超級電容器是介于電解電容器和電池之間的一種新型儲能器件，具有循環(huán)壽命長、可大電流充放電等特點，其應(yīng)用市場廣闊，是新能源領(lǐng)域的研究熱點。本書共有14章，第1～3章分別介紹電化學(xué)的基礎(chǔ)知識、超級電容器概述以及電化學(xué)表征技術(shù)；第4～6章分別介紹了雙電層電容器及其電極材料、雙電層的電化學(xué)理論發(fā)展以及贗電容及其電極材料；第7、8章介紹了水系介質(zhì)和有機介質(zhì)中的混合電容器及非對稱電容器；第9章介紹了離子液體型超級電容器；第10～13章分別介紹了超級電容器的產(chǎn)業(yè)化制造、模型、測試以及可靠性分析；第14章介紹了超級電容器的應(yīng)用。各章節(jié)之間力求既相對獨立，又相互聯(lián)系，在內(nèi)容上是一個整體。
叢書編者序
前言
叢書主編簡介
原書編者簡介
貢獻者列表
第1章電化學(xué)基本原理1
1.1平衡態(tài)電化學(xué)1
1.1.1自發(fā)化學(xué)反應(yīng)1
1.1.2吉布斯自由能最小化1
1.1.3化學(xué)平衡和電化學(xué)電位間的橋接2
1.1.4E與ΔGr間的關(guān)系2
1.1.5能斯特方程3
1.1.6平衡態(tài)的電池3
1.1.7標準電位4
1.1.8使用能斯特方程——Eh-pH圖4
1.2離子5
1.2.1溶液中的離子5
1.2.1.1離子-溶劑相互作用6
1.2.1.2熱力學(xué)6
1.2.2玻爾或簡單連續(xù)介質(zhì)模型6
1.2.2.1玻爾方程的證明7
1.2.3水的結(jié)構(gòu)7
1.2.3.1離子附近水的結(jié)構(gòu)8
1.2.3.2離子-偶極子模型8
1.2.3.3空穴形成9
1.2.3.4集群的破壞9
1.2.3.5離子-偶極子作用9
1.2.3.6玻爾能量10
1.2.3.7確定空穴中溶劑化離子的位置10
1.2.3.8剩余的水分子10
1.2.3.9與實驗對比10
1.2.3.10離子-四極模型11
1.2.3.11誘導(dǎo)偶極子作用11
1.2.3.12結(jié)果11
1.2.3.13質(zhì)子的水合焓12
1.2.4溶劑化數(shù)12
1.2.4.1絡(luò)合數(shù)12
1.2.4.2主要的溶劑化數(shù)12
1.2.5活度及活度系數(shù)12
1.2.5.1逸度（f ′）12
1.2.5.2非電解質(zhì)稀溶液13
1.2.5.3活度（α）13
1.2.5.4標準態(tài)13
1.2.5.5無限稀釋14
1.2.5.6溶劑活度的測量14
1.2.5.7溶質(zhì)活度的測量14
1.2.5.8電解液活度14
1.2.5.9平均離子數(shù)15
1.2.5.10f、γ和Υ之間的關(guān)系15
1.2.6離子-離子作用16
1.2.6.1引言16
1.2.6.2計算ψ2的德拜-休克爾模型16
1.2.6.3泊松-玻耳茲曼方程17
1.2.6.4電荷密度17
1.2.6.5泊松-玻耳茲曼方程的求解18
1.2.6.6計算Δμi-118
1.2.6.7德拜長度K-1或LD18
1.2.6.8活度系數(shù)19
1.2.6.9與實驗對比19
1.2.6.10德拜-休克爾極限法則的近似20
1.2.6.11最接近距離20
1.2.6.12活度系數(shù)的物理解釋21
1.2.7濃電解質(zhì)溶液21
1.2.7.1斯托克-羅賓遜處理21
1.2.7.2離子-水合修正21
1.2.7.3濃度修正22
1.2.7.4斯托克-羅賓遜方程22
1.2.7.5斯托克-羅賓遜方程的評估22
1.2.8離子對的形成23
1.2.8.1離子對23
1.2.8.2福斯處理23
1.2.9離子動力學(xué)24
ⅩⅦ目錄超級電容器：材料、系統(tǒng)及應(yīng)用1.2.9.1離子淌度與遷移數(shù)24
1.2.9.2擴散25
1.2.9.3菲克第二定律26
1.2.9.4擴散統(tǒng)計學(xué)27
1.3電化學(xué)動力學(xué)28
1.3.1原理綜述28
1.3.1.1電勢28
1.3.1.2良導(dǎo)體中的電勢28
1.3.1.3良導(dǎo)體中的電荷28
1.3.1.4電荷間的作用力28
1.3.1.5電荷聚集產(chǎn)生的電勢29
