

1.2.4 溶剂化数 12

1.2.4.1 络合数 12

1.2.4.2 主要的溶剂化数 12

1.2.5 活度及活度系数 12

1.2.5.1 逸度(f') 12

1.2.5.2 非电解质稀溶液 13

1.2.5.3 活度(α) 13

1.2.5.4 标准态 13

1.2.5.5 无限稀释 14

1.2.5.6 溶剂活度的测量 14

1.2.5.7 溶质活度的测量 14

1.2.5.8 电解液活度 14

1.2.5.9 平均离子数 15

1.2.5.10 f、γ和γ之间的关系 15

1.2.6 离子-离子作用 16

1.2.6.1 引言 16

1.2.6.2 计算ψ2的德拜-休克尔模型 16

1.2.6.3 泊松-玻耳兹曼方程 17

1.2.6.4 电荷密度 17

1.2.6.5 泊松-玻耳兹曼方程的求解 18

1.2.6.6 计算△μi-1 18

1.2.6.7 德拜长度K-1或LD 18

1.2.6.8 活度系数 19

1.2.6.9 与实验对比 19

1.2.6.10 德拜-休克尔极限法则的近似 20

1.2.6.11 最接近距离 20

1.2.6.12 活度系数的物理解释 21

1.2.7 浓电解质溶液 21

1.2.7.1 斯托克-罗宾逊处理 21

1.2.7.2 离子-水合修正 21

1.2.7.3 浓度修正 22

1.2.7.4 斯托克-罗宾逊方程 22

1.2.7.5 斯托克-罗宾逊方程的评估 22

1.2.8 离子对的形成 23

1.2.8.1 离子对 23

1.2.8.2 福斯处理 23

1.2.9 离子动力学 24

1.2.9.1 离子淌度与迁移数 24

1.2.9.2 扩散 25

1.2.9.3 菲克第二定律 26

1.2.9.4 扩散统计学 27

1.3 电化学动力学 28

1.3.1 原理综述 28

1.3.1.1 电势 28

1.3.1.2 良导体中的电势 28

1.3.1.3 良导体中的电荷 28

1.3.1.4 电荷间的作用力 28

1.3.1.5 电荷聚集产生的电势 29

1.3.1.6 两接触相间的电势差(△φ) 29

1.3.1.7 电化学电势(-μ) 30

1.3.2 静电荷界面或双电层 30

1.3.2.1 界面 30

1.3.2.2 理想极化电极 31

1.3.2.3 亥姆霍兹模型 31

1.3.2.4 古伊-查普曼模型或扩散模型 32

1.3.2.5 斯特恩模型 34

1.3.2.6 博克里斯、德瓦纳罕和穆勒模型 36

1.3.2.7 电容的计算 38

1.3.3 界面上的电荷传输 39

1.3.3.1 过渡态理论 39

1.3.3.2 氧化还原电荷转移反应 39

1.3.3.3 电荷转移的行为 42

1.3.3.4 巴特勒-沃尔摩方程 44

1.3.3.5 以标准速率常数(k0)的形式表示I 44

1.3.3.6 k0和I0间的关系 44

1.3.4 多步反应 45

1.3.4.1 多步巴特勒-沃尔摩方程 45

1.3.4.2 机理法则 46

1.3.4.3 I0对浓度的依存关系 47

1.3.4.4 电荷转移电阻(Rct) 47

1.3.4.5 整个电池的电压 48

1.3.5 质量传输控制 49

1.3.5.1 扩散和迁移 49

1.3.5.2 限制电流密度(IL) 50

1.3.5.3 旋转圆盘电极 51

进一步的阅读材料 51

第2章 电化学电容器的概述 56

2.1 引言 56

2.2 电容器的原理 57

2.3 电化学电容器 57

2.3.1 双电层电容器 60

2.3.1.1 双电层与多孔材料模型 61

2.3.1.2 双电层电容器的构造 62

2.3.2 赝电容电化学电容器 69

2.3.2.1 导电聚合物 70

2.3.2.2 过渡金属氧化物 74

2.3.2.3 锂离子电容器 79

2.4 小结 80

致谢 81

参考文献 81

第3章 电化学技术 90

3.1 电化学设备 90

3.2 电化学单元 91

3.3 电化学界面:超级电容器 92

3.4 常用的电化学技术 93

3.4.1 暂态技术 93

3.4.1.1 循环伏安技术 93

3.4.1.2 恒电流循环技术 96

3.4.2 稳态技术 97

3.4.2.1 电化学阻抗谱 97

3.4.2.2 超级电容器阻抗 99

参考文献 105

第4章 双电层电容器及其所用碳材料 107

4.1 引言 107

4.2 双电层 108

4.3 双电层电容器的碳材料类型 110

4.3.1 活性炭粉末 110

4.3.2 活性炭纤维 112

4.3.3 碳纳米管 112

4.3.4 炭气凝胶 112

4.4 电容与孔尺寸 112

4.5 离子去溶剂化的证据 115

4.6 性能限制:孔径进入度或孔隙饱和度 120

4.6.1 孔径进入度的限制 120

4.6.2 孔隙饱和度对电容器性能的限制 122

4.7 微孔碳材料之外的双电层电容 125

