超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。本书共有14章，第1～3章分别介绍电化学的基础知识、超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发展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超级电容器；第10～13章分别介绍了超级电容器的产业化制造、模型、测试以及可靠性分析；第14章介绍了超级电容器的应用。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。
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1
1.1平衡态电化学1
1.1.1自发化学反应1
1.1.2吉布斯自由能最小化1
1.1.3化学平衡和电化学电位间的桥接2
1.1.4E与ΔGr间的关系2
1.1.5能斯特方程3
1.1.6平衡态的电池3
1.1.7标准电位4
1.1.8使用能斯特方程——Eh-pH图4
1.2离子5
1.2.1溶液中的离子5
1.2.1.1离子-溶剂相互作用6
1.2.1.2热力学6
1.2.2玻尔或简单连续介质模型6
1.2.2.1玻尔方程的证明7
1.2.3水的结构7
1.2.3.1离子附近水的结构8
1.2.3.2离子-偶极子模型8
1.2.3.3空穴形成9
1.2.3.4集群的破坏9
1.2.3.5离子-偶极子作用9
1.2.3.6玻尔能量10
1.2.3.7确定空穴中溶剂化离子的位置10
1.2.3.8剩余的水分子10
1.2.3.9与实验对比10
1.2.3.10离子-四极模型11
1.2.3.11诱导偶极子作用11
1.2.3.12结果11
1.2.3.13质子的水合焓12
1.2.4溶剂化数12
1.2.4.1络合数12
1.2.4.2主要的溶剂化数12
1.2.5活度及活度系数12
1.2.5.1逸度（f ′）12
1.2.5.2非电解质稀溶液13
1.2.5.3活度（α）13
1.2.5.4标准态13
1.2.5.5无限稀释14
1.2.5.6溶剂活度的测量14
1.2.5.7溶质活度的测量14
1.2.5.8电解液活度14
1.2.5.9平均离子数15
1.2.5.10f、γ和Υ之间的关系15
1.2.6离子-离子作用16
1.2.6.1引言16
1.2.6.2计算ψ2的德拜-休克尔模型16
1.2.6.3泊松-玻耳兹曼方程17
1.2.6.4电荷密度17
1.2.6.5泊松-玻耳兹曼方程的求解18
1.2.6.6计算Δμi-118
1.2.6.7德拜长度K-1或LD18
1.2.6.8活度系数19
1.2.6.9与实验对比19
1.2.6.10德拜-休克尔极限法则的近似20
1.2.6.11最接近距离20
1.2.6.12活度系数的物理解释21
1.2.7浓电解质溶液21
1.2.7.1斯托克-罗宾逊处理21
1.2.7.2离子-水合修正21
1.2.7.3浓度修正22
1.2.7.4斯托克-罗宾逊方程22
1.2.7.5斯托克-罗宾逊方程的评估22
1.2.8离子对的形成23
1.2.8.1离子对23
1.2.8.2福斯处理23
1.2.9离子动力学24
ⅩⅦ目录超级电容器：材料、系统及应用1.2.9.1离子淌度与迁移数24
1.2.9.2扩散25
1.2.9.3菲克第二定律26
1.2.9.4扩散统计学27
1.3电化学动力学28
1.3.1原理综述28
1.3.1.1电势28
1.3.1.2良导体中的电势28
1.3.1.3良导体中的电荷28
1.3.1.4电荷间的作用力28
1.3.1.5电荷聚集产生的电势29
1.3.1.6两接触相间的电势差（Δ）29
1.3.1.7电化学电势（μ）30
1.3.2静电荷界面或双电层30
1.3.2.1界面30
1.3.2.2理想极化电极31
1.3.2.3亥姆霍兹模型31
1.3.2.4古伊-查普曼模型或扩散模型32
1.3.2.5斯特恩模型34
1.3.2.6博克里斯、德瓦纳罕和穆勒模型36
1.3.2.7电容的计算38
1.3.3界面上的电荷传输39
1.3.3.1过渡态理论39
1.3.3.2氧化还原电荷转移反应39
1.3.3.3电荷转移的行为42
1.3.3.4巴特勒-沃尔摩方程44
1.3.3.5以标准速率常数（k0）的形式表示I44
1.3.3.6k0和I0间的关系44
1.3.4多步反应45
1.3.4.1多步巴特勒-沃尔摩方程45
1.3.4.2机理法则46
1.3.4.3I0对浓度的依存关系47
1.3.4.4电荷转移电阻（Rct）47
1.3.4.5整个电池的电压48
1.3.5质量传输控制49
1.3.5.1扩散和迁移49
1.3.5.2限制电流密度（IL）50
1.3.5.3旋转圆盘电极51
进一步的阅读材料51
ⅩⅧ第2章电化学电容器的概述56
2.1引言56
2.2电容器的原理57
2.3电化学电容器57
2.3.1双电层电容器60
