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超级电容的电特性及在独立光伏系统中的应用


Journal of North China Institute of Aerospace EngineeringI—— Aug.2009 [[■■■—■—■I ———■■——■—●■■——■■■●—————■■■■■●●■■—■■■■■—■—■●■■●—■——■■■■■■■■———■●●■■■■—一I

第19卷第4期 2009年8月

北华航天工业学院学报

V01.19 No.4

超级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用
闰晓金 孙晋豪 徐利娜
(北华航天工业学院电子工程系,河北廊坊065000)

摘要:简要叙述了超级电容器的基本结构和工作原理,详细介绍了超级电容器的主要电参数和测试条件,分 析了影响电特性的因素和机理,最后给出了超级电容器在独立光伏系统中的应用及注意事项。

关键词:超级电容器;等效串联电阻;阻抗频率特性;独立光伏
中图分类号:TP271 文献标识码:A 文章编号:1673—7938(2009)04—0016—04

超级电容器是一种新型的储能元件,随着它的

问世,如何应用好超级电容器,提高电子线路的性能
和研发新的电子线路扩展其应用领域是电力电子技 术领域科技工作者的一个热门课题。


c:掣


(1)

其中£¨e、S、d分别为极板问介质的相对真空 的介电系数、电介质的相对介电常数、电容器的极板 面积、极板间的距离。 1.2工作原理 超级电容器是利用双电层原理的电容器【2】,原 理示意图如图2。

超级电容器的结构及原理

1.1超级电容器结构
引出电极多孔化电投电解液 +


△v

电解液界面






图1超级电容器结构框图

解 液

图l为超级电容器的模型。超级电容器的实际

电极是活性碳多孔化电极,引出电极为铝箔,类似于
铝电解电容器的阴极,中间用电解电容器纸作为两

个电极的隔膜在除了引出电极、多孔化活性碳和隔 膜外的所有空间均填充电解液,这样做可以获得比
被深度腐蚀的铝箔的实际面积与空间面积比大得 多,同样,具有流动性的电解液可以与多孔化的活性 碳电极紧密接触使实际电极具有更大的有效极板面 积,可以达到每克200平方米[1】。尽管超级电容器 的实际电极是活性碳粉,仍比电解液的离子半径大

圈2双电层示意图

当外电压加到超级电容器的两个极板上时,与

普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板
存储负电荷,在超级电容器的两极板上电荷产生的 电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反 的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电 荷在两个不同向的接触面上,以正负电荷之问极短 间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双 电层。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极 电位时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,超级电 容器为正常工作状态(通常为3V以下),如电容器 两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解 液将分解,为非正常状态。由于随着超级电容器放 电,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电解液的界

得多,因此,容量可以应用平板电容器的容量公式确
定:

基金项目:北华航天工业学院科研基金资助项目(KY.2008-05)
收穰日期:2008—12一03 作者简介:闫晓金(1982一),男。助教,硕士,辽宁庄河人。主要 从事高效率功率变换、电源技术、智能控制研究。

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闰晓金等:超级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用

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面上的电荷响应减少。由此可以看出:超级电容器 的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应。因 此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同 的。 综上所述,图1的结构与双电层原理相结合就 组成了电容量极大且货真价实的超级电容器,即便 是数千法拉的电容量也是不奇怪的了。 2超级电容器主要特性分析 2.1额定容量

还有浪涌电压(可以短时承受的端电压,通常为额定 电压的105%。110%),实际上超级电容器的击穿 电压远高于额定电压(约为额定电压的1.5倍左右 或更高)。 2.3额定电流 额定电流是指超级电容器充到额定电压后,充