1.3.1.6兩接觸相間的電勢差（Δ）29
1.3.1.7電化學(xué)電勢（μ）30
1.3.2靜電荷界面或雙電層30
1.3.2.1界面30
1.3.2.2理想極化電極31
1.3.2.3亥姆霍茲模型31
1.3.2.4古伊-查普曼模型或擴散模型32
1.3.2.5斯特恩模型34
1.3.2.6博克里斯、德瓦納罕和穆勒模型36
1.3.2.7電容的計算38
1.3.3界面上的電荷傳輸39
1.3.3.1過渡態(tài)理論39
1.3.3.2氧化還原電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)39
1.3.3.3電荷轉(zhuǎn)移的行為42
1.3.3.4巴特勒-沃爾摩方程44
1.3.3.5以標準速率常數(shù)（k0）的形式表示I44
1.3.3.6k0和I0間的關(guān)系44
1.3.4多步反應(yīng)45
1.3.4.1多步巴特勒-沃爾摩方程45
1.3.4.2機理法則46
1.3.4.3I0對濃度的依存關(guān)系47
1.3.4.4電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）47
1.3.4.5整個電池的電壓48
1.3.5質(zhì)量傳輸控制49
1.3.5.1擴散和遷移49
1.3.5.2限制電流密度（IL）50
1.3.5.3旋轉(zhuǎn)圓盤電極51
進一步的閱讀材料51
ⅩⅧ第2章電化學(xué)電容器的概述56
2.1引言56
2.2電容器的原理57
2.3電化學(xué)電容器57
2.3.1雙電層電容器60
2.3.1.1雙電層與多孔材料模型61
2.3.1.2雙電層電容器的構(gòu)造62
2.3.2贗電容電化學(xué)電容器69
2.3.2.1導(dǎo)電聚合物70
2.3.2.2過渡金屬氧化物74
2.3.2.3鋰離子電容器79
2.4小結(jié)80
致謝81
參考文獻81
第3章電化學(xué)技術(shù)90
3.1電化學(xué)設(shè)備90
3.2電化學(xué)單元91
3.3電化學(xué)界面：超級電容器92
3.4常用的電化學(xué)技術(shù)93
3.4.1暫態(tài)技術(shù)93
3.4.1.1循環(huán)伏安技術(shù)93
3.4.1.2恒電流循環(huán)技術(shù)96
3.4.2穩(wěn)態(tài)技術(shù)97
3.4.2.1電化學(xué)阻抗譜97
3.4.2.2超級電容器阻抗99
參考文獻105
第4章雙電層電容器及其所用碳材料107
4.1引言107
4.2雙電層108
4.3雙電層電容器的碳材料類型110
ⅩⅨ4.3.1活性炭粉末110
4.3.2活性炭纖維112
4.3.3碳納米管112
4.3.4炭氣凝膠112
4.4電容與孔尺寸112
4.5離子去溶劑化的證據(jù)115
4.6性能限制：孔徑進入度或孔隙飽和度120
4.6.1孔徑進入度的限制120
4.6.2孔隙飽和度對電容器性能的限制122
4.7微孔碳材料之外的雙電層電容125
4.7.1純離子液體電解質(zhì)中的微孔碳材料125
4.7.2離子液體溶液中額外的電容128
4.7.3孔隙中的離子捕獲129
4.7.4離子的嵌入/插層130
4.8小結(jié)131
參考文獻132
第5章碳基電化學(xué)電容器的現(xiàn)代理論135
5.1引言135
5.1.1碳基電化學(xué)電容器135
5.1.2雙電層電容器的組成136
5.2經(jīng)典理論139
5.2.1界面上的緊密層139
5.2.2電解液中的擴散層140
5.2.3電極上的空間電荷層141
5.3近期研究進展142
5.3.1表面曲率效應(yīng)下的后亥姆霍茲模型142
5.3.1.1內(nèi)嵌式電容器模型142
5.3.1.2層次孔狀多孔碳模型150
5.3.1.3Exohedral電容器模型151
5.3.2GCS模型之外的雙電層電容器理論154
5.3.3石墨化碳材料的量子電容154
5.3.4分子動力學(xué)模擬155
5.3.4.1水系電解液中的雙電層156
5.3.4.2有機電解液中的雙電層158
5.3.4.3室溫離子液體中的雙電層159
5.4小結(jié)162
致謝163
參考文獻164
ⅩⅩ第6章具有贗電容特性的電極材料168
6.1引言168
