超级电容器：材料、系统及应用(国际电气工程先进技术译丛) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[法] 弗朗索瓦，张治安 著

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• 超级电容器
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• 材料科学
• 电气工程
• 能源技术
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• 可再生能源
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• 系统集成

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111473602

商品编码：10415400414

包装：平装

出版时间：2014-10-01

图书基本信息
图书名称	级电容器：材料、系统及应用(国际电气工程先进技术译丛)
作者	(法)弗朗索瓦,张治安
定价	118.00元
出版社	机械工业出版社
ISBN	9787111473602
出版日期	2014-10-01
字数	595000
页码	423
版次	1
装帧	平装
开本	16开
商品重量	0.4Kg

内容简介

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14章，第1~3章分别介绍电化学的基础知识、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级电容器；第10~13章分别介绍了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。 本书可供级电容器研究人员和技术人员，以及高等院校新能源材料与器件、化学电源等相关专业教师和本科生及研究生学习参考。

作者简介

目录

丛书编者序前言丛书主编简介原书编者简介贡献者列表第1章 电化学基本原理第2章 电化学电容器的概述第3章 电化学技术第4章 双电层电容器及其所用碳材料第5章 碳基电化学电容器的现代理论第6章 具有赝电容特性的电极材料第7章 有机介质中的锂离子混合型级电容器第8章 水系介质中的非对称器件和混合器件第9章 基于无溶剂的离子液体的双电层电容器第10章 产业化级电容器的制造第11章 级电容器在电、热和老化限制条件下的模型尺寸和热管理第12章 电化学电容器的测试第13章 电化学电容器的可靠性第14章 电化学电容器的市场及应用

