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Cap1超级电容器
超级电容器：
1、电容值大，能量密度高
2、功率密度高
3、充放电效率高
4、循环寿命长
5、工作温度范围广
6、可靠性高
7、绿色环保 三种类型：
1、将电荷储存在电极/电解质溶液界面处的电双层中，以高比表面积炭作为电极材料
2、利用发生在电极表面的二维或准二维法拉第反应储存电荷，以过渡金属氧化物作为电极材料
3、以导电聚合物为电极材料，导电聚合物充放电时周期性地成为氧化态或还原态，即氧化还原型准电容，具有类金属性质，电容是双层的双层型电容器特点：电荷储存是非法拉第过程，是静态储电方式，不发生通过电极表面的电荷转移，以绝缘体为介质
双层模型：Helmholtz模型、Stern模型、Grahame模型
赝电容：又称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，脱附，氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容 电极材料：活性炭粉末
特点：
1、高比表面
2、具有发达的介孔
3、高电导率
4、高堆积比重
5、高纯度
6、良好的电解液浸润性 处理方式：气相热处理、液相热处理 电极材料：碳气凝胶
结构特征：
1、交联结构
2、颗粒间的链接
3、粒子间的线形或梯形聚合物链
4、粒子内部的单独聚合物链 优点：
1、高比表面积
2、低密度
3、高导电率
4、可直接成型，不需粘结剂 电解质对化学电容器行为的影响：
1、电解质的电导率影响电容器的功率输出能力
2、电解液中阴离子的吸附，影响比双层电容值
3、通溶剂的绝缘性质，决定比双层电容的值及其对电极电势的依赖 电解质电导率的决定因素：
1、给定盐或酸溶液中自由电荷载流子、阳离子和阴离子的浓度
2、电解质电离离子的迁移率或每个离子对电导的贡献
3、溶剂的粘度
水溶液电解质介质：电导率高、分子直径小利于形成双电层、容易挥发电化学窗口窄 酸性水溶液（H2SO4、HBF4、HCl、HNO3、H3PO4）碱性水溶液（KOH、LiOH）
中性水溶液（KCl、NaCl、LiCl、Li2SO4）非水溶液电解质介质：季铵盐、锂盐、季鏻盐 特殊：四烷基季铵盐R4N+
1、在非水溶剂中具有良好的导电性和溶解性
2、避免了过充使碱金属沉积在电容器阴极的可能性
3、价格昂贵，必须足够纯净干燥
4、在强烈过充电时会在负极发生分解 Cap2金属空气电池
金属空气电池：以空气中的氧气作为正极活性物质，金属（Li、Mg、Al、Zn、Cd、Fe）作为负极活性物质，水为电解质的一种高能电池。
四种类型：一次电池、二次可充电池、金属板更换式电池、金属粒更换式电池 根据阳极材料又分为：铝空、锌空、镁空、锂空、铁空等
主要缺点：由于金属-空气电池工作时需要不断的供应空气，因此它不能在密封状态或缺少空气的环境中工作。此外，电池中的电解质容易受空气湿度的影响而使电池性能下降，空气中的氧会透过空气电极并扩散到金属电极上，形成腐蚀电池引起自放电。工作原理
铝-空气电池
电池原理：负极采用铝合金，在电池放电时被不断消耗，正极是多孔性氧电极，跟H2/O2燃料电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧气在与电解质和催化剂的三相界面发生电化学反应生成OH-。电解液可分为碱性溶液，中性溶液。正极：
负极：
（碱性）（中性）
腐蚀：
特点：由于存在腐蚀反应，存在发热，和氢气产生，需做安全处理（中性）
1、电导率较低，铝酸盐不可溶，功率难提高
2、电压低（碱性）
1、电压高
2、阳极产物可溶，电导率高，阳极效率高 锌-空气电池 正极：负极：总反应：
存在的问题：
1、锌电极直接氧化，出现锌枝晶
2、空气催化剂活性偏低
3、电解液的碳酸化
4、锌电极钝化 锂-空气电池 正极：负极：
水基电解质：
1、放电产物为LiOH，溶于水基电解质，不会堵塞输氧通道
2、开路电压高，充放电过电位低，充放电效率高
有机电解质：
1、氧溶解度高
2、对锂腐蚀小
