新能源汽车超级电容电池课程教学设计.doc

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1、新能源汽车超级电容电池课程教学设计一、任务引入 （时间： 5分钟）【知识回顾】 1. 铅酸电池的结构原理及特点 2. 超铅酸电池的充放电特性。【任务分析】本次课学习内容包括超级电容电池的结构、原理和主要材料及充放电特性和优缺点。【目标要求】1.了解超级电容电池的类2.掌握超级电容电池的结构和工作原理3.了解超级电容电池正负极材料【教学活动设计】教师活动：创设情境，展示教具；学生活动：体会场景，感知实物。二、知识准备 （时间：40分钟）【相关知识】1.导入新课 超级电容电池是一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源，它是介于蓄电池和传统静电电容器之间的一种新型储能装置。超级电容电池

2、主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的储存。下面我们一起进入超级电容电池的学习。2.讲授新知识引导问题 2：超级电容的概念和相关知识？教学开展：以一辆超级电容汽车引发学生探索兴趣，然后提出引导问题引导学生探索超级电容的相关知识。一、超级电容电池简介超级电容器是一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源。它是介于蓄电池和传统静电电容器之间的一种新型储能装置。二、超级电容电池的结构超级电容电池的结构如下图所示，是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连

3、，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。三、超级电容电池的工作原理 1. 双电层电容的基本原理一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产生的电容称为双电层电容。双电层电容原理是，由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。 2. 法拉第赝电容的基本原理法拉

4、第赝电容也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征，故称为“准电容”，是作为双电层型电容的一种补充形式。法拉第准电容的充放电机理为：电解液中的离子（一般为H+或OH-）在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，就会有相当多这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中，同时所存

5、储的电荷通过外电路释放出来。四、超级电容电池的电极材料1. 碳基材料电极碳基材料超级电容主要是利用储存在电极/电解液界面的双电层的能量，碳材料的比表面积是决定电容器容量的重要因素，因此要求碳基材料的比表面积要大。碳基材料的类型如右:2. 金属氧化物材料电极最初研发的金属氧化物电极超级电容， 主要采用贵金属氧化物二氧化钌 （RuO2）作为电极材料。用作电极材料的RuO2通常是由溶胶一凝胶法制得前驱体，然后经高温（300800）热处理得到。实验发现，RuO2的准电容来自于RuO2的表面反应且随比表面积的增大而增大。这表明增加容量的最直接的方式是增大比表面积，从而达到有足够的微孔来满足电解液的扩散。

6、为了增大比表面积达到提高容量的目的，可采取将RuO2。薄膜沉积在有粗糙表面的基底上或将RuO2涂在有高比表面积的材料上（如乙炔黑、碳纤维等）等方法。 3. 导电聚合物材料电极导电聚合物材料电极电容器作为一种新型的电化学电容器，具有高性能 和比贵金属超级电容器更优越的电性能。可通过设计选择相应聚合物的 结构，进一步优选提高聚合物的性能，从而提高电容器的性能。4. 复合材料电极应用复合材料电极是近年来超级电容的一个发展方向，通过利用各组分 之间的协同效应来提高超级电容器的综合性能。复合材料主要有碳/金属 氧化物复合材料，碳导电聚合物复合材料，以及金属氧化物导电聚合物复合材料等。五、超级电容电池的特

7、点超级电容器具有以下优点：（1） 高功率密度。超级电容的内阻小，输出功率密度高，是一般蓄电池的数十倍。（2） 循环寿命长。具有至少十万次以上的充电寿命，没有“记忆效应”。（3） 充电速度快。可以用大电流给超级电容充电，充电10秒10分钟可达到其额定容量的95以上。（4） 工作温度范围宽。能在-4060的环境温度中正常上作。（5） 简单方便。充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；检测方便，剩余电量可直接读出。（6） 绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其它有害化学物质，因而在生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是一种新型的绿色环保电源。超级电容自身

8、也存在一定的缺点：（1） 线性放电。超级电容线性放电的特性使它无法完全放电。（2） 低能量密度。目前超级电容可储存的能量比化学电源少得多。（3） 低电压。超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压。（4） 高自放电。它的自放电速率比化学电源要高。六、应用情况（1）起动，制动、爬坡时的辅助动力（2）汽车零部件用电（3）短距离快充电的公交系统：扬州亚星【教学活动设计】教师活动：讲授知识，讲演结合；学生活动：理解结构、原理、性能。三、任务实施 （时间：20 分钟）【任务实施】汽车用超级电容电池的认识（视频）。1.基本设备超级电容电池视频。2.操作步骤汽车用超级电容电池的结构特点、性能参数。

9、3.具体操作【步骤一】示范操作 【步骤二】学生操作训练或课堂实践4.适任评估对任务效果进行检验评价。1.评估要素 结合能力要求2.评估标准 操作准确、熟练（100满分）；操作准确、较为熟练（80满分）；熟练程度一般、能完成操作（60满分）；【教学活动设计】教师活动：示范操作，突出要领；学生活动：工学结合，学做合一。四、项目拓展 （时间：10分钟）我国超级电容电池的应用。五、课堂总结 （时间：5分钟）【任务总结】本次课学习内容包括超级电容电池的结构、原理和主要材料及充放电特性和优缺点。【教学活动设计】教师活动：知识归纳；学生活动评价.；学生活动：提问；分享交流. 六、课后实践 （时间：20 分钟）【自主学习】1.布置作业课后习题2.课外任务3.知识链接