电电压保持30秒到一分钟后,在5秒时间内将超级
电容器的端电压放电到额定电压的一半时所需要的 电流。 2.4最大存储能量 在额定电压是放电到零所释放的能量,以焦耳 (J)或瓦时(Wh)为单位,以2.7V、5000F为例:最大 存储能量为18.225kJ,放电到额定电压的一半时 为:13.669kj,尺寸为47×60×165mm。 2.5能量密度 最大存储能量除以超级电容器的重量或体积 (Wh/kg或Wll,1)已达到5.82Wh/kg或7.11Wh/l。 2.6功率密度 在匹配的负载下,超级电容器产生电,热效应各 半时的放电功率,用kW/kg或kW/1表示,已达到5. 24kW/kg或6.4kW/1。 2.7等效串联电阻 测试条件:规定的恒定电流(如600F以上的超 级电容器规定的充电电流为100A,100F以下的为 3A)和规定的频率(DC和大容量的100Hz或小容量 的kHz)下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流 ESR小,随温度上升而减小。 2.8阻抗频率特性

单位:法拉(F)。测试条件:规定的恒定电流
(如10F以上的超级电容器规定的充电电流为5A, 10F以下的为3A或1A)充电到额定电压后保持1 分钟,在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压 为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值, 即:

c=等

(2)

由于等效串联电阻(ESR)比普通电容器大,因 而充放电时ESR产生的电压降不可忽略,如2.7V/ 600F超级电容器的ESR为0.6mQ,在100A电流放 电时的ESR电压降为60mY,占额定电压的2.2%; 在150A电流放电时的ESR电压降为90mY占额定 电压的3.3%,表明在额定电流下放电容量比额定 容量仅减小3.3%,这一特性将在图3中看到。这 种测试方法与通常测试电容量的方法测得的电容量 低,其原因是:等效串联电阻与充、放电电流的乘积 占据了超级电容器的部分电压;超级电容器的多孔 化电极结构使结构深处的电解也不能被及时充分极 化,这一特性与蓄电池的容量随放电电流增加而减 小特性类似。

超级电容器的阻抗频率特性如图4,相对较大
的电容量和ESR造成平坦底部的原因,超级电容器 的频率特性是电容器中频率特性最差的。除此以



‘心 \



外,超级电容器的阻抗频率特性优于电解电容器,以



趟 脚



\\

‘\



某国产4.7F/2.5V超级电容器的直流ESR为
\.


80mgl,实测的交流阻抗频率特性为:10Hz一200kHz


1.
lI 100』



的频率范围内(在交流电流有效值为1A的测试条







|0A

Y‘

IA





件下)为60mfl。






2.9工作与存储温度


可以高一些。
图3
2.7

通常为一40。C一+60℃或70。C,存储温度还
由于超级电容器的电容量非常大,真实的漏电

W600F超级电容器放电特性益线

2.10漏电流 流需要很长时间才能表现出来。漏电流测试需要的 时间至少12小时,甚至是72小时。超级电容器的

2。2额定电压 额定电压是指可以使用的最高安全端电压(ao

2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3v),除此之外

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漏电流大致为每法拉2~4ttA。


蓄电池中实现对能源的充分利用。超级电容器即 使在微弱电流下也可有效充电,若超级电容器充满 电后用DC/DC变换器将超级电容器的电能有效地

传输到蓄电池中存储。这样可使太阳能电池在阴
天、黄昏的不利条件下也能聚集能量充到蓄电池 中。 随着城市现代化进程的加快,城市中常常需要 地灯那样的亮化工程,如果采用交流市电,不仅要铺 设供电线路而且要消耗电网中的电能,还要接受由
图4超级电容器阻抗频率特性

于电线的老化以及突发性事件而造成的电线短路的 事故。太阳能地灯是利用太阳能电池吸收阳光的能

2.11寿命 在25℃环境温度下的寿命通常在90000小时 或10年,在60℃的环境温度下为4000小时,与铝

量转化成电能,并将这部分电能存储到超级电容器
中。最后由超级电容器对LED提供电能实现亮化 照明功能。在这里为什么不采用蓄电池的原因是蓄 电池需要维护,而地灯最好是免维护的。 另外,在一些航道需要许多的浮筒作为一种警 示标志。在晚上就需要用电源使它发光,而现在的 浮筒是把白天太阳能的能量储存在电池中。但这种 电池每年都需要更换,维修和更换的区域相当大且 较分散,这就造成了相当高的成本浪费。如果用超 级电容器取代这种电池,来储存太阳能的能量,在晚 上用于海上照明则可以大量节省用于更换电池的费 用。在一些建筑物和马路上也需要灯光来警示或照 明,也可以利用太阳能电池板与超级电容器结合供 电。这样可达到免维修,且这种方式无论何时都可 以快速地安装在任何需要的地方,不需要经过昂贵 与费时的配线工程和人力资源的浪费。用太阳能电

