混合型超级电容器的相关理论和实验研究

【摘要】：超级电容器具有超大容量和高储能密度,作为一种新型储能元件,在电动车、电磁武器和不间断电源等方面的应用具有很大的潜力。在实用化进程中,尤其是推广到更广阔的脉冲功率技术的应用中,尚需解决它的工作电压低和内电阻大等问题。本论文就是以超级电容器的实用化为目标,以混合型超级电容器为研究对象,从电极材料和器件的结构研究入手,解决实用化中的理论与工艺等问题。通过理论分析和机理方面的进一步描述,获得提高性能参数的具体措施,推动超级电容器应用所带来的技术进步。 为了提高超级电容器的工作电压,本研究跟踪国外最新概念,采用电解电容器的阳极和电化学超级电容器的阴极,实现了混合型超级电容器的新结构。通过结构优化组合,构筑混合型超级电容器单元,并对组装的单元样品进行了性能测试,实验结果表明工作电压得到了实质性地提高。在此基础上进一步探讨改进混合型超级电容器的内部结构形式和物理尺寸,对电容器性能的影响,以此达到优化结构设计和提高电气性能的目的。优化后的混合型超级电容器内部采用多单元并联的连接形式,其性能参数如下:工作电压40V、电容量18.4mF、内电阻0.46Ω、储能密度1.13J/cm~3。在理论方面,建立了混合型超级电容器的等效电路模型,并利用等效电路方法解析了超级电容器的阻抗特性,该方法对了解电化学过程和确定电化学参数具有一定的意义。 电极的制备是超级电容器的关键技术之一。本研究采用Sol-gel法制备水合二氧化钌粉末,进一步制备二氧化钌/活性碳复合电极,并对各种不同配比的二氧化钌/活性碳复合电极的电化学性能和物理性能进行了实验研究,旨在确定复合电极材料的最佳配比。实验结果表明在二氧化钌中加入适量的活性炭,可以改善电极的阻抗特性,但将以降低电容量为代价。当二氧化钌含量为60%时,复合电极的比电容为457.3F/g,内阻为1.291Ω,是一种比较理想的超级电容器电极材料。为了改善电极的阻抗特性,探讨电极的多种制备技术,采用了热分解Ru(CO_2H_5)_3方法,在金属钽箔上制备RuO_2·xH_2O薄膜,得出材料的比电容为362F/g,内阻为1.08Ω,用它作为超级电容器的电极,可以满足快速充放电的要求。 在混合型超级电容器的机理研究方面,引入电荷传递理论、电极过程动力学和电磁场理论,系统地解释了在混合型超级电容器中电荷存储与释放的机理。通过描述电化学反应速度、反应电流密度和电场分布得出:电极电势决定反应电流密度;电场的分布与所选材料的性能参数、电极的厚度有关。通过调整隔离薄膜的介电常数、电极极板的厚度,可以缓解电容器内部局部场强过高的问题。该描述对解释超级电容器的工作机理、