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 超级电容器储能优缺点分析 储能原理 储能电极材料 储能电

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）。

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

随着全球能源格局正在发生由依赖传统化石能源向追求可再生能源的深刻转变，我国能源结构也正经历前所未有的深刻调整，能源安全和环境保护已经成为全球关注的焦点。全球能源需求呈现不断增长的态势。清洁能源的发展更是势头迅猛，已成为我国加快能源供给侧结构性改革的重要力量。
在能源领域，发展可再生能源、配套规模储能、发展电动汽车、发展智能电网是优化我国能源结构，保障能源安全，实现能源清洁、低碳、安全和高效发展的国家战略，是目前确定的发展以新能源为主体的新型电力系统的核心战略，也是实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标的主要技术路径。在这种情况下，先进储能技术的应用显得尤为重要。
储能技术对于电力和能源系统的发输配用各环节具有重要的支撑作用，有助于实现可再生能源发电的大规模接入，改善能源结构，是实现能源革命的支撑技术，对提高我国能源安全具有十分重要的意义。储能技术可提高可再生能源和清洁能源的发电比例，有效改善生态和人居环境，推动环境治理和生态文明的建设。另外，储能技术也是具有发展潜力的战略性新兴产业，可带动上下游产业，开拓电力系统发展的新增长点，对电力行业发展和经济社会发展的全局具有深远的影响。储能产业和储能技术作为新能源发展的核心支撑，覆盖电源侧、电网侧、用户侧、居民侧以及社会化功能性储能设施等多方面需求。储能技术可以帮助我们更有效地利用可再生能源，也可以在能源网络中平衡负载，提高能源利用效率，降低对传统能源的依赖，并减少对环境的负面影响。除了大规模储能，户用储能、户外移动储能、通信基站、数据中心、工商业储能、工业节能、绿色建筑、备用电源等中小规模的储能装备也发展迅速。此外，储能技术也在推动着交通电动化的发展，能源清洁化与交通电动化通过储能技术，在不断地深化融合协同发展。
当前，世界主要发达国家纷纷加快发展储能产业，大力规划建设储能项目，储能技术的创新突破将成为带动全球能源格局革命性、颠覆性调整的重要引领技术。储能技术作为重要的战略性新兴领域，需要增强基础性研究，增强成果转化和创新，破解共性和瓶颈技术，以推动我国储能产业向高质量方向发展。
2020年2月，教育部、国家发展改革委、国家能源局联合发布《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024 年）》，以增强储能产业关键核心技术攻关能力和自主创新能力，以产教融合推动储能产业高质量发展。近几年，多所高等学校也都纷纷开设 “储能科学与工程”专业。这些都说明了加强加大储能技术的知识普及、宣传传播力度的重要性和必要性。为了更好地推广储能技术的应用，我们需要深入了解储能科学技术与工业应用领域的最新技术进展和发展趋势。为了促进储能产业的发展和交流，培养储能专业人才，特组织策划了“先进储能科学技术与工业应用丛书”。
本丛书系统介绍储能领域的新技术、新理论和新方法，重点分享储能领域的技术难点和关注要点，涉及电化学储能、储能系统集成、储能电站、退役动力电池回收利用、储能产业政策、储能安全、电池先进测试表征与失效分析技术等多个方面，涵盖多种储能技术的工作原理、优缺点、应用范围和未来发展趋势等内容，还介绍了一些实际应用案例，以便读者更好地理解储能技术的实际应用和市场前景。丛书的编写坚持科学性、实用性、系统性、先进性和前瞻性的原则，力求做到全面、准确、专业。本丛书立足于服务国家重大能源战略，加强储能技术的传播和储能行业的交流。本丛书的出版，将为广大的科研工作者、工程师和企业家提供最新的技术资料和实用经验，为高等学校储能科学与工程、新能源等新兴专业提供实用性和指导性兼具的教学参考用书。我们殷切期望其能为推动储能技术的发展奠定坚实的基础，对储能科学技术的发展和应用起到积极的推动作用。同时，本丛书的出版还将促进储能科学技术与其他领域的交叉融合，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
最后，感谢所有参与本丛书编写的专家学者和出版社的支持。希望本丛书的出版能够得到广大读者的关注和支持，也希望储能科学与技术能够在未来取得更加辉煌的成就！

中国科学院物理研究所