电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度 缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命
终了的标准为:电容量低于额定容量20%,ESR增

大到额定值的1.5倍。额定温度下汶波电流与寿命 的关系曲线如图5所示。

图5颈定温度下纹波电流与寿命的关系

2.12循环寿命 20秒充电到额定电压,恒压充电10秒,lO秒放 电到额定电压一半,间歇时间:lO秒为一个循环。 一般可达500000次。寿命终了的标准为:电容量低 于额定容量20%,ESR增大到额定值的1.5倍。
2.13发热 超级电容器发热的原因是纹波电流流过超级电

池板与超级电容器结合储能代替一般性电池,还可
以减少由于废旧电池遗弃所造成的环境污染。因 此,用超级电容器作为电源是未来发展的一种流行 趋势,是可以广泛开发的一种新产品。 太阳能电池与超级电容器、LED组合应用的电 路如图6。

容器的等效串联电阻(ESR)产生的功率(能量)损耗
转变为热能。由于超级电容器的(ESR)较大,因此

在同样纹波电流条件下发热量比一般电容器大。使
用时应注意。 3在独立光伏系统中的应用

对于大多数蓄电池来说微弱电流充电几乎是
不起作用的,有时甚至是有害的。在太阳能电池供

电中,存在太阳能电池仅仅能输出微弱电流的情
况,如果能够将这部分微弱电流通过某种方式充到

圈6太阳能电池与超级电容器、LJED组合应用的电路

当外界有阳光照射时,SCl、SC2(相当于太阳能

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电池)将光能转成电能。同时,向超级电容Cl、C2 充电。当A端的电压达到5V(由于KA431的 VREF为2.5V)时,电容C1、c2停止充电。这时, 电能就经R1、R2向U1 KA431流,Q2处于饱和状 态。故发光二极管不会发光。 当夜晚来临时,没有了外界阳光照射,电容Cl、 C2会向外电路放电,由于D1的作用,电流只能向升

升,一旦达到VT+时,施密特触发器输出为低电 平,接着电容c通过R放电,当电容放电电压到VT 一时,施密特触发器输出又立即升为高电平。这样 周而复始形成振荡。 对于CC4093若输入端不是接VDD而接控制 信号,则当控制信号为低电平时,振荡器输出为高电 平;当控制信号为高电平时,振荡器输出振荡信号。 4应用注意事项 超级电容器在串联应用,特别是较大电容量时, 应采用均压技术以保证每一个超级电容器单体端电 压在额定电压内,目前国内已有各种规格超级电容

压型DC/DC转换器LTl937流入。在开关闭合时,
B端处于低电位状态,D3导通,CC4093无法工作,

RC振荡电路停振,发光二极管不会发光。当开关 断开时,B点处于高电平状态,RC振动电路起振,产
生了方波。这使白光LED得到矩形波电压,形成了 外界的灯闪烁,这也就成了浮标灯。若要使灯光不

器的均压电路商品。
参考文献:
[1]陈永真,李锦.电容器手册[M].北京:科学出版社,
2008.

闪烁,可以不采用振荡电路,这样就避免了灯的闪
烁。

施密特触发器组成多谐振荡器时仅需外接一个
电阻和一个电容,电阻R跨接施密特触发器输入和 输出端,由于电容C被充电,输入端的电平不断上

[2]陈永真.超级电容器原理及应用[c].中国电源学会第15 届全国技术论文集.上海:中国电源学会,2004"499—
502.

