碳基超级电容器及其电气性能研究

论文摘要

超级电容器作为一种新型的储能器件,既具有较大的能量密度和功率密度,同时又具有较长的循环寿命,在新能源发电、脉冲功率电源系统、电动汽车及电能武器等领域得到了广泛的应用。首先,本文以超级电容器为研究对象,根据双电层电容的形成机理,深入研究了电极-溶液界面的结构和性质,探讨了电解液离子在多孔电极及溶液间的分布特点和传递规律。在总结现有超级电容器模型的基础上提出双电层的矩阵式模型,研究了双电层电容器内部电荷、电压的分布规律。同时针对超级电容器电极的特点,根据该模型初步探讨了影响双电层电容器储能的因素和超级电容器的自放电机理。其次,以碳纳米管为基体,研究了碳纳米管分别与活性炭、二氧化锰、聚苯胺组成复合电极材料的电化学性能,着重分析了电极材料组成对电容性能的影响。其中聚苯胺/碳纳米管电极具有较优的电容性能,其比电容为245F·g-1,等效串联电阻（ESR）为0.811Ω。为了提高电极材料的储能特性,本文采用低温氧等离子体改性的方法,对电极材料进行改性处理。通过研究不同的处理时间,对比分析了不同改性深度下电极材料的微观结构和电化学性能。实验结果表明,经过1Omin的改性处理后,各电极材料接枝上了羟基官能团,微观结构更加均匀,阻抗性能得到明显提升。聚苯胺/碳纳米管电极材料的比电容为320F·g-1,为改性前的1.3倍,ESR为0.32ΩΩ,较改性前降低了60.5%；二氧化锰/碳纳米管电极材料的比电容为260.9F·g-,为改性前的1.27倍,ESR为0.35f2,较改性前降低了60.7%。由此证明,氧等离子体改性为超级电容器电极材料的优化制备提供了一定的思路。第三,采用聚氯乙烯作为封装材料,对超级电容器单元进行封装。封装外壳尺寸为φ37mm×10mm的圆柱形,其内部采用堆叠式结构。在此基础上对超级电容器单元和三单元组成的串联模块进行循环充放电试验。结果表明,经1000次循环充放电试验后,其电容保持率最高可达98%。最后,在储能系统、脉冲功率系统及其他高功率的应用场合,由于超级电容器的单体电压较低,通常需要将若干电容器单元串联组成储能模块来满足负载对电源系统电压等级的要求。但由于制造工艺、使用环境等因素会造成串联单元的性能不一致,从而在充电时会使得各串联单体间电压不均衡。故针对此问题,本文设计了基于PIC单片机控制的电压均衡系统,该系统由电压采集单元、控制单元及均衡主电路组成,以实现串联超级电容器组在充电过程中单体间的均衡充电,从而提高储能系统的安全性和效率。实验结果表明,针对10组单体参数为55V、9F电容器串联组成的储能系统,该均衡电路能够实现在0-20A,0-550V范围内的均衡充电。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• CONTENTS
• 图表目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 超级电容器简介
• 1.1.1 超级电容器的原理
• 1.1.2 超级电容器的结构
• 1.1.3 超级电容器的电极材料
• 1.2 超级电容器电极材料的制备
• 1.2.1 材料的制备方法
• 1.2.2 材料的预处理和改性技术
• 1.3 超级电容器的模型
• 1.3.1 理论模型简述
• 1.3.2 等效电路模型
• 1.4 超级电容器的关键问题
• 1.4.1 电极制备方法
• 1.4.2 单元优化
• 1.4.3 循环寿命和稳定性
• 1.5 论文的选题意义和研究内容
• 2 碳基超级电容器的矩阵式数学模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 电容器电极-溶液的界面理论与电路模型
• 2.2.1 电极-溶液界面的理论分析与离子运动规律
• 2.2.2 超级电容器的电路模型
• 2.3 超级电容器的数学模型研究
• 2.3.1 双电层电容器的矩阵式模型
• 2.3.2 电层电容器的自放电与时间常数
• 2.4 本章小结
• 3 碳基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 主要原材料和仪器设备
• 3.2.1 主要试剂与原材料
• 3.2.2 主要仪器设备
• 3.3 电极材料的性能表征和测试
• 3.3.1 电极材料的物理表征方法
• 3.3.2 电极材料的电化学性能测试
• 3.4 电极材料的制备
• 3.4.1 材料的预处理
• 3.4.2 碳基电极的制备
• 3.5 碳基电极材料的性能研究
• 3.5.1 材料的微观形貌
• 3.5.2 碳基电极材料的电化学性能
• 3.6 氧等离子体改性的复合材料电化学性能
• 3.6.1 等离子体改性设备
• 3.6.2 复合材料的氧等离子体改性制备
• 3.6.3 改性的聚苯胺/碳纳米管电极的电化学性能研究
• 3.6.4 改性的二氧化锰/碳纳米管电极的电化学性能研究
• 3.7 本章小结
• 4 超级电容器的设计及其电气性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 超级电容器的结构与封装设计
• 4.2.1 结构设计与分析
• 4.2.2 封装设计与分析
• 4.3 超级电容器的性能研究
• 4.3.1 充放电性能
• 4.3.2 电压保持性能
• 4.3.3 串联模块的循环性能
• 4.3.4 超级电容器的参数指标
• 4.4 本章小结
• 5 串联超级电容器组电压均衡系统的研究
• 5.1 引言
• 5.2 电压均衡系统的总体设计
• 5.2.1 电压均衡主电路设计
• 5.2.2 算法设计
• 5.3 电压均衡系统的硬件设计
• 5.3.1 电压采集及信号调理电路
• 5.3.2 模拟开关电路
• 5.3.3 PIC单片机及AD转换
• 5.3.4 MOSFET驱动电路
• 5.4 电压均衡系统的软件设计
• 5.5 实验测试与结果分析
• 5.5.1 测试实例1
• 5.5.2 测试实例2
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录A 电容储能系统与电压均衡系统实物照片
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介