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《大连理工大学》 2010年
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混合型超级电容器的建模与制备研究

宋金岩  
【摘要】: 超级电容器是一种随着材料科学的发展而出现的新一代功率型储能元件。它既具有传统电容器的大电流快速充放电的特性,又具备蓄电池的高储能密度特性,在电动车、脉冲功率系统、电能武器、UPS和叉式升降机等领域有着广泛的应用,是能源技术研究的热点。 本文以近年来国外出现的混合型超级电容器为研究背景,比较深入地研究了这种新型超级电容器的建模、制备及其测试。首先,本文在Conway模型和电极的物理结构的基础上建立了二氧化钌/活性炭复合电极的模型,着重分析了超级电容器的恒流放电特性,探究在不同配比下二氧化钌和活性炭的复合电极的阻抗性能和电容特性的基本变化规律。同时,针对目前典型的压覆电极薄膜的特点,进一步修正和改进模型,分析由压覆式电极组成的超级电容器的特性,并在理论上初步探讨超级电容器内阻、电容量和相角的影响因素。 超级电容器的核心技术在于其电极制备,通常多孔电极材料的物理特征决定着电极的电化学性能。本文通过对不同孔径和形状的多孔电极的静电场仿真计算,得到了多孔电极内部电场的分布情况。仿真结果表明通过控制孔径和孔形状等参数可改善多孔电极的电场分布,提高电极的电容量。 为了提高超级电容器的工作电压使之满足脉冲功率源的要求,本文设计并研制了混合型超级电容器单元。它将电解电容器的阳极和超级电容器的阴极结合,所以同时具有电解电容器和超级电容器的优点,从本质上提高了超级电容器的工作电压,进一步提高了储能密度。实验结果表明,该单元工作电压可达到100V以上,最大储能密度和功率密度分别为0.37J/g、8250W/g。在此单元基础上,进一步设计了由100只混合型超级电容器单元并联构成的储能模块。通过仿真分析,验证了储能单元的放电性能可以满足大电流快速充放电的要求。当该模块向0.38 mΩ/10 mH的电感性负载放电时,放电电流可以达到2kA,放电功率达200KW。在此仿真结果的基础上,制备出性能参数为0.06F/3mΩ/0.3kJ的超级电容器储能模块样品,并进行了实验研究。测试结果表明由混合型超级电容器单元组成的储能装置可以满足脉冲功率系统的要求。 二氧化钌是目前所有超级电容器电极材料中性能最好的材料,但其有限的资源和昂贵的价格限制了它更广泛的使用。本文通过在二氧化钌中掺入其它材料和利用微波法改良二氧化钌性能两种方法达到提高二氧化钌的性能和利用率、减少其用量的目的。根据国际研究前沿,选择了二氧化钌、二氧化锰和活性炭材料,制成不同比例的复合电极,并对其性能进行了测试和分析。结果表明当电极材料中二氧化钌、二氧化锰和活性炭的质量比各占20%、20%和60%时,其性能价格比最合适。通过微波加热的方法改进了Sol-gel法制取RuO2·xH2O,制取了具有良好性能的RuO2·xH2O电极材料,并通过实验确定微波加热时间的工艺参数。实验表明,当微波炉中档输出(功率为972W)、微波加热时间为8分钟时,制取的RuO2·xH2O性能最佳。该电极的比电容可达806F/g,内阻为0.41Ω,最大功率密度和能量密度分别为1.785kW/kg、29.09Wh/kg。 为了满足超级电容器大电流充放电的实验研究,设计并制作了基于PIC单片机控制的恒流测试系统,通过实际混合型超级电容器单元的充放电实验,进一步验证了测试系统的可操作性和恒流输出的稳定性,可用于超级电容器的大电流循环充放电测试。 本论文的研究工作得到国家自然科学基金资助(No.50577075)。
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