大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，．本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文题目：垄塑垫丝薹堡兰型鱼查趔哈叠超出乏垄堕型么色牡０率作者签名：２兰匡２迸—二一日期：二坦阜年?互月上互日人连理Ｉ：人学硕十学位论文己ＩＪｌ害目伴随着人口的急剧增长和社会经济的快速发展，资源和能源同渐枯竭，生态环境同益恶化，为满足消费者的使用需求和环保要求，人们对动力电源系统提出了以下要求：性能优良、寿命长、价格低廉、应用范围广泛等。此外，随着人类科学技术的不断进步，对地球环境的保护也受到公众的同益关注，因此，人类社会正在抓紧对新能源的开发，储能设备的新应用领域也在不断扩大。近几年出现的电化学电容器（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃａｐａｃｉｔｏｒｓ）也称超级电容器（Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ），它兼有物理电容器和电池的特性，能提供比物理电容器更高的能量密度，比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命，并且这种电容器己在工业领域实现产业化和实际应用。如在考虑到环保需要而设计开发的电动汽车和复合电动汽车的动力系统中，若单独使用电池将无法满足动力系统的要求，然而将高功率密度电化学电容器与高能量密度电池并联组成的混合电源系统既满足了高功率密度的需要，又满足了高能量回收的需要。高能量密度、高功率密度的电化学电容器正在成为人们研究的热点。目前用于超级电容器的电极材料主要有：炭材料，过渡金属氧化物和导电聚合物。炭材料因其具有高比表面积、高的热稳定性、可控的孔径分布、耐腐蚀、价廉易得等特点被广泛的用作超级电容器的电极材料。而氧化锰因其价廉低毒，能够提供高的赝电容值以及对环境友好等特点，近年来也受到广大科学工作者的青睐。经过大量的研究发现，影响超级电容器电化学性能的主要因素为：电极材料和电解液。其中电极材料的比表面积、孔径分布、表面官能团以及微孔和中孔的比例是影响材料电化学性能的主要因素。国内外科研人员已经在这方面做了很多研究，他们认为电容值与电极材料的比表面积呈线性关系，但是这一结论并不是在所有的情况下都成立，还应考虑到其它因素的影Ⅱ向。然而对于孔深度、孔的空Ｉ’日Ｊ构型以及掺炭量对电极材料电化学性能影响的报道并不是很多，因此对这些影响因素进行研究，并制备出～种具有高比表面积、可控的孔径分布，且能表现出良好的电化学行为的电极材料已成为当今电容器发展的需求，并且可以为人们在选择电极材料过程中提供一个很好的参考。所以超级电容器电极材料的制各及优化是一项很有意义的研究工作。超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究１１．１文献综述超级电容器的原理及结构由于气候的变化和石油的同益缩减，要求社会转向可持续和可再生资源的开发和利用。因此，人们从太阳能、风能获得可再生资源，并丌发具有二氧化炭气体排放量低的电动汽车或混合电动汽车。然而太阳在夜间的能量很小，风能也不能满足人们的要求，人们都期望汽车能自动行驶几个小时。由此可见，能量的储备系统开始在人们的生活中起着重要的作用【１１。当今社会最前沿的电能存储器要属电池和电化学电容器。由于电化学电容器较电池来说，具有充放电速度快，寿命长，对环境友好等特点，因此受到国内外科学家的广泛关注。印鲥ｌｉｃＭ付ＩＶｍ图１．１Ｆｉｇ．１．１ｋ口‘’Ｉ各种Ｌ乜能储能原什的比功率羽Ｉ比能苗的关系图ａＳｐｅｃｉｆｉｃｐｏｗｅｒａｇａｉｎｓｔｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙ，ａｌｓｏｃａｌｌｅｄｖａｒｉｏｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｄｅｖｉｃｅｓｒａｇｏｎｅｐｌｏｔ，ｆｏｒ图１．１为比能量和比功率的Ｒａｇｏｎ图…。山图可知，电化学电容器正好填补了电池与传统电容器之间的空缺，如电解电容器或金属薄膜电容器。无论从比能量还是从比功率来看，这个空缺都跨越了很大…个数量级。电池和低温燃料电池是典型的低功率装置，而传统电容器在很低的能颦：密度Ｆ具有的功率＞１０６Ｗ．ｄｍ一。因此，当电化学电容器与电池或传统Ｉ乜容器复合使川时，ｕＪ．