超级电容器的开发利用
信息检索与应用实习报告
题目：超级电容器的开发利用
班级: 自动化班
学号: 07050104
姓名:
成绩:
辽宁工程技术大学基础教学部
超级电容器的开发利用
电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛（125105）
E-mail：qiu5025034@qq.com" qiu@qq.com (手机号)
摘要: 超级电容器是近年来发展起来的一种新型的储能装置, 具有功率密度高、寿命长、使用温度宽及充电迅速等优异特性, 对其的研究及应用也日益活跃。本文介绍了超级电容器的原理和分类, 以及近年来超级电容器的发展和商业化进程。同时, 也介绍了超级电容器的应用情况。随着电动车研究的兴起, 超级电容器重要的研究方向之一是将其与高比能量的蓄电池连用, 在车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率, 达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。纳米碳材料的出现和发展为超级电容器电极材料研究提供了新的发展方向,将给超级电容器性能提高提供广阔的发展思路和空间。
关键词: 超级电容器; 电化学电容器; 电动车; 高比功率
1引言
超级电容器也称电化学电容器, 它具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能, 因其存储能量大, 质量轻, 可多次充放电而成为一种新型的储能装置, 近年来受到科学研究人员的广泛重视。随着环保型电动汽车研究的兴起和发展, 超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电池, 应用于电动汽车的电源启动系统, 在车辆的起步、加速、制动过程中起到保护蓄电池和节能的作用, 或者直接作为电动车的电源。也可以为内燃机以及其它重型汽车发动机的启动系统提供瞬间的大电流。超级电容器在储存大量能量的时候电压较低,和蓄电池的电压比较匹配。由于超级电容器最大充放电性能由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制, 因此, 可在短时间内进行电荷的转移, 因此可得到更高放电比功率( 可大于500W·kg - 1) ; 同时, 由于电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的活性物质的相应变化, 因此
它具有很好的循环寿命(可大于105 次循环) 。
2 概述
超级电容器由于具备高比功率、长循环寿命等优势, 目前已应用于计算机备用电源、信号灯电源及与燃料电池、镍氢电池等动力电池复合作为电动汽车的动力电源。随着电动车研究的兴起, 超级电容器重要的研究方向之一是将其与高比能量的蓄电池连用, 在车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率, 在车辆正常行驶时则由蓄电池充电或由车辆刹车时所产生的电能充电, 减少汽车对蓄电池大电流放电的要求, 达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。
3 超级电容器分类
按采用的电极不同, 超级电容器可分为以下几种: (1) 碳电极电容器; (2) 贵金属氧化物电极电容器; (3) 导电聚合物电容器。
按储存电能的机理不同, 超级电容器可分为两种类型: 一种是“双电层电容器”, 其电容的产生主要基于电极P电解液上电荷分离所产生的双电层电容, 如碳电极电容器; 另一种则被称为“法拉第准电容”, 由贵金属和贵金属氧化物电极等组成,其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积, 或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容,该类电容的产生机制与双电层电容不同, 并伴随电荷传递过程的发生, 通常具有更大的比电容。
根据超级电容器的结构及电极上发生反应的不同, 又可分为对称型和非对称型。如果两个电极的组成相同且电极反应相同, 反应方向相反, 则被称为对称型。碳电极双电层电容器, 贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两电极组成不同或反应不同, 则被称为非对称型, 由可以进行n 型和p 型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器, 其性能表现形式更接近蓄电池, 表现出更高的比能量和比功率。