6.2導(dǎo)電聚合物在超級電容器中的應(yīng)用168
6.3金屬氧化物/碳復(fù)合材料172
6.4碳網(wǎng)絡(luò)中雜原子的贗電容效應(yīng)174
6.4.1富氧的碳174
6.4.2富氮的碳174
6.5帶有電吸附氫的納米多孔碳179
6.6電解質(zhì)溶液-法拉第反應(yīng)的來源182
6.7小結(jié)——贗電容效應(yīng)的優(yōu)點與缺點187
參考文獻188
第7章有機介質(zhì)中的鋰離子混合型超級電容器193
7.1引言193
7.2傳統(tǒng)雙電層電容器的電壓限制193
7.3混合電容器系統(tǒng)195
7.3.1鋰離子電容器197
7.3.2納米混合電容器198
7.4納米混合電容器的材料設(shè)計201
7.5小結(jié)206
參考文獻206
第8章水系介質(zhì)中的非對稱器件和混合器件208
8.1引言208
8.2水系混合（非對稱）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基于活性炭和導(dǎo)電聚合物的水系混合器件218
8.3水系非對稱電化學(xué)電容器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基的非對稱器件或混合器件225
8.3.4碳/碳水系非對稱器件225
8.3.5碳/RuO2器件227
8.4氧化釕-氧化鉭混合電容器229
8.5展望229
參考文獻230
ⅩⅩⅠ第9章基于無溶劑的離子液體的雙電層電容器236
9.1引言236
9.2碳電極/離子液體界面237
9.3離子液體239
9.4碳電極242
9.5超級電容器244
9.6小結(jié)247
離子液體代碼247
詞匯表248
參考文獻249
第10章產(chǎn)業(yè)化超級電容器的制造252
10.1引言252
10.2單元組成254
10.2.1電極設(shè)計及其組成254
10.2.1.1集流體254
10.2.1.2超級電容器用活性炭256
10.2.1.3產(chǎn)業(yè)化超級電容器用的工業(yè)活性炭260
10.2.1.4活性炭的粒徑分布及其優(yōu)化262
10.2.1.5粘結(jié)劑264
10.2.1.6導(dǎo)電添加劑266
10.2.2電解液267
10.2.2.1電解液對性能的影響267
10.2.2.2液態(tài)電解液及其存留的問題279
10.2.2.3離子液體電解液280
10.2.2.4固態(tài)電解質(zhì)280
10.2.3隔膜281
10.2.3.1隔膜的要求281
10.2.3.2纖維素隔膜和聚合物隔膜281
10.3單元的設(shè)計283
10.3.1小尺寸元件284
10.3.2大型單元284
10.3.2.1高功率型單元285
ⅩⅩⅡ10.3.2.2能量型單元286
10.3.2.3軟包型單元設(shè)計286
10.3.2.4單元設(shè)計的爭執(zhí)：方形單元和圓柱狀單元287
10.3.2.5水系介質(zhì)單元288
10.4模塊設(shè)計288
10.4.1基于牢固型單元的大型模塊289
10.4.1.1單元間的金屬連接289
10.4.1.2模塊的電終端290
10.4.1.3模塊的絕緣體290
10.4.1.4單元的平衡和其他信息探測290
10.4.1.5模塊外殼291
10.4.2基于軟包電容器的大型模塊292
10.4.3在水系電解液中工作的大型模塊294
10.4.4基于非對稱技術(shù)的其他模塊294
10.5小結(jié)與展望295
參考文獻296
第11章超級電容器在電、熱和老化限制條件下的模型尺寸和熱管理305
11.1引言305
11.2電學(xué)特性306
11.2.1C和ESR測試306
11.2.1.1時域中的容量和串聯(lián)電阻特性306
11.2.1.2頻域中的容量和串聯(lián)電阻特性306
11.2.2超級電容器性質(zhì)、性能及特征307
11.2.2.1容量和ESR隨電壓的變化307
11.2.2.2容量和ESR隨溫度的變化308
11.2.2.3自放電與漏電流309
11.2.3Ragone圖理論311
11.2.3.1匹配阻抗312
11.2.3.2負載可用功率,Ragone方程313
