论文摘要
超级电容器因其具有高比功率、大电容和循环寿命长等特点，成为一种新型的储能装置，在移动通信、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域具有重要和广阔的应用前景，在世界范围内引起了极大关注。目前超级电容器的研究主要集中在以下两个方面：一、寻找更高比容量的材料，采用的方法包括改良己有材料的合成方法，拓展工作电位窗口，寻求新的超级电容器电极材料等。二、提高材料的能量输出特性，即在最大限度内提高材料的比功率。本文选定二氧化铅和活性炭作为超级电容器的电极材料，结合多种电化学研究手段和材料研究测试方法，系统地研究了超级电容器的材料制备、电极制备及其参数的优化。这一研究体系具有比功率高，循环寿命长，造价低等优点，对改进和提高铅酸电池性能具有实际参考价值。通过实验结果，得出以下结论：1、在1mol／LH2SO4溶液中，采用循环伏安法将铅工作电极在1.0～2.0V电压范围内氧化得到的二氧化铅电极放电性能优于恒电流和恒电势法制备的二氧化铅电极，并且从扫描电镜图和X射线衍射测试结果得到了验证。2、通过考察扫描速率、硫酸浓度、反应温度、添加剂及其浓度对二氧化铅电极放电性能的影响，得出了制备二氧化铅电极的最佳工艺条件：反应温度40℃，扫描速度10mV／s，0.05 mol／L KClO4和1mol／L H2SO4混合溶液，反应时间3h，此时二氧化铅电极的放电性能最好。3、活性炭电极组成的双电层电容器在硫酸溶液中表现出良好的电容性能，活性炭电极具有良好的循环可逆性，电极的容量完全由双电层电容提供。在影响活性炭电极比容量的各因素中，随着电极中PVDF粘结剂含量的增加，活性炭比容量下降，采用5％的粘结剂效果最好；电极比容量随着导电剂Super-P含量的增大而增大；厚度较薄的电极有利于获得较大的比容量；随着放电电流的增加，电极比容量呈逐渐下降趋势。当电极以活性炭：Super-P：PVDF=85：10：5的比例配置，以5mA的电流放电时，活性炭电极最大比容量可达335.04F／g。4、以二氧化铅电极为正极，活性炭电极为负极，组装成铅酸／活性炭混合超级电容器，并研究了其循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学特性。结果表明该混合电容器具有电容特性，电容器工作时，既有双电层电容的贡献，又包含准电容的作用，因而其活性物质比容量高于活性炭双电层电容器，最大值为119.58F／g。同时由于工作电位窗口的提高，活性物质比能量高达73.24Wh／kg，高于相同条件下双电层电容器活性物质比能量。然而在整体性能方面，双电层电容器优于混合超级电容器。其原因是混合电容器大多数正极材料未被利用，从而导致电极中活性物质所占比例小。采用正极二氧化铅薄膜，并作适当的正负极质量匹配，将会进一步提高混合电容器性能。