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石墨烯超级电容器的制造技术及其应用进展雅轩淋淋主要内容1.不同储能器件的介绍2.石墨烯超级电容器的研究进展3.国内外石墨烯生产现状4.应用进展5.结论2019/10/153一、不同的储能器件介绍超级电容器铅酸电池镍镉电池普通电容器锂离子电池蓄电池2019/10/154储能特点：功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。能量密度（Wh/kg）是指单位重量的电池所储存的能量是多少。2019/10/155储能机理：充放电特点：快速大功率；慢速大容量。2019/10/156•石墨烯作为超级电容器电极材料的优势•①石墨烯具有大的比表面积•单层石墨烯的比表面积理论值达到2630m2/g。②石墨烯的平面片状结构有利于电解液的浸润和离子的吸附/解吸，提高电容器的储能密度和功率特性。石墨烯片层搭接形成的稳定介孔结构，能增大电容器有效利用的双电层面积。•③石墨烯片层具有优异的导电和导热性——降低内电阻。并提高其散热性能，从而提高电容器的充放电速率和功率密度。2019/10/157二、石墨烯超级电容器的研究进展1.美国研制超级电池：几秒钟内完成手机充电最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。30min-1002019/10/158Science,2012,335(6),1326-1330有望用于高能、柔性电子产品中。2019/10/1592.科学家用石墨烯合成新型碳材料——KOH活化l德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系材料科学与工程教授RodneyS.Ruoff领导的科研团队成功制备出一种由石墨烯衍生出的新型三维多孔碳材料。3100m2/gl利用该材料作为电极组装成的超级电容器，其能量密度(70Wh/kg)可达到铅酸电池的水平，同时还保持超级电容器固有的高功率输出和极快的充电速度(250kw/kg)，有望应用于电动汽车以及解决风能、太阳能等间歇性能源的存储问题。Science,2011,332(24).1537-15412019/10/15103.美研制新型超级电容器，储能打破世界纪录——卷曲的石墨烯美国俄亥俄州代顿市NanotekInstruments公司新研制的石墨烯基超级电容器在室温下可以达到85.6Wh/kg(80℃时为130Wh/kg)的能量密度，相当于镍氢电池的储能，却能在几秒或者几分钟内放电完毕，有望取代电池。通过弯曲和卷曲石墨烯片，电解液可以更大比例的和石墨烯表面进行接触，从而提高储存电量。镍氢电池和锂离子电池分别为40-100Wh/kg和120Wh/kg。10μmNanoLett.2010,10,4863-–48682019/10/15114.超薄平面石墨烯超级电容器传统超级电容器中，碳材料相对于集流体无规取向，从而限制了电解液在石墨面内的有效渗透。面内设计增强了电解液与每一层碳的作用，从而充分利用了石墨烯较高的表面积。——利用每层石墨烯的表面来储存能量。NanoLett.2011,11,1423–1427多层还原氧化石墨烯采用层层自组装（LBL）的方法。莱斯大学与韩国科学技术院的研究人员采用特殊的结构设计来充分发挥石墨烯平面内的导电性。2019/10/1512日本物质材料研究机构（NIMS）通过在石墨烯中添加CNT来制作电极，在石墨烯中添加CNT之后，CNT会通过自组装方式自然地进入石墨烯中。这制造了适当的间隙，使电流及离子的密度增加。NIMS采用该电极与水性电解液制造EC时发现，电极单位重量的输出功率密度为58.5kW/kg，单位重量的能量密度为62.8Wh/kg，“分别是采用活性炭电极时的10倍”（NIMS）。采用离子液体作为电解液时，能量密度进一步提高到了155.6Wh/kg。5.通过添加CNT实现高性能2019/10/15136.兰州化物所超级电容器用石墨烯电极材料研究获进展——基质•在中科院“百人计划”和国家自然科学基金项目支持下，中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室低维材料与化学储能课题组通过简单的刷涂和热处理技术制备了石墨烯/棉布柔性电极，并组装成电容器，研究了其在水系和离子液体电解液中的电化学性能。•结果表明，石墨烯/棉布柔性电极具有较高的比容量、功率密度、能量密度以及良好的稳定性，是一种价格低廉、环境友好的电极材料。J.Mater.Chem.,2012,22,17245–172532019/10/1514三、国内外石墨烯生产现状•国外：XGSciences的x-GnP已经被美国空军研究院选作超高能量超级电容器的储能系统。2019/10/15152019/10/1516•国内：•金路集团；中国宝安；中航三鑫。•产品：氧化石墨烯和石墨烯微片。•用途：锂电和超级电容器的电极；导电添加剂；导热薄膜；防腐涂料；增强剂。•目前，他们已自行开发出扣式石墨烯超级电容器和卷绕式石墨烯超级电容器，并在设计中试生产线，预计明年9月可建成投产。上海交通大学的郭守武教授课题组0.5元/克2019/10/1517超级电容器储能的优势：瞬时大功率快速充放电循环次数多（寿命长）使用温度范围宽四、应用进展小功率小：3~50F中：90~360F大：600~5000F2019/10/1518•小功率超级电容器的应用：•1、在有记忆储存功能的电子产品中做后备电源，数据保护和备份，适用于带CPU的智能家电、电表、税控机、控制器、空调、录音机、MP3、汽车音响、电话机、太阳能灯、实时时钟等。•2、用作小功率器件的电源，如：智能水表、燃气表、消毒柜、电子门锁、太阳能设备、数字机顶盒、玩具等。