Electric Characteristics of Ultra Capacitor and Application in Stand-Alone PV System
YAN

X.嘲卜jin

SUN Jin-hao

XU Li-na

(Electronic

China Institute of Aerospace Engineering Department,Noah

Engineering,Langfang 065000,China)

Ah出麓吐:Basic and measuring

structure

and operating

prindPle

of

uhm capacitor

are

in this paper.The effect of simply depicted

electric charaeteristle

condition呲introduced.And
capacitor

the factors

affecting electric characteristics and operating prindple
of application
are

are

analyzed.The叩-

plication of uhm Key words:ultra

in PV system and notice

p阳o∞ding

introduced.

capacitor;ESR;register-frequency character;stand-alone PV

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超级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 闫晓金, 孙晋豪, 徐利娜, YAN Xiao-jin, SUN Jin-hao, XU Li-na 北华航天工业学院,电子工程系,河北,廊坊,065000 北华航天工业学院学报 JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF AEROSPACE ENGINEERING 2009,19(4) 0次

参考文献(2条) 1.陈永真.李锦 电容器手册 2008 2.陈永真 超级电容器原理及应用 2004

相似文献(10条) 1.期刊论文 王亚君.宁武.孟丽囡.WANG Ya-jun.NING Wu.MENG Li-nan 超级电容器在整流滤波中的应用 -辽宁工学 院学报(自然科学版)2006,26(2)
通过对整流滤波电流的基本要求的分析和超级电容器性能的分析,得出超级电容器也可以作为整流滤波电容器,通过2只15 000 μF/10 V的铝电解电 容器并联和3只4.7 F/2.7 V超级电容器串联的对比测试、输出纹波电压波形分析,得出超级电容器可以用作整流滤波电容器,且与电解电容器相比,具有很 大的性能优势、价格优势和体积优势.

2.学位论文 房晶瑞 导电高分子修饰活性炭电极的制备与表征 2007
超级电容器是一种介于电池与静电电容器之间的新型储能元件,其功率密度比电池高数十倍,能量密度比静电电容器高数十倍,具有充放电速度快 、对环境无污染、循环寿命长等优点,有望成为21世纪的新型绿色能源。超级电容器的研究主要集中在对高性能电极材料的制备上。根据储能机理不同 ,超级电容器可以分为基于高比表面积碳材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器和基于电极材料表面的电沉积或氧化还原过程法拉第准(赝)电容 的超级电容器两类。活性炭材料具有较高的比表面积可以产生较大的双电层电容,同时导电高分子快速可逆的氧化还原反应致使其在整个体积内存在高 密度电荷而产生很大准电容,因而将两种电极材料复合可以提高电极的比电容。 本文以活性炭为电极原材料,并通过优化工艺制备比电容较高的炭电极。利用原位吸附化学聚合法和原位电化学聚合法制备导电高分子/活性炭复合 电极,通过循环伏安、交流阻抗、恒流充放电技术等进行测试并比较其电化学性能。主要实验内容和结果如下: 1.活性炭电极制备及工艺优化本论文较为系统地研究了影响活性炭(AC)电极性能的因素,发现活性炭、导电剂、粘结剂三者的性能和含量、电极成 型方式等因素对电极的电导率和比电容都有一定的影响。实验表明活性炭粒度越小比表面积越大,与导电剂混合情况越好,电极电导率越高;炭黑作导 电剂时电极性能最好且炭黑含量超过30%后对电极的电导率变化影响较小,但是由于炭黑本身的电容量很小,随着其含量的增大炭电极电容量下降;粘 结剂聚四氟乙烯绝缘且疏水,含量增大时比电容明显下降。球磨混合可以改善活性炭与炭黑的混合,从而提高电极的电导率,但是当球磨时间超过2h后 电导率基本保持不变。因此最终确定比表面积为2600m<‘2>/g活性炭粉末作为电极主体材料,与炭黑、聚四氟乙烯的配比为8∶1∶1,球磨2h处理,以 0.5mol/L硫酸作电解液,炭电极比电容高达306F/g,等效串联电阻为在16Ω左右,这个比电容高于文献中所报道的数值。由于实验所采用的活性炭粉末 粒度较小,且具有较高比表面积,浸泡和热处理等预处理手段对其性能提高不明显,因此实验中不对活性炭进行预处理。 2.化学法制备聚苯胺/活性炭复合电极利用原位吸附化学聚合法制备聚苯胺(PAn)与活性炭的混合颗粒,两者质量比约为7∶1,聚苯胺的产率大约为 61﹪。以0.5mol/L,的硫酸为电解液,PAn/AC复合电极比电容达到390F/g,比纯AC电极的提高了28﹪,比电容的提高是由于聚苯胺的氧化还原反应产生 的法拉第准电容,但是电极中的聚苯胺利用率较低(仅能达到49﹪),而且复合电极的等效串联电阻(ESR)比AC电极高,大约为80Ω,说明化学法制备的聚 苯胺导电性较差。 3.电化学法制备PAn/AC复合电极通过循环伏安法和恒电位法在活性炭电极表面电化学聚合一层导电聚苯胺,并通过改变聚合条件得到不同复合电极 ,对其性能进行表征并比较。实验结果表明:PAn/AC复合电极表现出明显的法拉第准电容特性,且比电容都比AC电极高。苯胺在炭电极上的氧化电位比 玻碳、铂等惰性电极要高,大约在1.2V。循环伏安法制备的复合电极的电容性能比恒电位法好。循环伏安聚合时扫描速率较大无法得到聚苯胺膜,扫描 上限电位越小,得到的聚苯胺的氧化还原可逆性越高,电极的等效串联电阻越小,聚苯胺在活性炭表面的有效利用率越高,比电容也越高。实验确定聚 合电位扫描范围为-0.2~1.2V,扫描速率为1mV/s,聚合周期为3,此时聚苯胺的有效利用率能达到89﹪,比电容达到546F/g,比纯AC电极提高了78﹪。