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文摘

序言

能量存储的未来：材料革新与器件突破 在这个日益依赖电力的时代，高效、持久的能量存储技术是推动社会进步的关键。从便携式电子设备到电动汽车，再到智能电网和可再生能源的整合，对能量存储的需求正以前所未有的速度增长。尽管锂离子电池在过去几十年中占据了主导地位，但其固有的能量密度限制、循环寿命问题以及安全隐患，促使科学家和工程师们积极探索下一代能量存储解决方案。 在众多新兴技术中，超级电容器（Supercapacitors），也被称为电化学电容器（Electrochemical Capacitors），正以其独特的优势脱颖而出。它们巧妙地结合了传统电容器的快速充放电能力与电池的储能特性，提供了一种在能量密度和功率密度之间取得平衡的优异选择。它们能够提供数以万计乃至数十万次的循环寿命，几乎不会发生衰减，同时在极短的时间内完成充电和放电，这对于需要频繁、大功率脉冲输出的应用场景至关重要。 然而，要充分释放超级电容器的潜力，并使其在更广泛的应用领域落地生根，仍然面临着诸多挑战。这些挑战不仅体现在材料科学的根本性突破上，也贯穿于器件设计、系统集成以及实际应用场景的优化之中。 材料的深层探索：解锁能量密度的新维度 超级电容器的性能瓶颈，很大程度上源于其能量存储机制。目前主流的超级电容器技术主要分为两大类：双电层电容器（EDLCs）和赝电容器（Pseudocapacitors）。 双电层电容器（EDLCs） 主要依靠电极材料表面形成双电层来储存电荷。这意味着电荷的储存量直接与电极材料的表面积以及电解液离子的可及性相关。目前，活性炭是最广泛应用的EDLC电极材料，因其成本低廉、孔隙结构发达。然而，活性炭的理论比表面积虽然高，但其内部微孔结构往往存在一些“死体积”，限制了离子在深层的扩散和存储。为了进一步提升EDLC的能量密度，研究人员正致力于开发新型高比表面积材料，例如： 碳纳米材料： 石墨烯、碳纳米管（CNTs）以及它们的衍电衍生物，因其优异的导电性、极高的理论比表面积和独特的结构，成为提升EDLC性能的明星材料。通过精确控制这些纳米材料的形貌、孔隙结构以及表面官能团，可以显著提高离子在电极中的传输效率和存储容量。例如，构建三维互联的石墨烯骨架，可以有效避免纳米材料的团聚，并为离子提供畅通的传输通道。 多孔碳材料的优化： 不仅仅是追求比表面积的绝对值，更重要的是优化孔径分布，使其与电解液离子的尺寸匹配。通过引入介孔结构，可以同时满足大表面积和快速离子传输的需求。此外，将氮、硫、磷等杂原子掺杂到碳材料中，可以引入额外的赝电容效应，进一步提高能量密度，并优化电极与电解液的相互作用。 新型导电聚合物： 一些具有良好导电性和氧化还原活性的导电聚合物，如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）等，也可以作为EDLC的电极材料。它们不仅具有一定的表面电荷存储能力，还能通过其聚合物链上的氧化还原反应贡献部分赝电容。 赝电容器（Pseudocapacitors） 则利用电极材料表面的快速、可逆的氧化还原反应来储存电荷，这与电池的电化学反应类似，但其反应速率更快，循环寿命更长。常见的赝电容材料包括： 金属氧化物： 如二氧化锰（MnO2）、氧化钌（RuO2）、氧化镍（NiO）、氧化钴（Co3O4）等。它们具有丰富的氧化态，能够发生快速的法拉第反应，提供较高的比容量。然而，许多金属氧化物存在导电性差、循环稳定性不足等问题。 导电聚合物： 如上所述，导电聚合物也能表现出显著的赝电容特性。研究人员正致力于开发具有更高比容量、更好导电性和更稳定循环性能的新型导电聚合物。 过渡金属硫化物和氮化物： 近年来，过渡金属的硫化物（如MoS2、WS2）和氮化物（如TiN、VN）因其独特的电子结构和高活性位点，在赝电容领域展现出巨大的潜力。这些材料通常具有良好的导电性和丰富的氧化还原反应活性。 构建高性能器件：结构设计与界面工程 仅仅拥有优异的电极材料是不足以构建出高性能超级电容器的，器件的整体结构设计和电极-电解液界面工程同样至关重要。 电极结构设计： 三维多孔结构： 无论是EDLC还是赝电容器，构建高效的三维互联多孔结构是提升离子传输效率和利用率的关键。这可以通过模板法、自组装等技术实现，确保电极材料能够充分接触电解液，并为离子提供快速的扩散通道。 复合材料设计： 将不同特性的材料进行复合，例如将高比表面积的碳材料与高赝电容的金属氧化物或导电聚合物结合，可以实现“1+1>2”的协同效应。碳材料提供优异的导电性和结构支撑，而赝电容材料则贡献主要的储能能力。 薄膜化与柔性化： 随着柔性电子器件的兴起，开发轻薄、柔韧的超级电容器变得尤为重要。这需要将电极材料沉积在柔性基底上，并采用灵活的电解质和隔膜。 电解液的选择与优化： 水系电解液： 成本低廉、安全环保，是目前应用最广泛的电解液。然而，其工作电压窗口受限于水的电化学分解电压（约1.2V），限制了能量密度的提升。 有机电解液： 具有更宽的工作电压窗口（可达2-3V），能够显著提高能量密度。