3、制备简单 镁-空气电池 正极：负极：
总反应：铁-空气电池
负极：Fe+2OH-=Fe（OH）2+2e-
Fe（OH）2+OH-=FeOOH+H2O+e Cap3铅酸电池 铅酸电池 正极： 副反应负极
副反应总反应
放电：H2SO4浓度下降，正极上PbSO4增加，内阻增大，电解液密度下降
充电：电解液密度下降，内阻减小，电池电压升高，后期由于水的分解出现大量气泡 电池组成材料： 正极活性材料：PbSO4 负极活性材料：Pb 电解质溶液：H2SO4 板栅合金：铅钙锡铝多元合金 铅膏：PbO，PbSO4 铅粉：是表面覆盖一层PbO（四方晶系和斜方晶系在低高温相互转变）的金属Pb颗粒粉状物。一方面是极板活性物质的主体材料，另一方面是极板实现电化学反应的母体。
铅粉氧化度：指氧化铅占铅粉总量的半分比。（过高增加放电容量但在干燥过程中会引起极板裂纹，影响容量和寿命；过低会使铅膏松散难以涂板，充电过程引起变形和脱落，影响容量和寿命）板栅：格子体，由铅基合金浇铸或拉网而成（支撑活性物质，传导电流）
具体作用：
1、作为活性物质的载体，支撑骨架，粘附活性物质
2、传导电流
3、使电流均匀分布到活性物质中 性能要求：
1、构造应有利于与活性物质的牢固结合2、电阻小
3、不妨碍活性物质的膨胀或收缩
4、抗蚀性
5、易于加工铸造
6、足够的硬度和机械强度
7、成本低廉 两种具体的板栅合金 铅锑板栅合金
优点：
1、机械强度优于纯铅
2、熔点和收缩率低于纯铅
3、膨胀系数低于纯铅
4、伸缩变形小
5、腐蚀较纯铅更均匀 缺点：
1、电阻比纯铅大
2、锑溶于电解液加速自放电
3、锑引起氢析出电位降低，增加氢的析出，加速水分解损失
4、抗电化学腐蚀不如纯铅 铅钙板栅合金
优点：
1、析氢过电位接近纯铅，抑制自放电和析氢量
2、机械强度更大
3、导电能力更强
4、无锑转移问题，水损缓慢，利于电池密封
缺点：
1、钙易氧化，高温易烧损，制作复杂
2、不适合做深放电循环蓄电池（形成硫酸钙膜，阻碍腐蚀发展）
3、合金硬度过大，影响铸造
4、废料存在安全隐患 Cap4液流电池
液流电池：正极和负极的电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵使电解液通过电池循环。在电堆内部，正负极电解液用离子交换膜分隔开，电池外接负载和电源。全钒液流电池（VRB）
正极： 负极：总反应：
特点：
1、额定容量和额定功率相互独立，可调整
2、活性物质以离子型态存在，避免活性物质的脱落和短路
3、正负活性物质均为钒离子，不会发生电解液交叉污染
4、电池工作时电解液处于流动状态，浓差极化小，可无损伤深度放电
5、钒离子电化学可逆性高，电化学极化小，功率密度高，适合大电流快速充放电
6、启动快，更换电解液瞬间充电；自放电小，充放电转化效率高
7、结构简单，材料低廉，维修便宜 锌-溴液流电池（ZBB）正极：负极：总反应：特点：
1、电解液循环流动，允许热管理和反应物高均匀性
2、较高的能量密度
3、成本低，原料易得
4、零部件可循环，环境影响小
5、电池系统设计灵活
6、常温运行
7、深度放电不损伤，反而提高电池性能
8、充电时，锌金属沉积在负极表面，正极生成油状溴络合物
锌-铈液流电池（ZCB）
正极：
负极：
总反应：Cap5锂离子电池
锂离子电池工作原理：锂离子电池是锂离子在正负极之间反复进行脱出和嵌入的一种高能二次电池。充电时，正极中的锂离子从钴酸锂等孤独金属氧化物的晶格中脱出，经过电解液这一桥梁嵌入碳材料负极的层状结构中。正极材料的体积因锂离子的移出而发生改变，但本身的骨架结构维持不变，负极材料与锂离子发生嵌入反应或合金化反应。放电时，锂离子从碳材料负极层间脱出，经过电解液到达正极并嵌入正极材料的晶格中，使电极材料的结构得以复原，在循环过程中，正极材料是提供锂离子的源泉。正极：负极：总反应：优点：
1、能量密度高
2、平均输出电压高
3、输出功率大
4、自放电小
5、无记忆效应，循环性能好
6、可快速充放电
7、充电效率高
8、工作温度范围广
9、残留容量测试方便
10、无需维修
11、环境友好