11.2.4能量性能和恒流放電316
11.2.5恒功率下的能量性能與放電性能317
11.2.6恒負載下的能量性能和放電性能320
11.2.7效率320
11.3熱模型323
11.3.1超級電容器的熱模型324
11.3.2熱傳導(dǎo)324
11.3.3熱邊界條件326
ⅩⅩⅢ11.3.4熱對流傳熱系數(shù)327
11.3.5求解過程328
11.3.6BCAP0350實驗結(jié)果328
11.4超級電容器的壽命３３３
11.4.1失效模式333
11.4.2加速失效的因素——溫度和電壓334
11.4.3失效的物理因素335
11.4.4測試337
11.4.5直流電壓測試337
11.4.6電壓循環(huán)測試337
11.5確定超級電容器模塊尺寸的方法339
11.6應(yīng)用340
11.6.1燃料電池汽車的電源管理341
11.6.1.1問題說明341
11.6.1.2燃料電池模型341
11.6.1.3超級電容器模型342
11.6.2優(yōu)化控制下的燃料電池汽車的電源管理342
11.6.2.1無約束優(yōu)化控制342
11.6.2.2漢密爾頓-雅可比-貝爾曼方程342
11.6.3對燃料電池汽車功率與單位功率的非平衡優(yōu)化控制345
11.6.3.1對燃料電池的功率限制345
11.6.3.2對燃料電池單位功率的限制346
11.6.4通過優(yōu)化相關(guān)聯(lián)的滑模控制進行燃料電池汽車的電源管理349
11.6.5小結(jié)350
參考文獻351
第12章電化學(xué)電容器的測試355
12.1引言355
12.2DC測試程序概述355
12.2.1USABC測試程序356
12.2.2IEC測試程序357
12.2.3UC Davis測試程序358
12.3碳/碳基器件測試程序的應(yīng)用359
12.3.1電容360
12.3.2電阻361
12.3.3能量密度364
12.3.4功率容量366
12.3.5脈沖循環(huán)測試368
ⅩⅩⅣ12.4混合電容器、贗電容器的測試369
12.4.1電容370
12.4.2電阻371
12.4.3能量密度372
12.4.4功率特性和脈沖循環(huán)測試372
12.5交流阻抗和直流測試的關(guān)系372
12.6超級電容數(shù)據(jù)分析的不確定性376
12.6.1充電算法376
12.6.2電容377
12.6.3電阻377
12.6.4能量密度377
12.6.5功率容量377
12.6.6循環(huán)效率379
12.7小結(jié)379
參考文獻379
第13章電化學(xué)電容器的可靠性381
13.1引言381
13.2可靠性的基本知識381
13.3電容器單元的可靠性381
13.4系統(tǒng)的可靠性385
13.5單元可靠性的評估388
13.6實際系統(tǒng)的可靠性396
13.6.1單元電壓的不均勻性396
13.6.2單元溫度的不均勻性398
13.7提高系統(tǒng)的可靠性403
13.7.1減少單元壓力403
13.7.2單元的燒損403
13.7.3串聯(lián)中使用較少的單元403
13.7.4使用長壽命單元403
13.7.5實施維護404
13.7.6增加冗余404
13.8系統(tǒng)設(shè)計實例405
ⅩⅩⅤ13.8.1問題說明405
13.8.2系統(tǒng)分析405
13.8.3單元的可靠性407
參考文獻408
第14章電化學(xué)電容器的市場及應(yīng)用409
14.1前言：原理與歷史409
14.2商業(yè)化設(shè)計：直流電源的應(yīng)用410
14.2.1雙極設(shè)計410
14.2.2單元設(shè)計411
14.2.3非對稱設(shè)計412
14.3能量儲存與能量收集應(yīng)用414
14.3.1運動和能量415
14.3.2混合化：能量捕獲與再利用416
14.3.3節(jié)能與能量效率418
14.3.4引擎起動418
14.4技術(shù)與應(yīng)用的結(jié)合419
14.5電網(wǎng)應(yīng)用420
14.6小結(jié)421
參考文獻421
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