2.3.1.1双电层与多孔材料模型61
2.3.1.2双电层电容器的构造62
2.3.2赝电容电化学电容器69
2.3.2.1导电聚合物70
2.3.2.2过渡金属氧化物74
2.3.2.3锂离子电容器79
2.4小结80
致谢81
参考文献81
第3章电化学技术90
3.1电化学设备90
3.2电化学单元91
3.3电化学界面：超级电容器92
3.4常用的电化学技术93
3.4.1暂态技术93
3.4.1.1循环伏安技术93
3.4.1.2恒电流循环技术96
3.4.2稳态技术97
3.4.2.1电化学阻抗谱97
3.4.2.2超级电容器阻抗99
参考文献105
第4章双电层电容器及其所用碳材料107
4.1引言107
4.2双电层108
4.3双电层电容器的碳材料类型110
ⅩⅨ4.3.1活性炭粉末110
4.3.2活性炭纤维112
4.3.3碳纳米管112
4.3.4炭气凝胶112
4.4电容与孔尺寸112
4.5离子去溶剂化的证据115
4.6性能限制：孔径进入度或孔隙饱和度120
4.6.1孔径进入度的限制120
4.6.2孔隙饱和度对电容器性能的限制122
4.7微孔碳材料之外的双电层电容125
4.7.1纯离子液体电解质中的微孔碳材料125
4.7.2离子液体溶液中额外的电容128
4.7.3孔隙中的离子捕获129
4.7.4离子的嵌入/插层130
4.8小结131
参考文献132
第5章碳基电化学电容器的现代理论135
5.1引言135
5.1.1碳基电化学电容器135
5.1.2双电层电容器的组成136
5.2经典理论139
5.2.1界面上的紧密层139
5.2.2电解液中的扩散层140
5.2.3电极上的空间电荷层141
5.3近期研究进展142
5.3.1表面曲率效应下的后亥姆霍兹模型142
5.3.1.1内嵌式电容器模型142
5.3.1.2层次孔状多孔碳模型150
5.3.1.3Exohedral电容器模型151
5.3.2GCS模型之外的双电层电容器理论154
5.3.3石墨化碳材料的量子电容154
5.3.4分子动力学模拟155
5.3.4.1水系电解液中的双电层156
5.3.4.2有机电解液中的双电层158
5.3.4.3室温离子液体中的双电层159
5.4小结162
致谢163
参考文献164
ⅩⅩ第6章具有赝电容特性的电极材料168
6.1引言168
6.2导电聚合物在超级电容器中的应用168
6.3金属氧化物/碳复合材料172
6.4碳网络中杂原子的赝电容效应174
6.4.1富氧的碳174
6.4.2富氮的碳174
6.5带有电吸附氢的纳米多孔碳179
6.6电解质溶液-法拉第反应的来源182
6.7小结——赝电容效应的优点与缺点187
参考文献188
第7章有机介质中的锂离子混合型超级电容器193
7.1引言193
7.2传统双电层电容器的电压限制193
7.3混合电容器系统195
7.3.1锂离子电容器197
7.3.2纳米混合电容器198
7.4纳米混合电容器的材料设计201
7.5小结206
参考文献206
第8章水系介质中的非对称器件和混合器件208
8.1引言208
8.2水系混合（非对称）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基于活性炭和导电聚合物的水系混合器件218
8.3水系非对称电化学电容器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基的非对称器件或混合器件225
8.3.4碳/碳水系非对称器件225
8.3.5碳/RuO2器件227
8.4氧化钌-氧化钽混合电容器229
8.5展望229
参考文献230
ⅩⅩⅠ第9章基于无溶剂的离子液体的双电层电容器236
9.1引言236
9.2碳电极/离子液体界面237
9.3离子液体239
9.4碳电极242
9.5超级电容器244
9.6小结247
离子液体代码247
词汇表248
参考文献249
第10章产业化超级电容器的制造252
10.1引言252
10.2单元组成254
10.2.1电极设计及其组成254
10.2.1.1集流体254
10.2.1.2超级电容器用活性炭256
10.2.1.3产业化超级电容器用的工业活性炭260
10.2.1.4活性炭的粒径分布及其优化262
10.2.1.5粘结剂264
10.2.1.6导电添加剂266
10.2.2电解液267
10.2.2.1电解液对性能的影响267
10.2.2.2液态电解液及其存留的问题279
10.2.2.3离子液体电解液280
10.2.2.4固态电解质280
10.2.3隔膜281
10.2.3.1隔膜的要求281
10.2.3.2纤维素隔膜和聚合物隔膜281
10.3单元的设计283
10.3.1小尺寸元件284
10.3.2大型单元284
10.3.2.1高功率型单元285
ⅩⅩⅡ10.3.2.2能量型单元286
10.3.2.3软包型单元设计286
10.3.2.4单元设计的争执：方形单元和圆柱状单元287