12、使用寿命长 缺点：
1、成本高
2、需要特殊保护电路防止过充过放
3、与普通电池兼容性差 锂离子正极材料的特点与性能：
1、较大的吉布斯自由能保持较大的电位差，提供电池工作电压
2、锂离子嵌入反应时，吉布斯自由能改变小，确保锂离子电池工作电压稳定
3、较宽的锂离子嵌入脱嵌范围和相当的锂离子嵌入脱嵌量
4、需要有大孔径的隧道结构，方便锂离子在充放电时的嵌入和脱嵌
5、锂离子在正极材料隧道中有较大的扩散系数和迁移系数，保证良好的电子导电性
6、需要具有大的界面结构和多的表观结构，增加锂离子嵌入的空间位置，提高嵌入容量
7、物理化学性质均一，保证良好的可逆性循环寿命长
8、与电解液不发生物理化学反应
9、与电解质有良好的相容性，热稳定性高，保证工作安全
10、重量轻，方便制作，无毒 四大正极材料 氧化钴锂
结构：比较稳定的层状结构，层间通过范德华力实现Co-O-Co的强健结合。氧原子呈现三方对称性，使得锂离子能在层间进行二维运动，发生嵌入和脱嵌。制备方法：
1、固相反应
2、溶胶-凝胶法
3、喷雾干燥法 改性：
掺杂：硼（降低极化。循环性能）镁（循环性能，提高电导率）铝（便宜，结构类似，提高电压，循环性能）锰（容量，循环性能）硅（循环性能）锌（循环性能）铂（提高锂离子扩散系数）稀土元素（提高锂离子嵌入和脱嵌能力）包覆：氧化镁（降低迁移活化能，提高嵌入和脱嵌）无定形氧化铝（稳定性，抑制活性物质流失）磷酸铝（热稳定性，耐过充电，循环性能）二氧化硅（循环寿命）氧化锌（循环性能，大倍率性）氧化镍锂
结构：层状结构，呈现六方相
制备方法：
1、固相反应
2、溶胶-凝胶法
改性：提高脱嵌相稳定性，抑制相变，降低容量衰减，降低不可逆容量，提高可逆容量 掺杂：铝（热稳定）锰（热稳定）钴（热稳定）
包覆：氧化镁、磷酸铝、二氧化硅、二氧化钛（防止正极与电解液接触发生副反应，减少产热量，抑制相变，提高结构稳定性）氧化锰锂
制备方法：
1、水热合成2、离子交换
3、固相反应
4、溶胶-凝胶法 结构：隧道结构（垃圾）、层状结构（正交和层状）、尖晶石结构
正交氧化锰锂：氧原子分布为扭变的四方密堆结构，交替的锂离子层和锰离子层发生折皱 掺杂：铬（稳定结构）铝（稳定结构）镍（可逆容量，减少相变，结构稳定）锂钴（抑制相变）层状氧化锰锂：阳离子交换层由纯锂离子层和锂锰1：2混合层交替组成 掺杂：铁（电化学性能）铬（循环性能）尖晶石结构氧化锰锂
结构：具有四方对称性，一个晶胞中含有56个原子（8锂16锰32氧）掺杂：锂（循环性能）镁（电导率，循环性能）磷酸铁锂LiFePO4 改性：
加入导电性物质（炭黑、炭、碳纳米管）：提高导电性能，可逆容量提高，循环性能好，快速充放电能力提高 进行掺杂（镁，钛，锰）：提高循环性能和结晶性 负极材料 要求：
1、正负极的电化学位差大，获得高功率电池
2、高度可逆脱嵌反应，锂离子的脱嵌反应自由能变化小
3、锂离子的可逆容量大，保证电池稳定的工作电压
4、热力学稳定，不与电解质发生反应
5、循环性好，循环寿命长
6、电导率好，锂离子在负极有高扩散速率 石墨
质软、有滑腻感，非金属矿物质，耐高温、耐氧化、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电性能强。
结构：六方晶体，其晶体由碳原子组成的六角网状平面规则堆砌而成，具有层状结构。层与层通过范德华力结合，在每层中，碳原子排成六边形，每个碳原子与相邻三个碳原子通过共价键结合。
优点：电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高、嵌锂电位低
嵌锂机理：石墨的高导电性和高结晶度以及它的层状结构使得非常适合锂离子的嵌入和脱嵌。锂离子嵌入石墨层间后，形成嵌锂化合LixC6，使得石墨层与层之间的堆积方式由ABABAB变为AAAAAA。
石墨类碳负极材料：（导电性好，结晶度高，层状结构，充放电比容量和效率高，良好的充放电电位平台）人造石墨（MCBC中间相碳微球、石墨化碳纤维）、天然石墨 MCBC中间相碳微球
优点：
1、球状颗粒，紧密堆积，可制高密度电极
2、低比表面积。可逆容量高