超级电容器的最大可用电压由电解质的分解电压所决定。电解质可以是水溶液(如强酸或强碱溶液) 也可是有机溶液(如盐的质子惰性溶剂溶液) 。用水溶液体系可获得高容量及高比功率(因为水溶液电解质电阻较非水溶液电解质低, 水溶液电解质电导为10 - 1～10 - 2 S·cm- 1 , 而非水溶液体系电导则为10 - 3～10 - 4 S·cm- 1) ; 选用有机溶液体系则可获得高电压(因为其电解质分解电压比水溶液的高, 有机溶液分解电压约3. 5 V , 水溶液则为1. 2 V) , 从而也可获得高的比能量。
3. 1 碳电极电容器
碳电极电容器的研究历史较长。1962 年, 标准石油公司(SOHIO) 认识到燃料电池中石墨电极表面双层电容的巨大利用价值, 并生产出了工作电压为6V 的以碳材料作为电极的电容器。电容器的大小和汽车蓄电池的大小差不多, 可以驱动小舟在湖面上行驶十分钟左右。稍后, 这项技术转让给了日本NEC 电气公司, 该公司从1979 年开始一直生产超级电容器, 并将这项技术应用于电动汽车的电池启动系统, 开始了电化学电容器的大规模的商业应用。几乎与此同时, 日本松下公司设计了以活性炭为电极材料, 以有机溶液为电解质的超级电容器。
碳电极电容器其电容的大小和电极的极化电位及电极比表面积大小有关, 故可以通过极化电位的升高和增大电极比表面积达到提高电容大小的目的。电极P电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15～40μF·cm- 2 。选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。对理想可极化体系而言, 可通过无限提高充电电压而大量储存能量。但是, 对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制, 可通过加大电极比表面积来增加电容值。电容C 可由下式给出C =ε·ε0Ad式中: ε0 为自由空间的绝对介电常数, ε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域的相对介电常数, A 为电极表面积, d 为导体与内赫姆霍兹面之间的距离。制作实用超级电容器最有效的方法是选用各种规格类型的碳粉末。例如, 可以在800～1100 ℃分解酚醛树脂来制作实用的碳电极, 按这种工艺其活性表面积(即上式中的A ) 可以增加到原来的250 倍, 其它类型碳电极可用碳P金属混合纤维烧结制成, 这可使电极既具有高表面积而电阻又较低, 从而使电极既具有高的容量的同时又具有高功率。双电层超级电容器采用的碳电极表面积目前可达到1000～2000 m2·g - 1 。近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布, 并开发出许多不同类型的碳材料, 主要有: 活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。
3. 2 贵金属氧化物电极电容器
对贵金属氧化物电极电容器的研究, 主要采用RuO2 , IrO2等贵金属氧化物作为电极材料。由于RuO2 电极的导电性比碳电极好, 电极在硫酸中稳定, 可以获得更高的比能量, 制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能, 因此具有很好的发展前景, 但是, 由于贵金属的资源有限、价格昂贵限制了它的使用。以RuO2·nH2O 无定型水合物作电极, 5. 3 mol ·L - 1 H2SO4 作电解液所制得的电容器比电容能达到700 F·g - 1 ; 而以无定型水合物MnO2·nH2O 作电极, 2 mol·L - 1 KCl 水溶液作电解液所制得的电容器比电容也可达到200 F·g - 1 。但比较而言, 因为在中性KCl 水溶液中材料比较稳定, 不发生化学副反应, 以KCl 水溶液作电解液适用于多种电极材料。以RuO2 作为电极材料的研究主要集中在电极制备方法上。RuO2 的制备主要采用热分解氧化RuCl3·xH2O 的水溶液或者乙醇溶液(温度300～800 ℃) 。为提高电极的比表面, 采取了在粗糙的基体材料上或在高比表面的碳纤维表面上制备RuO2 , 制备二元金属氧化物或在低温下制备电极等方法。也可用浓胶法制备无定型水合RuO2 电极材料, 加入粘结剂制备电极, 所制电极活性物质的比电容为720 F·g - 1 , 比上述方法制得电极的比电容高出2 倍。用热分解氧化方法制备的电极活性物质RuO2 不含结晶水, 所得电极比电容量比理论值小得多。而用新方法制备的含水活性物质RuO2 ·2H20 , H+ 很容易在体相中传输, 其体相中的Ru4 +也能起作用, 从而大大提高了电极的比电容。运用这种方法制备的电容器其循环寿命充放电性能等也相当好, 从而认为无定型水合RuO2 是很好的活性物质形态。据报道, 低成本、高比表面的R2Mo2N 作为一种新型电极材料, 在碱性电解液中可获得125 F·g - 1的比电容及0. 7 V 的开路电压。
