《超級電容器技術與儲能應用》系統(tǒng)介紹了超級電容器的基本原理與不同種類超級電容器的構成要素、關鍵的碳電極材料種類（微孔活性炭、介孔活性炭、碳納米管、石墨烯及其復合結構）與性能進展，著重強調了碳電極材料的批量制備方法（基于斯列普爐、旋轉爐與流化床的各種炭化與活化方法），以及電解液的種類與新型離子液體型電解液及離子液體復合型電解液的進展。同時描述了隔膜與集流體種類與進展，特別闡述了三維泡沫鋁集流體的相關技術；在器件組裝過程中，討論了關鍵的電極材料到極片加工的復雜性與解決思路。最后討論了電容器的各種儲能應用（軌道交通、勢能回收、電燈應用、電站儲能應用等）。
本書的特點是加入了大量加工技術的工程要素與科學解決思路，有效地填補了純學術著作與純技術操作規(guī)程間的空白，從而在學術界與產(chǎn)業(yè)界之間架起有效的橋梁，促進該領域的高質量發(fā)展。
本書可供研究電化學應用的技術人員，高等院校電化學、材料相關專業(yè)師生閱讀參考，還可供超級電容器研發(fā)和應用的人員參考。

1.作者行業(yè)影響力廣：騫偉中教授是清華大學長聘教授，超級電容器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長，從事超級電容器研究與應用20余年。 2.內容豐富：關鍵電極材料、電解液、隔膜與集流體、器件組裝、超級電容器儲能應用等，闡述簡潔，干貨滿滿，內容多是作者多年的研究體會，行業(yè)指導性強。 3.彩色插頁：對黑白圖不容易表現(xiàn)的圖，同時排成彩色圖插頁，閱讀體驗感強。

21世紀，國際制造業(yè)的飛速發(fā)展帶動了巨大的能源需求與儲能需求，也面臨著總體碳排放與環(huán)境壓力。太陽能的轉化與電化學清潔儲能成為了一種非常重要的可持續(xù)發(fā)展模式。新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括清潔電源儲能與區(qū)域供應、純電動交通、過程節(jié)能減排等關鍵環(huán)節(jié)，目前以二次電池（鋰離子電池為主）、超級電容器、氫燃料電池三大核心產(chǎn)品為主要脈絡，并衍生擴散出巨大的應用網(wǎng)絡。近期又與物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)形成了新的融通互動，顯示出勃勃生機與巨大機遇，成為我國“十一五”以來國家產(chǎn)業(yè)政策積極推動與倡導的方向。這與美國在新能源電動車的發(fā)展、日本電池企業(yè)的發(fā)展、歐洲對于碳減排的綠色產(chǎn)業(yè)的巨大政策扶持有異曲同工之妙。
長期以來，超級電容器主要用在需要高功率密度、長服役壽命的場景。但最近的復合儲能需求帶動了能量型超級電容器的研發(fā)與應用，從而在公共交通、工業(yè)電路應用和清潔能源儲存與節(jié)能降耗方面發(fā)揮越來越重要的作用。兆瓦級雙電層電容器儲能系統(tǒng)及兆瓦級電池型電容器儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)是行業(yè)的一個新現(xiàn)象，使得總結行業(yè)進展更加必要。而關鍵材料與關鍵技術（碳電極、電解液、集流體與器件架構技術）的發(fā)展，為這些應用提供了新的可能。比如，近20年來，SP2雜化的納米碳的研發(fā)與逐漸量產(chǎn)，在傳統(tǒng)SP3雜化的活性炭研究體系上增添了無窮活力，碳納米管、石墨烯、介孔炭的相關器件逐漸接近了商業(yè)應用層次。而在碳電極材料的批量制備技術環(huán)節(jié)，流化床中水蒸氣活化與CO2活化技術的發(fā)展，則為大批量、連續(xù)化生產(chǎn)一致性高的電極材料提供了新的機遇。化學合成技術進展與結構理解方面的進展，則為電解液的合成與復配方面帶來了新機遇。純離子液體電解液的成本雖然還比較高，但由于其不揮發(fā)、不著火的特點，賦予了雙電層電容器本征安全特征，這在大規(guī)模儲能應用雙電層電容器的安全間距與消防方面顯著節(jié)省了占地并提高了安全性，同時也為樓宇等封閉空間中的使用提供了本征安全。顯然，這在碳中和時代將成為顯著的科學與工程應用增長點。另外，多種沉積技術、模板技術與熱處理技術的綜合應用使三維金屬集流體的制造技術發(fā)生了重大革新，既帶來電極性能的巨大提升，也讓人看到了傳統(tǒng)箔體極片生產(chǎn)線之外的希望與契機。比如，三維金屬集流體可以顯著促進電池型電容器的正極材料（如磷酸鐵鋰、磷酸鐵錳鋰等）的快速與完全充放電性能。同時，世界整體科技（特別是基礎研究與儀器技術）的進步，為電子傳導與離子擴散機制的深刻理解和界面及亞納米的結構表征提供了支撐。其他電化學儲能領域（如電池技術與產(chǎn)業(yè)）的進度與融合也為超級電容器行業(yè)的應用拓寬提供了借鑒。
《超級電容器技術與儲能應用》在前人工作的基礎上總結了行業(yè)與本團隊（清華大學鄂爾多斯實驗室團隊）的技術研究內容，并在中國超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟及眾會員單位的幫助下豐富了應用案例，既涵蓋了最經(jīng)典的原理、測試方法,又概括了最新技術進展。本書既適合于初學者與從業(yè)者理解原理,也為資深研究人員使用中的技術環(huán)節(jié),以及技術發(fā)展及應用的重要動向提供了參考。本書共分為8章，前3章綜述了超級電容器發(fā)展脈絡、原理與器件分類、分析測試技術及進展，勾勒出該領域內五大類產(chǎn)品品種的基本架構與測試體系。后5章則針對關鍵的電極材料技術、電解液技術、集流體技術、器件加工與性能及儲能應用案例，系統(tǒng)地闡述了活性炭、碳納米材料等從電容應用角度的制備方法、性能及其優(yōu)缺點，建立了材料儲電性能、加工性能及與器件性能的關聯(lián)。本書著重闡述了高電壓電解液離子液體的技術進展與改性方向；闡述了泡沫集流體技術創(chuàng)新，引發(fā)極片結構革新，解決先進碳材料加工瓶頸，形成了高性能器件的一體化研究思路；全面討論電極材料體系結構與性能的關系，形成了技術傳承與創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)銜接的合理脈絡。
本書編寫分工如下：
第1章由騫偉中、崔超婕、魏飛編寫。
第2章由謝青、騫偉中與中國超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟技術與學術研究委員會（阮殿波、邱介山等）編寫。
第3章由崔超婕、魏飛、騫偉中、李博凡、呼日勒朝克圖編寫。
第4章由騫偉中、崔超婕、汪劍、魏少鑫編寫。
第5章由騫偉中、孔垂巖、田佳瑞編寫。
第6章由楊周飛、騫偉中、張抒婷、魏少鑫編寫。
第7章由騫偉中、余云濤、鄭超編寫。
第8章由騫偉中、鄂爾多斯實驗室團隊及中國超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟產(chǎn)業(yè)促進委員會（陳勝軍、黃浩宇、張剛、安仲勛等）編寫。
附錄由葉珍珍、董卓婭與中國超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標準與知識產(chǎn)權委員會（曹高萍、高波、徐斌等）編寫。
由于編著者是從跨學科的角度來看待技術發(fā)展路徑的，看法多屬一家之言，且該領域范疇廣博,本書編寫時難以做到面面俱到,敬請同行批評指正。
最后，在近20年的研發(fā)過程中，本課題組獲得國家與政府項目（國家納米重點專項計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家863重點計劃、國家自然科學重點基金、面上基金、青年基金與博士后基金）、省級重點項目（北京市科技計劃、鄂爾多斯實驗室項目）、企業(yè)合作（中天科技、華電電科院等）等的經(jīng)費支持與資助，在此一并表示感謝。