4.7.1 纯离子液体电解质中的微孔碳材料 125

4.7.2 离子液体溶液中额外的电容 128

4.7.3 孔隙中的离子捕获 129

4.7.4 离子的嵌入/插层 130

4.8 小结 131

参考文献 132

第5章 碳基电化学电容器的现代理论 135

5.1 引言 135

5.1.1 碳基电化学电容器 135

5.1.2 双电层电容器的组成 136

5.2 经典理论 139

5.2.1 界面上的紧密层 139

5.2.2 电解液中的扩散层 140

5.2.3 电极上的空间电荷层 141

5.3 近期研究进展 142

5.3.1 表面曲率效应下的后亥姆霍兹模型 142

5.3.1.1 内嵌式电容器模型 142

5.3.1.2 层次孔状多孔碳模型 150

5.3.1.3 Exohedral电容器模型 151

5.3.2 GCS模型之外的双电层电容器理论 154

5.3.3 石墨化碳材料的量子电容 154

5.3.4 分子动力学模拟 155

5.3.4.1 水系电解液中的双电层 156

5.3.4.2 有机电解液中的双电层 158

5.3.4.3 室温离子液体中的双电层 159

5.4 小结 162

致谢 163

参考文献 164

第6章 具有赝电容特性的电极材料 168

6.1 引言 168

6.2 导电聚合物在超级电容器中的应用 168

6.3 金属氧化物/碳复合材料 172

6.4 碳网络中杂原子的赝电容效应 174

6.4.1 富氧的碳 174

6.4.2 富氮的碳 174

6.5 带有电吸附氢的纳米多孔碳 179

6.6 电解质溶液-法拉第反应的来源 182

6.7 小结——赝电容效应的优点与缺点 187

参考文献 188

第7章 有机介质中的锂离子混合型超级电容器 193

7.1 引言 193

7.2 传统双电层电容器的电压限制 193

7.3 混合电容器系统 195

7.3.1 锂离子电容器 197

7.3.2 纳米混合电容器 198

7.4 纳米混合电容器的材料设计 201

7.5 小结 206

参考文献 206

第8章 水系介质中的非对称器件和混合器件 208

8.1 引言 208

8.2 水系混合(非对称)器件 210

8.2.1 原理、要求和限制 210

8.2.2 活性炭/PbO2器件 212

8.2.3 活性炭/Ni(OH)2混合器件 217

8.2.4 基于活性炭和导电聚合物的水系混合器件 218

8.3 水系非对称电化学电容器 220

8.3.1 原理、要求和限制 220

8.3.2 活性炭/MnO2器件 222

8.3.3 其他MnO2基的非对称器件或混合器件 225

8.3.4 碳/碳水系非对称器件 225

8.3.5 碳/RuO2器件 227

8.4 氧化钌-氧化钽混合电容器 229

8.5 展望 229

参考文献 230

第9章 基于无溶剂的离子液体的双电层电容器 236

9.1 引言 236

9.2 碳电极/离子液体界面 237

9.3 离子液体 239

9.4 碳电极 242

9.5 超级电容器 244

9.6 小结 247

离子液体代码 247

词汇表 248

参考文献 249

第10章 产业化超级电容器的制造 252

10.1 引言 252

10.2 单元组成 254

10.2.1 电极设计及其组成 254

10.2.1.1 集流体 254

10.2.1.2 超级电容器用活性炭 256

10.2.1.3 产业化超级电容器用的工业活性炭 260

10.2.1.4 活性炭的粒径分布及其优化 262

10.2.1.5 粘结剂 264

10.2.1.6 导电添加剂 266

10.2.2 电解液 267

10.2.2.1 电解液对性能的影响 267

10.2.2.2 液态电解液及其存留的问题 279

10.2.2.3 离子液体电解液 280

10.2.2.4 固态电解质 280

10.2.3 隔膜 281

10.2.3.1 隔膜的要求 281

10.2.3.2 纤维素隔膜和聚合物隔膜 281

10.3 单元的设计 283

10.3.1 小尺寸元件 284

10.3.2 大型单元 284

10.3.2.1 高功率型单元 285

10.3.2.2 能量型单元 286

10.3.2.3 软包型单元设计 286

10.3.2.4 单元设计的争执:方形单元和圆柱状单元 287

10.3.2.5 水系介质单元 288

10.4 模块设计 288

10.4.1 基于牢固型单元的大型模块 289

10.4.1.1 单元间的金属连接 289

10.4.1.2 模块的电终端 290

10.4.1.3 模块的绝缘体 290

10.4.1.4 单元的平衡和其他信息探测 290

10.4.1.5 模块外壳 291

10.4.2 基于软包电容器的大型模块 292

10.4.3 在水系电解液中工作的大型模块 294

10.4.4 基于非对称技术的其他模块 294

10.5 小结与展望 295