3、球形片层结构，锂离子自由迁移，可大倍率充放电 缺点：
1、加工复杂
2、价格高
3、容量限制
4、PC在MCBC表面易发生分解
5、存在缓慢的锂脱插，导致自放电 石墨化碳纤维
优点：
1、表面和电解质浸润度高
2、径向结构利于锂离子快速扩散，实现大功率充放电
3、放电容量大，充放电效率高
天然石墨的改性：
球形化：克服天然缺陷，提高振实密度 机械研磨：提高比容量和循环性能
氧化处理：出去缺陷，增加锂离子进出通道，形成氧化物致密层防止溶剂分子共嵌，提高循环性能
炭包覆：减缓电极表面的不均匀反应性质，在碳电极表面生成SEI膜的溶剂与电解质均匀反应，从而在电极表面生成均匀致密不易脱落的SEI膜
掺杂：B、N、P、Si（可逆容量）金属元素（循环性能）非石墨类碳负极材料：软碳、硬碳
缺点：
1、锂离子脱嵌存在电压滞后现象（锂离子→石墨微晶→微孔）
2、没有高温处理，锂离子与缺陷结构反应
3、缺陷结构循环不稳定，容量衰减 合金负极材料：硅基、锡基
硅基：体积变化大，引起合金粉化，使容量降低 锡基：容量有限，循环性能好 氧化物负极材料：尖晶石钛酸锂 特点:
1、锂离子嵌入脱嵌时晶体结构保持稳定性，循环性能好和放电电压稳定
2、电极电压高，避免电解液
3、比容量高
4、可以大倍率充放电
5、原料来源丰富 Cap6锂离子电池非水液体电解质 条件：
1、锂离子电导率高
2、热稳定性好
3、电化学窗口宽
4、化学稳定性好
5、较宽的温度范围内为液体
6、对离子具有较好的溶剂化能力
7、无毒，安全，蒸汽压低
8、促进电极可逆反应的进行
9、制备容易，成本低 ex1、熔点低，沸点高 ex2、介电常数高，粘度低 四类常用有机溶剂
1、碳酸酯类溶剂：电化学稳定性，高闪点，低熔点（环状、链状）
2、羧酸酯类溶剂：使SEI膜致密，高介电常数，高电导率，低温工作，电化学稳定性好（缺点：极性强，活性高→循环性能差，高界面电阻）
3、醚类溶剂：介电常数低，粘度小，性质活泼，抗氧化性差（一般作为碳酸酯的共溶剂或添加剂来提高电导率）
4、含硫溶液溶剂：一般使用砜类，与其他溶剂混合使用，稳定性好，库伦效率高，提高电池安全性和循环性能 电解质锂盐：LiPF6、LiBOB（双-草酸硼酸酯锂）
LiPF6主要目标：避免分解及引起电解质聚合。对阴离子的电荷进行离域化，降低晶格能，减少离子间的作用力，调高溶解性和电导率
LiBOB特点：溶解性好，稳定性好，循环性能好。但形成的SEI膜厚，界面电阻高。电化学窗口：发生氧化的电位和还原的电位之间的差。要求：还原电位低于金属锂的氧化电位，氧化电位高于正极材料锂的嵌入电位，并且在较宽的电位范围内不发生氧化还原反应。
电解液添加剂类型：防止过充电、阻燃性电解液、改善SEI膜、减少酸含量、增加电导率、改善低温性能 SEI膜：在锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液发生反应，在电极材料表面形成钝化层，阻止溶剂分子与电极接触，但允许锂离子的经过该钝化膜自由嵌入和脱嵌，该层膜称为SEI膜。Cap7锂离子电池聚合物电解质
聚合物电解质：含有聚合物材料且能发生离子迁移的电解质。
聚合物电解质的离子导电模型：阿伦尼乌斯理论、VTF方程、WLF方程、自由体积模型、动态键渗透模型、MN法则、有效介质理论
聚氧化乙烯电解质导电行为：由于MX盐溶于聚合物中也可以发生电离，形成阳离子和阴离子，中性离子对，三合离子。其中中性离子对和三合离子降低了电导率。锂离子和氧基团在热运动和电场作用下不断发生配位-解离，最终以离子和离子簇形式在链内部和链之间发生迁移。Cap8锂离子电池无机固体电解质
无机固体电解质：是一种离子导体，具有较好的离子电导率，较低电子电导率，低活化能的固体物质。晶体电解质 设计理论基础：
1、迁移离子大小适合，便于晶格结构中的迁移
2、迁移离子的亚晶格应该无序
3、迁移离子应该易于极化，优选为阴离子易发生极化 玻璃态电解质：氧化物、硫化物 优点（相较于晶体电解质）：
1、组成变化宽
2、玻璃态材料基本上各向同性，离子扩散通道也具各向同性，使得粒子区间扩散通道的连接易于晶态材料