3.会议论文 潘艳.耿俊庆.陈永真 超级电容器在整流滤波中的应用 2007
本文通过对整流滤波电容器的基本要求的分析及对超级电容器性能的分析,得出超级电容器可以作为整流滤波电容器.通过两只16V/33000μF的铝电 解电容器并联和一只90mF/12V超级电容器的对比测试、输出纹波电压波形分析,得出超级电容器与电解电容器相比,具有很大的性能优势、价格优势和体 积优势。

4.学位论文 王晓迪 湿法制备Co<,3>O<,4>及其超级电容性能研究 2006
超级电容器(Surpercapacitors)是化学电源体系中新兴的贮能元件。它兼具传统物理电容器高功率及化学电池高能量密度的优点,是一种介于电池 和静电电容器之间的新型储能元件。高性能的超级电容器需要高性能的电极材料。本文突出阐述了湿法制备Co3O4活性材料,采用循环伏安、交流阻抗、 恒流充放电、X射线衍射、透射电子显微镜等实验方法和测试手段对活性材料展开物相及电化学性能研究。同时还围绕Co3O4电极,对活性物质掺杂和电 解液选取等问题进行了研究。 以[Co(NH3)6]3+络合离子和Co2+为前驱物,低温制备Co3O4。XRD测试表明制得产物为纯相尖晶石型Co3O4,通过对TEM照片分析,80℃时制备的产物 粒径为4~6nm。将Co3O4制备成电极,在对电极进行电化学测试后发现:所制备的电极具有良好的电容性能。恒流充放电测得其比容量最高可达 224.9F/g,循环90次后,充放电曲线进入稳定状态,充放电效率达到100﹪。对电极进行的交流阻抗测试表明,电极等效串联电阻仅为200mΩ,而且经过 500次循环后等效串联电阻仅增加50mΩ。 在Co3O4制备过程中掺杂Ni离子,并对掺杂后的电极电容性能进行研究。结果表明,掺杂Ni后Co3O4电极的比容量提高了5﹪。等效串联电阻略有增大 ,阻值为350mΩ。 在对KOH电解液的研究中发现,Co3O4电极比容量随KOH溶液浓度的增加而增大。在KOH电解液浓度为5mol/L时,比电容达到304.2F/g。在研究Co3O4电 极在中性电解液中的电容特性时发现,硝酸盐电解液的电容特性优于硫酸盐电解液,同时,中性电解液的选用将电极工作电势窗提高到0.2~1.3V。 对碳纳米管及Co3O4/碳纳米管复合电极进行超级电容性能研究。结果表明,当Co3O4与碳纳米管质量比为90:5时,单电极比容量达到233.32F/g。同 时,碳纳米管的添加能显著提高电极大电流充放电性能。

