碳基超級電容器及其電氣性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種新型的儲能器件，既具有較大的能量密度和功率密度，同時又具有較長的循環(huán)壽命，在新能源發(fā)電、脈沖功率電源系統(tǒng)、電動汽車及電能武器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　首先，本文以超級電容器為研究對象，根據(jù)雙電層電容的形成機理，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和傳遞規(guī)律。在總結(jié)現(xiàn)有超級電容器模型的基礎(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。同時針對

2、超級電容器電極的特點，根據(jù)該模型初步探討了影響雙電層電容器儲能的因素和超級電容器的自放電機理。
　　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能特性，本文采用低溫氧等離子體改性的方法，對電極材料進行改性處理。

3、通過研究不同的處理時間，對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。實驗結(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，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，對超級電容器單元進行封裝。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)上對超級電容器單元和三單元組成的串聯(lián)模塊進行循環(huán)充放電試驗。結(jié)果表明，經(jīng)1000次循環(huán)充放電試驗后，其電容保持率最高可達98％。
　　最后，在儲能系統(tǒng)、脈沖功率系統(tǒng)及其他高功率的應(yīng)用場合，由于超級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)組成儲能模塊來滿足負載對電源系統(tǒng)電壓等級的要求。但由于制造工藝、使用環(huán)境等因素會造成串聯(lián)單元的性能不一致，從而在充電時會使得各串聯(lián)單體間電壓不均衡。故針對此問題，本文設(shè)計了基于PIC單片機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，以實現(xiàn)串聯(lián)超級電容器組在充電過程中單體間的均衡充電，從而提高儲能系統(tǒng)的安全性和效率。實驗結(jié)果表明，針對10組單體參數(shù)為55V、9F電容器串聯(lián)組成的儲能系統(tǒng)，該均