但有机电解液的成本较高，且存在易燃易爆的风险。 离子液体： 具有极宽的工作电压窗口（可达4-5V），热稳定性好，不易燃。然而，其粘度较大，离子电导率相对较低，且价格昂贵，限制了其大规模应用。 固态电解质： 具有更好的安全性和机械性能，是未来超级电容器发展的重要方向。开发高离子电导率、宽电压窗口且与电极材料相容的固态电解质是当前的研究热点。 电解液添加剂： 通过添加特定的添加剂，可以改善电解液的稳定性、润湿性以及与电极界面的相互作用，从而提升器件的性能和寿命。 界面工程： 电极材料与电解液之间的界面是电荷传输和储存的关键区域。优化界面可以减少界面电阻，提高离子传输速率，并抑制副反应的发生。这包括研究表面修饰、界面涂层等技术。 系统集成与应用拓展：从实验室走向现实 当材料和器件的性能得到显著提升后，如何将这些独立的单元集成到实际应用中，则是将技术转化为生产力的关键一步。 多电池组装与管理： 对于需要更高电压或能量的实际应用，通常需要将多个超级电容器单体串并联构成电池组。这就需要精密的电池管理系统（BMS）来均衡各单体的电压和电流，防止过充过放，确保整个系统的安全和高效运行。 混合储能系统： 超级电容器的功率密度优势使其成为与高能量密度但低功率密度的电池（如锂离子电池）互补的理想选择。在电动汽车、混合动力系统、电网储能等领域，构建超级电容器与电池的混合储能系统，可以充分发挥各自优势，实现快速的能量回馈和稳定的能量输出。 智能电网与可再生能源整合： 随着风能、太阳能等不稳定可再生能源的普及，电网需要更强的储能和功率调节能力来维持电网的稳定运行。超级电容器凭借其快速响应能力，可以有效地平滑可再生能源的波动，提供频率调节和电压支撑。 电动汽车的加速与制动能量回收： 在电动汽车的加速过程中，超级电容器可以提供强大的瞬时功率输出，提升加速性能。在制动过程中，它们能够高效地回收制动能量，并储存起来，用于下次加速，显著提高能源利用效率，延长续航里程。 消费电子与便携式设备： 对于智能手机、平板电脑、可穿戴设备等，超级电容器可以提供快速充电功能，或者作为辅助电源，应对高功率瞬时需求，例如在相机闪光灯工作时。 工业应用： 在港口起重机、轨道交通、工业机器人等需要频繁、大功率脉冲输出的工业场景，超级电容器能够提供可靠的动力支持，并实现高效的能量回收。 挑战与展望：迈向更广阔的未来 尽管超级电容器技术取得了显著进展，但其发展道路并非坦途。 能量密度瓶颈： 相较于锂离子电池，超级电容器的能量密度仍然较低，这是限制其在长续航电动汽车等领域广泛应用的主要因素。如何进一步提升单位质量或单位体积的储能量，仍然是材料科学领域最核心的挑战。 成本问题： 一些高性能的电极材料（如石墨烯、某些金属氧化物）和电解液（如离子液体）的制备成本较高，阻碍了超级电容器的大规模商业化应用。开发低成本、高效率的材料合成与器件制造工艺至关重要。 安全性和稳定性： 尽管超级电容器比锂离子电池更安全，但在极端条件下，如高温、过充等，仍然可能存在安全隐患。提高器件在各种环境下的稳定性和安全性，是赢得消费者信任的关键。 标准化与互操作性： 随着应用领域的多元化，建立统一的测试标准、性能评估方法以及接口规范，有助于加速技术的推广和产品的互操作性。 展望未来，随着材料科学的不断突破，新型纳米材料、二维材料以及先进的复合材料将继续涌现，为提升超级电容器的能量密度和功率密度提供新的可能。同时，高性能固态电解质的开发将显著提升器件的安全性、能量密度和工作温度范围。此外，人工智能和机器学习技术的应用，将加速新材料的发现和器件结构的优化，并有助于构建更智能、更高效的储能系统。 超级电容器，作为连接快速能量供给与高效能量储存的桥梁，正凭借其独特的优势，在能源存储领域扮演着越来越重要的角色。从基础研究的深化到工程技术的创新，从材料的革新到系统的集成，超级电容器的未来充满无限可能，它将为构建一个更清洁、更高效、更可持续的能源社会贡献不可或缺的力量。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对新能源技术充满好奇的学生，我一直被各种能量存储方案所吸引，尤其是那些能快速充放电的器件。超级电容器，这个名字本身就带着一种未来科技的想象，听起来就比传统的锂电池更“潮”一些。在浏览了众多技术书籍后，《超级电容器：材料、系统及应用》这本书的出现，让我眼前一亮。虽然我尚未深入阅读其具体章节，但仅仅是书名所涵盖的“材料”、“系统”和“应用”这三个关键词，就勾勒出了一幅宏大的技术图景。 “材料”部分，我猜测会深入探讨构成超级电容器核心的各种新型导电材料，比如活性炭、碳纳米管、石墨烯，甚至是一些更前沿的纳米材料。想象一下，能够通过精准控制这些材料的微观结构，来极大地提升电容器的能量密度和功率密度，这无疑是推动超级电容器走向广泛应用的关键。我非常期待书中能详细介绍这些材料的制备工艺、电化学性能以及它们在不同应用场景下的优劣势分析。比如，不同孔径分布的活性炭对电解液离子的传输速率会有怎样的影响？石墨烯的层数和堆叠方式又会如何决定其作为电极材料的潜能？这些具体的技术细节，对于我理解超级电容器的性能瓶颈和未来的突破方向至关重要。

