碳基超級(jí)電容器及其電氣性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，既具有較大的能量密度和功率密度，同時(shí)又具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，在新能源發(fā)電、脈沖功率電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車及電能武器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　首先，本文以超級(jí)電容器為研究對(duì)象，根據(jù)雙電層電容的形成機(jī)理，深入研究了電極-溶液界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，探討了電解液離子在多孔電極及溶液間的分布特點(diǎn)和傳遞規(guī)律。在總結(jié)現(xiàn)有超級(jí)電容器模型的基礎(chǔ)上提出雙電層的矩陣式模型，研究了雙電層電容器內(nèi)部電荷、電壓的分布規(guī)律。同時(shí)針對(duì)

2、超級(jí)電容器電極的特點(diǎn)，根據(jù)該模型初步探討了影響雙電層電容器儲(chǔ)能的因素和超級(jí)電容器的自放電機(jī)理。
　　其次，以碳納米管為基體，研究了碳納米管分別與活性炭、二氧化錳、聚苯胺組成復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能，著重分析了電極材料組成對(duì)電容性能的影響。其中聚苯胺/碳納米管電極具有較優(yōu)的電容性能，其比電容為245F·g-1，等效串聯(lián)電阻(ESR)為0.811Ω。為了提高電極材料的儲(chǔ)能特性，本文采用低溫氧等離子體改性的方法，對(duì)電極材料進(jìn)行改性處理。

3、通過研究不同的處理時(shí)間，對(duì)比分析了不同改性深度下電極材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過10min的改性處理后，各電極材料接枝上了羥基官能團(tuán)，微觀結(jié)構(gòu)更加均勻，阻抗性能得到明顯提升。聚苯胺/碳納米管電極材料的比電容為320F·g-1，為改性前的1.3倍，ESR為0.32Ω，較改性前降低了60.5％;二氧化錳/碳納米管電極材料的比電容為260.9F·g-1，為改性前的1.27倍，ESR為0.35Ω，較改性前降低了60.7％。由此

4、證明，氧等離子體改性為超級(jí)電容器電極材料的優(yōu)化制備提供了一定的思路。
　　第三，采用聚氯乙烯作為封裝材料，對(duì)超級(jí)電容器單元進(jìn)行封裝。封裝外殼尺寸為Φ37mm×10mm的圓柱形，其內(nèi)部采用堆疊式結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上對(duì)超級(jí)電容器單元和三單元組成的串聯(lián)模塊進(jìn)行循環(huán)充放電試驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)1000次循環(huán)充放電試驗(yàn)后，其電容保持率最高可達(dá)98％。
　　最后，在儲(chǔ)能系統(tǒng)、脈沖功率系統(tǒng)及其他高功率的應(yīng)用場(chǎng)合，由于超級(jí)電容器的單體電壓較低，通常

5、需要將若干電容器單元串聯(lián)組成儲(chǔ)能模塊來滿足負(fù)載對(duì)電源系統(tǒng)電壓等級(jí)的要求。但由于制造工藝、使用環(huán)境等因素會(huì)造成串聯(lián)單元的性能不一致，從而在充電時(shí)會(huì)使得各串聯(lián)單體間電壓不均衡。故針對(duì)此問題，本文設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)控制的電壓均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電壓采集單元、控制單元及均衡主電路組成，以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)超級(jí)電容器組在充電過程中單體間的均衡充電，從而提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)10組單體參數(shù)為55V、9F電容器串聯(lián)組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，該均