5.期刊论文 王力臻.GUO Hui-jie.郭会杰.谷书华.张爱勤.董会超.张勇 集流体表面直流刻蚀对超级电容器性能的 影响 -电源技术2008,32(8)

采用扫描电镜(SEM)、恒流充放电、循环伏安以及交流阻抗等测试方法研究了直流刻蚀集流体铝箔表面对超级等萜餍阅艿挠跋?结果表明,刻蚀与未刻 蚀铝箔作为集流体所制超级电容器相比,活性物质比容量由未刻蚀集流体的75.58 F/g提高到刻蚀的203.76 F/g,超级电容器的有效内阻也从71 Ω下降到 11 Ω,超级电容器响应特性变好.

6.学位论文 谢慰 超级电容器与锂离子电池电极材料的电化学性能研究 2009
超级电容器作为一种新型储能器件,具有能量密度和功率密度高、比容量大等特点。它在电动汽车、移动通讯和国防等领域有巨大的市场前景。锂 离子电池因为工作电压高、能量密度大、自放电率低、“绿色”环保等众多优点而倍受人们的关注,目前已广泛应用于小型用电器中,并正积极向空间 技术、国防工业、电动汽车、UPS等领域发展。此外,超级电容器还可以和锂离子电池组合作为电动汽车的动力电源系统。目前在影响化学电池性能的所 有因素中,电极材料的性能无疑起着最重要的作用。因此,本论文重点研究不同种类电极材料的电化学性能,研究掺杂碳纳米管对电极材料的充放电性 能和循环寿命的影响。主要研究内容有: (1)利用化学沉淀法和溶胶凝胶法制备MnO2电极材料并研究其电化学行为。借助XRD和SEM进行样品表征,通过对电极材料进行循环伏安、恒流充放 电和交流阻抗性能测试,获得循环稳定性和比容量较高的储能器件。在在50mA/g电流密度下得到60℃恒温液相反应的产物比容量为257.9Fg-1,其等效 串联电阻小为2.5Ω、充放电效率高、功率特性也较好;溶胶-凝胶法制备的MnO2粉末材料比容量高,但循环性能有待改善。 (2)通过沉淀法制备了NiCO3和NixCo1-xCO3前驱体,并由热处理得到了NiO和NixCo1-xO粉体。恒流充放电测试得到NiO和NixCo1-xO电极材料 50mA/g电流密度下的比容量分别为82.2Fg-1和91.7Fg-1,等效串联电阻分别为26.9Ω,和11.4Ω。研究表明NiO掺Co能提高电极材料的电化学活性 ,从而使比电容量得到提高,内阻减小,并减缓了大电流充放电情况下比容量的衰减。 (3)研究经硝酸回流处理的碳纳米管和热处理的碳纳米管电极材料的循环伏安特性和恒流充放电性能,表明碳纳米管具有理想的双电层特性。研究 MnO2/CNTs复合电极材料的电容特性,复合电极的比容量在经200次循环之后保持率为90.4%,充放电效率接近100%。复合材料电化学性能的提高主要源 于碳纳米管的贡献,掺杂有利于降低电极材料的内阻,提高其功率特性和循环稳定性。 (4)碳纳米管的特殊结构可为锂离子提供更多可嵌入,嵌出的空间位置,利用碳纳米管的优良特性将其和钴酸锂、磷酸铁锂复合作为锂离子电池电 极材料,在1mol/LLiPF6EC/DMC/EMC=1:1:1电解液中进行一系列电化学性能测试。采用球磨法对LiFePO4进行掺碳纳米管改性,得到10wt%CNTs含量的 LiFePO4/CNTs电极具有较优良的充放电性能和阻抗特性。其极化小、稳定性强、充放电平台更平稳。0.1C下首次充电和放电比容量分别为133.5mAh/g和 128.5mAh/g,库伦效率达到96.3%,且循环稳定性高。