騫偉中
2024年5月

第1章 緒論 001
參考文獻 009

第2章 電容器儲能機制及電容器 010
2.1 電容器結構及儲能機制 010
2.1.1 雙電層電容機制 011
2.1.2 贗電容機制 012
2.1.3 氧化還原反應儲能機制 013
2.2 超級電容器的分類 014
2.2.1 雙電層電容器 014
2.2.2 贗電容器 015
2.2.3 鋰離子電容器 015
2.2.4 混合型電容器 015
2.2.5 電池型電容器 017
2.3 電容器的性能評價與影響因素 018
2.3.1 比容量 018
2.3.2 功率密度 021
2.3.3 能量密度 026
2.3.4 電容器的循環(huán)壽命 026
2.3.5 混合型電容器與電池型電容器的容量、功率密度及能量密度 027
2.3.6 混合型電容器與電池型電容器的循環(huán)壽命 027
參考文獻 028

第3章 碳電極材料種類與基礎性能 030
3.1 活性炭 031
3.1.1 微孔活性炭 032
3.1.2 介孔活性炭 040
3.2 碳納米管 063
3.2.1 碳納米管的種類與導電性 063
3.2.2 碳納米管的聚團性 065
3.2.3 碳納米管的制備方法與成本 065
3.2.4 碳納米管的電容性能 069
3.3 石墨烯 074
3.3.1 二維石墨烯 074
3.3.2 三維石墨烯 075
3.4 石墨烯與碳納米管雜化物 086
3.5 碳氣凝膠 089
3.6 碳電極材料發(fā)展展望 091
參考文獻 093

第4章 電極炭的工程制備技術 099
4.1 主要制備工藝 099
4.1.1 炭化工藝 100
4.1.2 活化工藝 101
4.1.3 化學氣相沉積技術 106
4.1.4 氣相熱裂解反應 107
4.2 炭化或活化的關鍵裝備 111
4.2.1 斯列普爐 112
4.2.2 臥式炭化爐與活化爐及配套設備 114
4.2.3 堿活化爐 115
4.2.4 流化床 116
4.2.5 研磨與破碎設備 121
4.2.6 攪拌釜、磁選裝置及真空加熱爐 122
4.3 市場產(chǎn)品供應 122
參考文獻 123