参考文献 296

第11章 超级电容器在电、热和老化限制条件下的模型尺寸和热管理 305

11.1 引言 305

11.2 电学特性 306

11.2.1 C和ESR测试 306

11.2.1.1 时域中的容量和串联电阻特性 306

11.2.1.2 频域中的容量和串联电阻特性 306

11.2.2 超级电容器性质、性能及特征 307

11.2.2.1 容量和ESR随电压的变化 307

11.2.2.2 容量和ESR随温度的变化 308

11.2.2.3 自放电与漏电流 309

11.2.3 Ragone图理论 311

11.2.3.1 匹配阻抗 312

11.2.3.2 负载可用功率,Ragone方程 313

11.2.4 能量性能和恒流放电 316

11.2.5 恒功率下的能量性能与放电性能 317

11.2.6 恒负载下的能量性能和放电性能 320

11.2.7 效率 320

11.3 热模型 323

11.3.1 超级电容器的热模型 324

11.3.2 热传导 324

11.3.3 热边界条件 326

11.3.4 热对流传热系数 327

11.3.5 求解过程 328

11.3.6 BCAP0350实验结果 328

11.4 超级电容器的寿命 333

11.4.1 失效模式 333

11.4.2 加速失效的因素——温度和电压 334

11.4.3 失效的物理因素 335

11.4.4 测试 337

11.4.5 直流电压测试 337

11.4.6 电压循环测试 337

11.5 确定超级电容器模块尺寸的方法 339

11.6 应用 340

11.6.1 燃料电池汽车的电源管理 341

11.6.1.1 问题说明 341

11.6.1.2 燃料电池模型 341

11.6.1.3 超级电容器模型 342

11.6.2 优化控制下的燃料电池汽车的电源管理 342

11.6.2.1 无约束优化控制 342

11.6.2.2 汉密尔顿-雅可比-贝尔曼方程 342

11.6.3 对燃料电池汽车功率与单位功率的非平衡优化控制 345

11.6.3.1 对燃料电池的功率限制 345

11.6.3.2 对燃料电池单位功率的限制 346

11.6.4 通过优化相关联的滑模控制进行燃料电池汽车的电源管理 349

11.6.5 小结 350

参考文献 351

第12章 电化学电容器的测试 355

12.1 引言 355

12.2 DC测试程序概述 355

12.2.1 USABC测试程序 356

12.2.2 IEC测试程序 357

12.2.3 UC Davis测试程序 358

12.3 碳/碳基器件测试程序的应用 359

12.3.1 电容 360

12.3.2 电阻 361

12.3.3 能量密度 364

12.3.4 功率容量 366

12.3.5 脉冲循环测试 368

12.4 混合电容器、赝电容器的测试 369

12.4.1 电容 370

12.4.2 电阻 371

12.4.3 能量密度 372

12.4.4 功率特性和脉冲循环测试 372

12.5 交流阻抗和直流测试的关系 372

12.6 超级电容数据分析的不确定性 376

12.6.1 充电算法 376

12.6.2 电容 377

12.6.3 电阻 377

12.6.4 能量密度 377

12.6.5 功率容量 377

12.6.6 循环效率 379

12.7 小结 379

参考文献 379

第13章 电化学电容器的可靠性 381

13.1 引言 381

13.2 可靠性的基本知识 381

13.3 电容器单元的可靠性 381

13.4 系统的可靠性 385

13.5 单元可靠性的评估 388

13.6 实际系统的可靠性 396

13.6.1 单元电压的不均匀性 396

13.6.2 单元温度的不均匀性 398

13.7 提高系统的可靠性 403

13.7.1 减少单元压力 403

13.7.2 单元的烧损 403

13.7.3 串联中使用较少的单元 403

13.7.4 使用长寿命单元 403

13.7.5 实施维护 404

13.7.6 增加冗余 404

13.8 系统设计实例 405

13.8.1 问题说明 405

13.8.2 系统分析 405

13.8.3 单元的可靠性 407

参考文献 408

第14章 电化学电容器的市场及应用 409

14.1 前言:原理与历史 409

14.2 商业化设计:直流电源的应用 410

14.2.1 双极设计 410

14.2.2 单元设计 411

14.2.3 非对称设计 412

14.3 能量储存与能量收集应用 414

14.3.1 运动和能量 415

14.3.2 混合化:能量捕获与再利用 416

14.3.3 节能与能量效率 418

14.3.4 引擎起动 418

14.4 技术与应用的结合 419

14.5 电网应用 420

14.6 小结 421

参考文献 421