以通过提高功率密度末改善电池的性能，通过提高能量人迓理ｆ：人学硕十学何论文密度束提高传统电容器的性能。这一特点使得超级电容器成为通用的独一无二的能源供给设备，或者与电池结合形成混合系统。另外，由于超级电容器内没有电化学反应，使得超级电容器的寿命比电池长很多。然而，发展至今，超级电容器低性能是首要解决的问题。为使生产超级电容器的技术市场化，如何提高功率密度和能量密度成为当今首要解决的问题。这为研究和发展新型的超级电容器电极材料提供了前所未有的机会。由于储能机理的不同，人们将超级电容器分为：（１）基于高比表面积电极材料与溶液问界面双电层原理的双电层电容器；（２）基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容器（Ｐｓｅｕｄ．ｃａｐａｃｉｔｏｒ）１２ｌ。赝电容与双电层电容的形成机理不同，但并不相互排斥。大比表面积准电容电极的充放电过程会形成双电层电容，双电层电容电极（如多孔炭）的充放电过程往往伴随有赝电容氧化还原过程发生，实际的电化学电容通常是两者共存的宏观体现，要确认的只是何者占主要的问题。实践过程中，人们为了达到提高电容器的性能，降低成本的目的，经常将赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合使用，制成所谓的混合电化学电容器。混合电化学电容器可分为两类，一类是电容器的一个电极采用赝电容电极材料，另一个电极采用双电层电容电极材料，制成不对称电容器，这样可以拓宽电容器的使用电压范围，提高能量密度；另一类是赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合组成复合电极，制备对称电容器。１．１．１超级电容器的基本原理（１）双电层电容器一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产尘的电容称为双电层电容。双电层是由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板一样。Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ首次提出此模型１３Ｊ。如图１．２所示。能量足以Ｆ乜荷的形式存储在电极材料的界面。充电时，电子通过外加电源从『Ｆ极流向负极，同时，正负离子从溶液体相中分离并分别移动到电极表面，形成双电层；充电结束后，电极上的．一负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使舣电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，ｊＦ负离子从电极表恧被释放进入溶液体相呈电中性。超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究Ｉｏｎｐｅｒｍｅａｂｌｅｓｏｐａｒａｌｏｒｏｌ＇ｅＣｕｒｒｉｍｌＣｏｌＩｅｃｔｏ●。蠢Ｉ竺号Ｉ?ＣａｒｂｏｎｗｉｔｌｌａｎＩｎ球ｅ暑??Ｉｅ?ｃｏｎｔａｃｌｅｌｅｃｌｒｏｂ，ｔｅ＾岫?；ｅＣＩｅＩ?ｅＥｌｅｏｌｒｏｂ／ｔｅＩｏｎｓ』江上与ｌＦｉｇ．１．２＆ｍ翻讯鲥ｅｂｃ州略Ｃｌｒｃｕｔｌ图１．２双电层电容器Ｔ作原理Ｗｏｒｋｉｎｇｔｈｅｏｒｙｏｆｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ对于一个对称的电容器（相同的电极材料），电容值为：上。上＋上一Ｉ一＋一ｃｃｄｔＣ１ｃ２（１．１）１．１，ＬＣ。和Ｃ２分别为两个电极的电容值Ｉ引。单电极的电容计算公式（１．２）：ｃｄＩ＝艺Ｅ。三ＣＶ２２（１．２）其中：￡为双电层中的介电常数，Ａ为电极的表面积，ｔ是双电层的厚度。双电层的能量及功率密度可通过式（１．３）（１．４）分别计算得到（Ｒ为等效电阻）：（１．３）ｔ。堡名ｘ。蒜（２）法拉第赝电容器（１．４）ｎ４’根据以上两个公式可知：电容器工作电压的增大可以显著地提高功率密度和能量密度。法拉第赝电容器也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的ｆ乜瓜随ｌ乜荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征，故称为“准电容”，是作为双电层型电容器的。种补充形式。法拉第准电容的充放Ｆｃｌ机理
超级电容器概述（重要） - 图文