第5章 電容器電解液技術 125
5.1 水系電解液 125
5.1.1 KOH 電解液 126
5.1.2 H2SO4 電解液 127
5.1.3 中性電解液 127
5.2 有機電解液 128
5.2.1 聚碳酸丙烯酯基與乙腈基電解液 130
5.2.2 PC 基與ACN 基電解液的分解特性 131
5.3 “water in salt”電解液 132
5.4 離子液體電解液 133
5.5 離子液體體系的改進 137
5.5.1 離子液體的結構設計 137
5.5.2 離子液體復配 139
5.5.3 利用納米流體概念,強化離子液體的離子電導率 172
參考文獻 179

第6章 電容器集流體及隔膜技術 182
6.1 鋁箔 183
6.1.1 光箔、刻蝕箔、覆碳箔與穿孔箔 183
6.1.2 金屬箔材在超級電容器中的應用 189
6.2 泡沫金屬集流體 192
6.2.1 泡沫金屬制備技術進展 192
6.2.2 泡沫金屬的相關物理性能 204
6.3 非金屬集流體 208
6.3.1 碳納米材料集流體 208
6.3.2 三維多孔碳材料集流體 209
6.3.3 非碳集流體 210
6.4 隔膜技術 210
6.4.1 纖維素紙隔膜 211
6.4.2 合成高分子聚合物隔膜 212
參考文獻 213

第7章 電容器極片及器件技術 215
7.1 電極材料的純化 215
7.1.1 金屬雜質、金屬氧化物雜質及去除 215
7.1.2 炭上官能團的電化學影響與去除 217
7.2 電容電極炭的工業(yè)標準 221
7.3 不同材料的加工特性 222
7.3.1 不同材料的吸液特性 224
7.3.2 漿料的分散特性與輥壓特性 227
7.3.3 不同材料的干燥特性 229
7.3.4 極片的膨脹特性 230
7.4 碳納米材料的極片加工技術 232
7.4.1 將碳納米材料預聚團的技術 232
7.4.2 針對納米材料加工的三維泡沫極片技術 233
7.4.3 石墨烯電極的溶脹行為 238
7.4.4 石墨烯-泡沫鋁電容器件的電化學性能 240
7.4.5 鋁箔和泡沫鋁器件的電化學模擬 245
7.5 介孔炭-泡沫鋁雙電層電容器 249
7.6 已有工業(yè)極片與器件的加工技術 258
7.6.1 濕法箔極片加工技術 258
7.6.2 干法箔片壓模電極工藝 260
7.6.3 基于泡沫集流體的工業(yè)加工技術 261
7.7 柔性集流體與柔性器件的探索 265
7.7.1 金屬基柔性超級電容器 267
7.7.2 碳基柔性超級電容器 267
7.8 器件封裝技術與性能 268
7.8.1 器件封裝類型及關鍵因素 268
7.8.2 器件中材料占比與性能 270
7.9 預嵌鋰技術 276
參考文獻 278

第8章 電容器的儲能應用 281
8.1 超級電容器的性能與應用場合 281
8.2 車載應用實例 283
8.2.1 再生制動系統(tǒng)方面的應用 283
8.2.2 城軌車輛動力電源方面的應用 286
8.2.3 公交線路(無軌)應用 290
8.2.4 車輛低溫啟動等方面的應用 292
8.2.5 其他特殊車輛的應用 292
8.2.6 超級電容器在小汽車上的應用 294
8.3 光伏路燈應用案例 296
8.4 高樓大廈的電梯運行節(jié)能 299
8.5 超級電容器市場規(guī)模 300
8.6 “雙碳” 目標對于超級電容器發(fā)展的機遇 301
參考文獻 304

附錄 電容器分析與測試方法 305
F.1 循環(huán)伏安法 305
F.2 恒流充放電法 307
F.3 恒流充-恒壓充-恒流放電法 309
F.4 阻抗譜分析及模擬模型 310
F.4.1 電化學阻抗譜 310
F.4.2 等效電路及等效元件 311
F.4.3 阻抗譜模型及數(shù)據(jù)處理方法 313
F.5 關鍵技術指標的測試方法 317
F.5.1 關鍵技術指標 317
F.5.2 測試方法 318
F.6 關鍵材料的表征測試方法 319
F.6.1 含水量測試 319
F.6.2 相變測試 319
F.6.3 電導率測試 320
F.6.4 流變特性測試 320
F.6.5 接觸角測試 321
F.6.6 核磁共振1 H-NMR 321
F.6.7 紅外光譜 321
F.6.8 拉曼光譜 322
F.6.9 壓制與溶脹測試 323
F.7 整體器件的性質測試 323
F.7.1 表面溫度測量 323
F.7.2 X 射線透射 324
參考文獻 324