10.3.2.5水系介质单元288
10.4模块设计288
10.4.1基于牢固型单元的大型模块289
10.4.1.1单元间的金属连接289
10.4.1.2模块的电终端290
10.4.1.3模块的绝缘体290
10.4.1.4单元的平衡和其他信息探测290
10.4.1.5模块外壳291
10.4.2基于软包电容器的大型模块292
10.4.3在水系电解液中工作的大型模块294
10.4.4基于非对称技术的其他模块294
10.5小结与展望295
参考文献296
第11章超级电容器在电、热和老化限制条件下的模型尺寸和热管理305
11.1引言305
11.2电学特性306
11.2.1C和ESR测试306
11.2.1.1时域中的容量和串联电阻特性306
11.2.1.2频域中的容量和串联电阻特性306
11.2.2超级电容器性质、性能及特征307
11.2.2.1容量和ESR随电压的变化307
11.2.2.2容量和ESR随温度的变化308
11.2.2.3自放电与漏电流309
11.2.3Ragone图理论311
11.2.3.1匹配阻抗312
11.2.3.2负载可用功率,Ragone方程313
11.2.4能量性能和恒流放电316
11.2.5恒功率下的能量性能与放电性能317
11.2.6恒负载下的能量性能和放电性能320
11.2.7效率320
11.3热模型323
11.3.1超级电容器的热模型324
11.3.2热传导324
11.3.3热边界条件326
ⅩⅩⅢ11.3.4热对流传热系数327
11.3.5求解过程328
11.3.6BCAP0350实验结果328
11.4超级电容器的寿命３３３
11.4.1失效模式333
11.4.2加速失效的因素——温度和电压334
11.4.3失效的物理因素335
11.4.4测试337
11.4.5直流电压测试337
11.4.6电压循环测试337
11.5确定超级电容器模块尺寸的方法339
11.6应用340
11.6.1燃料电池汽车的电源管理341
11.6.1.1问题说明341
11.6.1.2燃料电池模型341
11.6.1.3超级电容器模型342
11.6.2优化控制下的燃料电池汽车的电源管理342
11.6.2.1无约束优化控制342
11.6.2.2汉密尔顿-雅可比-贝尔曼方程342
11.6.3对燃料电池汽车功率与单位功率的非平衡优化控制345
11.6.3.1对燃料电池的功率限制345
11.6.3.2对燃料电池单位功率的限制346
11.6.4通过优化相关联的滑模控制进行燃料电池汽车的电源管理349
11.6.5小结350
参考文献351
第12章电化学电容器的测试355
12.1引言355
12.2DC测试程序概述355
12.2.1USABC测试程序356
12.2.2IEC测试程序357
12.2.3UC Davis测试程序358
12.3碳/碳基器件测试程序的应用359
12.3.1电容360
12.3.2电阻361
12.3.3能量密度364
12.3.4功率容量366
12.3.5脉冲循环测试368
ⅩⅩⅣ12.4混合电容器、赝电容器的测试369
12.4.1电容370
12.4.2电阻371
12.4.3能量密度372
12.4.4功率特性和脉冲循环测试372
12.5交流阻抗和直流测试的关系372
12.6超级电容数据分析的不确定性376
12.6.1充电算法376
12.6.2电容377
12.6.3电阻377
12.6.4能量密度377
12.6.5功率容量377
12.6.6循环效率379
12.7小结379
参考文献379
第13章电化学电容器的可靠性381
13.1引言381
13.2可靠性的基本知识381
13.3电容器单元的可靠性381
13.4系统的可靠性385
13.5单元可靠性的评估388
13.6实际系统的可靠性396
13.6.1单元电压的不均匀性396
13.6.2单元温度的不均匀性398
13.7提高系统的可靠性403
13.7.1减少单元压力403
13.7.2单元的烧损403
13.7.3串联中使用较少的单元403
13.7.4使用长寿命单元403
13.7.5实施维护404
13.7.6增加冗余404
13.8系统设计实例405
ⅩⅩⅤ13.8.1问题说明405
13.8.2系统分析405
13.8.3单元的可靠性407
参考文献408
第14章电化学电容器的市场及应用409
14.1前言：原理与历史409
14.2商业化设计：直流电源的应用410
14.2.1双极设计410
14.2.2单元设计411
14.2.3非对称设计412
14.3能量储存与能量收集应用414
14.3.1运动和能量415
14.3.2混合化：能量捕获与再利用416
14.3.3节能与能量效率418
14.3.4引擎起动418
14.4技术与应用的结合419
14.5电网应用420
14.6小结421
参考文献421
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