混合型超级电容器的相关理论和实验研究

论文摘要

超级电容器具有超大容量和高储能密度,作为一种新型储能元件,在电动车、电磁武器和不间断电源等方面的应用具有很大的潜力。在实用化进程中,尤其是推广到更广阔的脉冲功率技术的应用中,尚需解决它的工作电压低和内电阻大等问题。本论文就是以超级电容器的实用化为目标,以混合型超级电容器为研究对象,从电极材料和器件的结构研究入手,解决实用化中的理论与工艺等问题。通过理论分析和机理方面的进一步描述,获得提高性能参数的具体措施,推动超级电容器应用所带来的技术进步。 为了提高超级电容器的工作电压,本研究跟踪国外最新概念,采用电解电容器的阳极和电化学超级电容器的阴极,实现了混合型超级电容器的新结构。通过结构优化组合,构筑混合型超级电容器单元,并对组装的单元样品进行了性能测试,实验结果表明工作电压得到了实质性地提高。在此基础上进一步探讨改进混合型超级电容器的内部结构形式和物理尺寸,对电容器性能的影响,以此达到优化结构设计和提高电气性能的目的。优化后的混合型超级电容器内部采用多单元并联的连接形式,其性能参数如下:工作电压40V、电容量18.4mF、内电阻0.46Ω、储能密度1.13J/cm3。在理论方面,建立了混合型超级电容器的等效电路模型,并利用等效电路方法解析了超级电容器的阻抗特性,该方法对了解电化学过程和确定电化学参数具有一定的意义。 电极的制备是超级电容器的关键技术之一。本研究采用Sol-gel法制备水合二氧化钌粉末,进一步制备二氧化钌/活性碳复合电极,并对各种不同配比的二氧化钌/活性碳复合电极的电化学性能和物理性能进行了实验研究,旨在确定复合电极材料的最佳配比。实验结果表明在二氧化钌中加入适量的活性炭,可以改善电极的阻抗特性,但将以降低电容量为代价。当二氧化钌含量为60%时,复合电极的比电容为457.3F/g,内阻为1.291Ω,是一种比较理想的超级电容器电极材料。为了改善电极的阻抗特性,探讨电极的多种制备技术,采用了热分解Ru（CO2H5）3方法,在金属钽箔上制备RuO2·xH2O薄膜,得出材料的比电容为362F/g,内阻为1.08Ω,用它作为超级电容器的电极,可以满足快速充放电的要求。 在混合型超级电容器的机理研究方面,引入电荷传递理论、电极过程动力学和电磁场理论,系统地解释了在混合型超级电容器中电荷存储与释放的机理。通过描述电化学反应速度、反应电流密度和电场分布得出:电极电势决定反应电流密度;电场的分布与所选材料的性能参数、电极的厚度有关。通过调整隔离薄膜的介电常数、电极极板的厚度,可以缓解电容器内部局部场强过高的问题。该描述对解释超级电容器的工作机理、

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器的理论及其研究与发展概况
• 1.2.1 超级电容器的理论基础
• 1.2.2 超级电容器在国内外的研究与发展概况
• 1.3 超级电容器的主要电气性能指标
• 1.4 超级电容器的研究存在的问题和解决方案
• 1.5 论文的选题意义和研究内容
• 2 混合型超级电容器的结构优化设计及其电气性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 混合型超级电容器的相关理论
• 2.2.1 电化学超级电容器的工作原理
• 2.2.2 混合型超级电容器的理论依据
• 2.3 混合型超级电容器的结构研究
• 2.3.1 混合型超级电容器电极的确定
• 2.3.2 混合型超级电容器单元结构的研究
• 2.4 混合型超级电容器的性能测试
• 2.5 性能分析与讨论
• 2.5.1 混合型超级电容器的充放电性能
• 2.5.2 混合型超级电容器的阻抗性能
• 2.5.3 混合型超级电容器两极容量的适配
• 2.5.4 实验结果
• 2.6 混合型超级电容器单元结构的改进与性能优化
• 2.6.1 改进后的混合型超级电容器的充放电性能
• 2.6.2 改进后的混合型超级电容器的阻抗性能
• 2.6.3 改进后的混合型超级电容器的漏电流性能
• 2.6.4 改进后的混合型超级电容器的功率特性与储能特性
• 2.6.5 性能优化与结论
• 2.7 混合型超级电容器物理尺寸的设计与性能优化
• 2.7.1 大直径混合型超级电容器的充放电性能
• 2.7.2 大直径混合型超级电容器的阻抗性能
• 2.7.3 大直径混合型超级电容器的功率特性
• 2.7.4 性能优化与结论
• 2.7.5 混合型超级电容器的优化重组
• 2.8 混合型超级电容器等效电路模型
• 2.9 本章总结
• 3 混合型超级电容器电极的制备及其性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 电极的制备
• 2·xH₂O粉末的制备'>3.2.1 RuO₂·xH₂O粉末的制备
• 2·xH₂O粉末电极的制备'>3.2.2 RuO₂·xH₂O粉末电极的制备
• 2·xH₂O/活性炭复合电极的制备'>3.2.3 RuO₂·xH₂O/活性炭复合电极的制备
• 3.3 电极的性能测试
• 3.3.1 电极的电化学性能测试
• 3.3.2 电极的物理性能测试
• 3.4 测试分析与讨论
• 3.4.1 二氧化钉粉末制备工艺参数的确定
• 2·xH₂O/活性炭复合电极的性能研究'>3.4.2 RuO₂·xH₂O/活性炭复合电极的性能研究
• 3.4.3 实验结果
• 3.5 二氧化钌薄膜电极的制备及其性能研究
• 3.5.1 二氧化钌薄膜电极的制备
• 3.5.2 二氧化钌薄膜电极电化学性能测试
• 3.5.3 性能分析与讨论
• 3.6 本章总结
• 4 电荷存储与释放的电动力学描述
• 4.1 引言
• 4.2 超级电容器中的电荷传递
• 4.2.1 二氧化钌/活性炭复合电极上的电荷传递
• 4.2.2 钽/五氧化二钽阳极上的电荷传递
• 4.3 超级电容器内部电极过程的动力学描述
• 4.3.1 电极反应电流密度
• 4.3.2 极化阻抗
• 4.3.3 考虑浓度极化的反应电流密度
• 4.4 混合型超级电容器内部电场的描述与仿真
• 4.4.1 混合型超级电容器单元的结构模型
• 4.4.2 电场的数学描述
• 4.4.3 分析与讨论
• 4.5 本章总结
• 5 混合型超级电容器的封装设计及产品化相关问题的研究
• 5.1 引言
• 5.2 混合型超级电容器的封装方案
• 5.2.1 器件的封装形式
• 5.2.2 封装材料的选择
• 5.3 混合型超级电容器的温度场分析
• 5.3.1 传热模型
• 5.3.2 传热分析与讨论
• 5.4 引线接触电阻
• 5.5 引线电感
• 5.6 本章总结
• 6 超级电容器在电动车上的应用范例初探
• 6.1 引言
• 6.2 基于混合型超级电容器和蓄电池的电动车混合动力电源的方案设计
• 6.2.1 设计思想
• 6.2.2 动力电源输出性能的优化匹配与仿真
• 6.3 本章总结
• 7 全文结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 致谢
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