7.会议论文 房晶瑞.王玮.鲍玉胜.梁亮 聚苯胺修饰活性炭电极电化学性能 2007
采用循环伏安法在活性炭电极(AC)表面合成导电聚苯胺,得到聚苯胺修饰活性炭复合电极(PAn/AC),通过循环伏安(CV)、恒流充放电技术研究了电极 的电容特性,并计算了其等效串联电阻.结果表明,在硫酸溶液中,复合电极呈现较好的电容特性,复合电极的比电容能达到545F/g,比纯活性炭电极的 306F/g提高了78%,不同放电电流密度下求出的比电容比纯活性炭电极平均提高了89%,且复合电极的ESR比AC电极稍小。

8.学位论文 葛军 超级电容器用明胶基和化学气相沉积碳材料的研究 2009
超级电容器(又称为电化学超级电容器)根据储能机理的不同可以分为两类:一类是双电层电容器,基于电极与电解液界面双电层的非法拉第过程 ;另一类是赝电容器,基于电极表面的嵌入、欠电位沉积、氧化还原的法拉第过程。双电层电容器中最常用的电极材料是活性碳材料,因为它们不仅造 价低廉,而且拥有多种存在形式。双电层电容器的优劣关键在于双电层的充放电效率,高效率的双电层充放电要求电极材料具有高比表面积、与离子大 小相适合的孔径。 碳材料主要以粉末、纤维、气凝胶、碳纳米管等形式应用于超级电容器,这些材料的性质已经被详细地研究,并被应用于科研和生产中。随着材料 研究的发展,不同结构、形态及性能差异的其它碳材料也在不断出现,因而对这种碳材料也需要进行系统地研究。这些材料的研究和应用对推动和完善 超级电容器用碳电极材料领域的发展同样具有重要的意义。 本论文重点针对材料,对它们的制备、性质、应用等进行探讨和研究:(1)以明胶为原材料,对明胶的碳化条件、形成微孔的原理、复合物的制备、 电化学性质等方面进行了系统的研究;(2)研究了化学气相沉积法制备碳球的工艺条件和所得碳球电化学性质;(3)研究了碳微线圈的制备、生长机理、 电化学性质。论文围绕这三大部分展开,主要的研究内容如下: 1、明胶为前驱体制备明胶碳球。明胶微球首先要在空气中以250℃进行预处理,然后再高温碳化。戊二醛交联前后,明胶在空气和氮气中的热失重 曲线仅在300℃之后有细微的差别,熔化温度Tm为228℃。戊二醛交联前后的明胶微球在空气或氮气中250℃热处理7h,再经过稀硫酸处理,得到不同结构 的明胶基材料:空气中处理的未交联明胶微球可得多孔内核结构,而在氮气中处理的得到实心结构,交联后明胶球无论在空气还是氮气中处理均得到实 心结构。核壳式明胶基球碳化后保持了多孔内核/致密外壳的结构,对其电化学性质也进行了初步研究。 2、利用CaCO3和明胶制备了多种复合微球及其衍生明胶基活性碳球。当纳米CaCO3和明胶质量比为2时,得到的活化明胶基碳球最适合作为超级电容 器的碳电极材料。碳纤维与明胶基碳球复合,可明显提高整体的导电性,但复合材 料的比电容仍然偏低。 3、以苯和乙炔为碳源,分别用两段炉和一段炉法制备化学气相沉积碳球。两段炉方法中,第一段炉的温度对碳球形貌无明显 影响,两种方法的碳化温度都要高于1100℃。碳球直径从前向后逐渐减小、分散性从前向后逐渐提高,影响碳球的粒径的主要因素为混合气体总气流速 率,总气流速率越大得到的碳球粒径越小。 4、水蒸气活化碳球单电檄比电容为131F/g,电容器等效串联电阻为7.5Ω;KOH活化碳球单电极比电容为146.4F/g,电容器等效串联电阻为7.5Ω。 对比两种活化方法得到的碳球,虽然KOH活化碳球的比电容略高,但KOH活化的实验步骤较为繁琐,而水蒸气活化操作简单、原料便宜,两者活化的碳球 比电容相差不大,所以水蒸气活化方法更适合本实验室活化碳球的制备。 5、碳微线圈有一个共同的碳基底并垂直于基底生长。在710~750℃范围内,随温度升高碳微线圈的内径减小、长度增长。730℃条件下得到的碳微 线圈基底厚度和韧性适中、碳微线圈含量最高;经水蒸气活化后BET比表面积为511m2/g,孔径分布较广,微孔占主要部分,中孔和大孔含量较少;单电 极比电容为56.4 F/g。电容器等效串联电阻为12.5Ω。 6、碳微线圈碳基底背面有密堆六方和面心立方两种晶格结构的Ni共存;进气口附近,Ni为密堆六方晶格结构,颗粒为近似六边形的扁平晶体;离进 气口较远处,催化剂小颗粒聚集成饼状的结构,相互之间没有完全熔合在一起。说明微米级半径碳微线圈的生长机理和纳米级半径碳微线圈的生长机理 有所不同。 关键词:碳材料,明胶,超级电容器,化学气相沉积,碳微线圈