评分☆☆☆☆☆

从书名《超级电容器：材料、系统及应用》所展现出的“国际电气工程先进技术译丛”的定位来看，这本书很可能汇聚了全球在该领域的最新研究成果和最前沿的技术动态。作为一名初学者，我期待这本书能够提供一个系统、全面且深入的视角，帮助我快速建立起对超级电容器技术体系的完整认知。我希望书中能够用清晰的语言，配合高质量的图表和数据，来阐述复杂的概念。同时，我也希望能从书中了解到一些尚未成熟但前景广阔的研究方向，例如固态超级电容器、混合型超级电容器等，这些都可能预示着下一代能量存储技术的变革。

评分☆☆☆☆☆

“应用”部分，这无疑是吸引我作为一名潜在技术使用者和学习者的最直接因素。超级电容器在快速充电、能量回收、峰值功率辅助等方面的优势，已经在很多领域崭露头角。我迫切想知道书中会列举哪些令人振奋的应用案例。比如，在电动汽车领域，超级电容器是如何与电池协同工作的，以提高加速性能和制动能量回收效率？在智能电网中，它们又扮演着怎样的角色，以应对电力需求的瞬时波动？甚至是在消费电子产品和工业设备中，有哪些创新的应用是我想象不到的？书中对这些应用的详细介绍，不仅能让我了解超级电容器的商业价值，更能激发我对未来潜在应用场景的思考和探索。

评分☆☆☆☆☆

“系统”层面，我理解这部分将不仅仅停留在材料本身，而是将目光投向如何将这些材料有效地集成，构建出能够实际工作的超级电容器器件。这可能涉及到电极的设计、电解液的选择、隔膜的性能，以及整个器件的封装技术。我很好奇书中会如何阐述不同系统架构的设计理念，例如，串并联的组合方式如何影响整体的电压和容量？高分子电解液相比于传统液体电解液，在安全性、工作温度范围和能量密度上会有哪些提升？还有，超级电容器的功率管理系统（PMS）又是如何设计的，才能确保其在高频充放电过程中的稳定性和效率？这些系统层面的知识，对于我理解超级电容器的工程化实现以及其与传统电池的集成应用，提供了宝贵的洞察。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的整体印象是，它是一本面向深度研究和工程实践的权威参考书。虽然我还没有深入阅读细节，但其编排的逻辑——从微观的材料，到中观的系统，再到宏观的应用——似乎提供了一条清晰的学习路径。我期望这本书能帮助我理解超级电容器的内在物理化学原理，以及如何在实际工程中有效地设计、制造和应用它们。对于我来说，这本书不仅仅是知识的堆砌，更是一种解决问题的思路和技术创新的灵感来源，它所提供的“先进技术”标签，让我对接下来的内容充满了期待。