•中型超级电容器的应用：•为工业应用提供更持久的连接性和功能性，例如，风车音调控制系统、机器人、DVR(动态电压调节器)，室内起重机。•其他应用包括电动工具和LED手电筒。•大型超级电容器的应用：•重型动力应用，如电车、军事、和其他车辆。2019/10/1519通信和消费电子46%再生能源12%运输15%工业18%军事5%其它4%目前的市场结构状况通信和消费电子10%再生能源32%运输35%工业14%军事6%其它3%未来市场结构状况预测市场及前景2019/10/1520运输1.混合电动车（以燃油发动机作为主要动力，以二次电源作为辅助动力）超级电容器的优势：1)超级电容器能够提供优越的动力性能：超级电容器具有非常高的功率密度，因此能较好地满足车辆在启动、加速、爬坡时对瞬时大功率的要求。2)超级电容器具有非常高的能量回收率：超级电容器的快速充电及超高次数充放电循环特性，能够有效回收车辆制动过程中的能量，从而在节能减排和环境保护中发挥作用。3)超级电容器能够延长动力电池寿命：超级电容器与动力电池配合使用作为纯电动车的能源时，可减少大电流充放电对电池的损害，从而延长电池的使用寿命。4)超级电容器能够提高车辆的低温运行能力，超级电容器工作范围很宽，可以在-40～+70℃温度范围内正常工作。2019/10/1521以超级电容器为脱线运行动力的变频驱动空调无轨电车的实测结果如下：•一次充电公交模式续行里程7.9km，平均车速22km/h，电容器输出能量5kw。•续行里程测试结束后进行充电测试，充足电时间为90s。•0→40km/h加速时间为16.5s。•最高车速为44.8km/h。•7.8%坡道上驻坡后，顺利通过爬坡。•再生制动能量回收明显。2.纯电容电动汽车（上海11路公交车-奥威科技）61辆公交车，在上海世博会运行172天时间里运送旅客4000多万人次。2019/10/1522法国bollore和法国电力公司合作得到的BatScapBluecar-brochure-en，该车于2012年日内瓦车展“绿色展览馆”上展出。BlueCar采用Batscap的LMP电池与超大电容器可以实现超过250公里的续航里程，极速可以达到130km/h，加速可达到60km/h需要6.3s。3.超级电容和锂动力电池混合动力技术上海825路、上海老牌公交电车线20路、国家电网公司赠送给山东的十辆奥运会用电动汽车及电力工程用车都采用此混合动力总成技术。2019/10/1523•4.超级电容与燃料电池组合而成的客车混合动力系统•日本本田公司“FCX”燃料电池车安装了高效超电容器模组，并分别于2002年7月和2002年11月获得了美国和日本政府的销售许可，成为世界上第一款取得美国政府销售许可的燃料电池车。•5.与蓄电池联用（车辆低温启动，电叉车）•2007年底，日本小松叉车推出采用超级电容器与蓄电池混合动力技术的电动叉车。•6.超级电容在轨道车辆能量回收中的应用•为了节约主能源同时克服能量储运耗损，在欧洲、美国和中国的一些城市运输权威正在安装由西门子TS工程师开发的Sitras®SES新一代能量存储系统。•北京地铁5号线采用了4套德国西门子公司Sitras®SES电容储能式再生电能吸收装置，目前已经投入运营。这是国内首批采用电容吸收方式的系统。2019/10/1524战车混合电传动系统激光武器舰用电磁炮坦克低温启动太阳能风能海洋能新能源军事应用2019/10/1525•风力发电•兆瓦级风力发电机组多采用直驱式风力发电机组，直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机，在桨距调节过程中，需要储能系统为变桨系统提供动力。•目前主要的储能系统有蓄电池和超级电容器两种方案。在使用过程中，逐渐发现蓄电池有一些难以克服的缺点：蓄电池的充放电特性不好，充电时间长，充电、放电电流不能太大；蓄电池需要维护，而变桨系统安装在100米高的风机上，维护成本太大；蓄电池的低温特性不好，在寒冷季节容量会衰减；蓄电池的循环寿命短，可靠性不强。•超级电容器的特点突出：高效率、大电流放电、宽电压范围、宽温度范围、状态易监控、长循环寿命、长工作寿命、免维护、环保。因此它极为适合在风力发电机组这样的工况环境中工作。风力发电变桨用超级电容器储能系统主要为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态，在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度，以满足发电机所处的工作状态在最优状态。•风力发电变桨用超级电容器储能电源的基本工作原理为：平时，由风机产生的电能输入充电机，充电机为超级电容器储能电源充电，直至超级电容器储能电源达到额定电压。当需要为风力发电机组变桨时，控制系统发出指令，超级电容器储能系统放电，驱动变桨系统工作。•国外风机厂家为了保证整个风机的可靠性，都陆续使用超级电容器作为解决方案。国内风机厂家风力发电变桨储能系统上有的使用蓄电池方案，有的在使用引进的国外成套变桨系统方案包含有国外超级电容器储能电源。2019/10/1526五、结论•1.石墨烯超级电容器•电极材料设计——电极材料有较大的比表面积，且孔洞大小和分布可控，电解液容易进入。并能充分利用石墨烯层面的导电性。•可采用双层电容和赝电容组合的方式——即与其他导电高分子和金属氧化物的结合。•电解液和基质的选择——柔性基质和聚合物电解液。•2.石墨烯的产业化进程•3.未来的应用发展方向•电动汽车•新能源（如混合动力车和风力发电等）•——符合大容量和大功率的要求；多次循环；节能环保。•电容器与电池的结合2019/10/1527采用电池和超级电容器联用。——赛车2019/10/1528