9.期刊论文 张治安.邓梅根.汪斌华.胡永达.杨邦朝.ZHANG Zhi-an.DENG Mei-gen.WANG Bin-hua.HU Yong-da. Yang Bang-chao 超级电容器用纳米炭黑电极的电化学性能 -功能材料2005,36(2)
用高导电性、高比表面积的工业炭黑(BET表面积为1080m2/g)作为超级电容器的电极材料.利用循环伏安法研究了不同扫描速度对电极电容特性的影 响以及不同循环次数对循环伏安曲线的影响,用不同大小电流恒流充放电研究其充放电性能.结果表明:循环伏安曲线为矩形特征,炭黑电极表现出典型的 电容行为,扫描速度与比电容基本无关;恒流充放电的电压和时间关系为线性关系,电极的大电流充放电性能良好,电极的循环寿命高.

10.学位论文 张伟 活性碳与二氧化锰超级电容器相关技术 2007
本文以廉价的活性碳和二氧化锰作为超级电容器电极材料,采用XRD、SEM、BET、IR等测试技术对材料的结构、形貌、比表面积等进行了表征;利用 恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法对其进行测试,旨在研究单电极体系与双(多)电极体系下各电极电化学过程的异同,以及正负极对超级电容器 整体性能的影响。 1.对于活性碳,其经过15﹪硝酸处理可表现出较好的电容性能。电极工作电位范围偏离平衡电位,其中负极在其工作电位范围内未将存储的电荷全 部放出,而正极发生了过放电行为;正极对超级电容器电压、电阻的贡献率分别达到了85﹪与67﹪以上;正极、负极电容分别达到了204F/g和281 F/g。 2.对于采用机械化学法制备的弱结晶型α-MnO<,2>,其充放电曲线表现出双电层电容与法拉第假电容的双重特征,最大电极放电比电容达到了516 F/g;在循环过程中,由于Mn304的生成而使电极反应电位范围逐渐变小,双电层电位范围增大,超级电容器充放电曲线逐渐接近理想直线。 3.对于成晶性较好的纳米α-MnO<,2>,正极在充、放电时产生赝电容对超级电容器电容的贡献率分别达到了36.4﹪和43.8﹪;正极对超级电容器电 压的贡献率达到了67﹪;而负极决定了超级电容器电阻,并且其双电层的形成速度以及自放电速率均小于正极。 4.对于正极含40﹪纳米α-MnO<,2>的二氧化锰/活性碳混合超级电容器,其充放电曲线并未表现出法拉第赝电容特征;正、负极电阻分别占超级电容

器等效串联电阻的58.3﹪和17.4﹪,负极的首次充电速率远大于正极。超级电容器、正极、负极自放电受电极电位、时间等因素的影响。这些对于超级 电容器电极材料的选择及性能优化具有十分重要的实际意义。

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