超级电容器的制备及性能研究

能源战略是可持续发展的重要课题之一,而储能器件是能源战略中的重要组成部分。超级电容器作为一种新型的绿色储能器件,在新能源技术、电能武器和电动汽车等领域有着广阔的应用前景。本文针对超级电容器的电极材料制备、电气结构设计、电气性能、工作热行为及测试系统开展了系列研究。 电极材料的性能决定超级电容器的储能特性,因此研究电极材料的制备方法是提高其储能特性的重要前提。在电极材料制备方法的研究中,以氢氧化钠为沉淀剂,硫酸镍为前驱体,提出了一种稀释法制备氢氧化镍(Ni(OH)2)。此方法通过控制沉淀剂析出的浓度,即控制隔离稀释区石英砂的厚度和主反应室的加热温度,来控制反应速度,通过优化实验,石英砂厚度控制在2cm,主反应室加热温度控制在115℃。X射线衍射(XRD)表明该材料为纯相α-Ni(OH)2,在扫描电子显微镜(SEM)下显示Ni(OH)2呈现出鳞片状的形貌。经恒流充放电测试,在电流为10mA时,初次充放电比容量为1000F/g,达到200次循环后容量稳定于930F/g(容量保持在93%以上)。实验研究表明氢氧化镍具有高比容量和良好的容量保持率。以上述氢氧化镍为基础,进一步用管式炉在N2保护下300℃加热3h制备了氧化镍(NiO),实验研究表明氧化镍同样具有高比容量和良好的容量保持率。由于镍的化合物性能不稳定,而性能稳定且易制取的电极材料才符合实用化的要求。为此,以盐酸为催化剂,间苯二酚和甲醛为前躯体,三嵌段共聚物F127为模板剂,制备了有序介孔炭材料。XRD表明该材料晶形小,SEM显示其粒径约为10gm,在透射电子显微镜(TEM)下显示其碳壁约为10nm,呈现有序孔状结构。经恒流充放电测试,在电流为10mA时,初次充放电比容量为125F/g,达到450次循环后容量稳定于113F/g(容量保持在90.5%以上),表明该电极材料具有良好的电化学性能。 为了提高超级电容器的储能特性,分别对堆叠式和卷绕式结构进行了研究。堆叠式超级电容器是以Ta/Ta2O5为阳极,有序介孔炭材料为阴极,阴极材料的配比(质量比)是有序介孔炭：石墨：聚四氟乙烯为85：10：5,3mol/L的氢氧化钾为电解液,采用两极不对称式结构,内部采用3个单元并联的形式。超级电容器样品的直径为35mm,高度为15mm,工作电压为100V,电容值为5.1mF,内阻值为0.45Ω。卷绕式超级电容器是以有序介孔炭为电极材料,采用两极对称式结构,通过优化电解液配比,选用有机电解液为1.5mol/L的Et4NBF4/AN,超级电容器样品的直径为11mm,高度为22mm,工作电压为2.7V,电容值为12.38F,内阻值为0.03Ω。 热行为是超级电容器应用中的重要信息。针对超级电容器在大电流循环充放电过程中的温度变化和内部温度场的分布规律问题,分别以堆叠式和卷绕式超级电容器为研究对象,建立有限元模型,对其工作过程的热行为变化规律进行分析,并结合实验研究进一步验证。仿真和实验结果表明：堆叠式超级电容器在3A循环充放电测试中,电容内部最高温度在循环30次时升至37.5℃,随后温度趋于稳定。当充放电电流为5A时,最高温度达到53.2℃,可见电容内部最高温度随充放电电流的增大而急剧升高；卷绕式超级电容器在2A循环充放电测试中,在循环35次时电容内部温度升至42.5℃,随后温度趋于稳定。当充放电电流为4A时,其最高温度达到60℃。进一步建立多孔等效电路模型,深入研究温度变化对超级电容器储能特性的影响,通过仿真分析和实验研究讨论了不同温度梯度下,阻抗性能和自放电性能的变化规律。 为了解决现有测试设备电流小和功率低的问题,设计了一种恒流充放电和恒功率放电测试系统,以完善超级电容器的实验研究手段。该系统以Buck-Boost变换器为主电路,DSP为控制核心,通过电压和电流的双闭环控制实现恒流充放电和恒功率放电。其电压测试范围为0～100V,电流测试范围为100mA～10A,精度为0.9%,恒功率测试范围为0～500W。