3. 3 导电聚合物电极电容器
导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器, 具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。可通过设计选择相应聚合物的结构, 进一步优选提高聚合物的性能, 从而提高电容器的性能。导电聚合物电极电容器可分为3 种类型: (1)对称结构———电容器中两电极为相同的可p 型掺杂的导电聚合物(如聚噻吩) ; (2) 不对称结构———两电极为不同的可进行p 型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩) ; (3) 导电聚合物可以进行p 型和n 型掺杂, 充电时电容器的一个电极是n 型掺杂状态而另一个电极是p 型掺杂状态, 放电后都是去掺杂状态, 这种导电聚合物电极电容器可提高电容电压到3 V , 而两电极的聚合物分别为n 型掺杂和p 型掺杂时, 电容器在充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子, 结果它具有很类似蓄电池的放电特征, 因此被认为是最有发展前景的电化学电容器。研究工作主要集中在寻找具有优良掺杂性能的导电聚合物, 提高聚合物电极的放电性能, 循环寿命和热稳定性等方面。聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等导电聚合物是最早应用于制备电极的导电聚合物, 但它们掺杂后电压过大或者循环性能不好而限制了它们的应用。Rudge 等报道了用芳基在噻吩的三号位进行取代反应制得其衍生物,用电化学聚合法在重量轻而多孔的碳纸上制取导电聚合物PEPT 膜[聚23 (42氟2苯基) 噻吩] , 由于在充电时电子可从聚噻吩的骨架上转移到取代芳基上, 从而提高其n 型掺杂性。同时, 制备了一种新型电解质Me4NCF3SO3 (Me : 甲基) , 以乙腈作为溶剂, 这样可增加电解液的导电性和电极的反应性能。研究表明: 当电极膜的厚度超时10μm 时具有比其它聚合物更好的电性能, 两电极活性物质比功率都可达3. 5 kW·kg - 1 。
4 建议
目前, 超级电容器的研究主要围绕碳材料展开, 但是制备的电容器比能量很低, 而且性能有待进一步提高。纳米碳材料的出现和发展为超级电容器电极材料研究提供了新的发展方向, 将给超级电容器性能提高提供广阔的发展思路和空间。
参考文献:
[1 ] 林克芝, 徐艳辉, 任 伟, 等. 碳纳米管电化学储能的研究进展[J ] . 电源技术, 2002 , 26 (4) : 314.
由于碳纳米管的特殊结构导致独特的物理化学性质，使得它在各个领域的应用引起多方面重视。根据国内外碳纳米管开发利用现状，总结了近年来各种不同规格碳的研究进展；指出了各方面研究发现的问题，如电纳米管在电化学储氢、电化学储锂、电化学电容器等电化学储能方面化学储锂的电压滞后，不可逆容量较大，电化学储氢时氢在碳纳米管中的存在状态难以确定等；今后的工作应从理论及实验两个方面来解决和解决这些问题。研究表明碳纳米管作为电化学电容顺电极将是今后应用的主要方向。
[2 ] 张丹丹, 姚宗干. 大容量高储能密度电化学电容器的研究进展[J ] . 电子元件与材料, 1999 , 19 (1) : 34.
综述了大容量，高储能密度的新型电容器－电化学电容器的原理，结构，特点及国内外的研究进展，目前，已有电化学电容器用于计算机备用电源，信号灯需要大电流充放电的电源系统。
[3 ] 马仁志, 魏秉庆, 徐才录, 等. 应用于超级电容器的碳纳米管电极的几个特点[J ] . 清华大学学报(自然科学版) , 2000 , (8) : 7.
为拓展碳纳米管的实际应用 ,对碳纳米管应用于超级电容器的电极材料的特点作了深入分析。碳纳米管电极具有独特的孔隙结构和高比表面积利用率 ;碳纳米管表面可以形成丰富的官能团 ,具有较好的吸附特性。此外 ,作者提出了采用酸处理或球磨工艺打断碳纳米管、提高其内腔利用率的方法。可以预料 ,碳纳米管在这一领域将得到广泛应用
[4 ] 刘志祥, 张密林, 闪 星, 等. [J ] . 电源技术, 2001 , 25 (5) : 354.千法级超级电容器的制备
电化学超级电容器是一种介于电池和静电电容之间的新型储能元件，具有功率密度比电池高，能量密度比静电电容高的优点，被认为是一种高效、实用的新型能源。利用超级电容和电池组成混合动力系统，能够很好地满足电动汽车启动、加速等高功率密度输出场合的需要。另外，超级电容还可以应用于很多领域，例如：燃料电池、移动电话、微机电路元件、小型用电器电源和直流开关电源等。活性炭因其低廉的价格、良好的性能及长久的循环寿命等优点，被用作电容器电极的活性材料。近年来碳基超级电容器已经成为研究的热点，国外已经有活性炭超级电容器产品运用在电动汽车上，因此开展超级电容器的研究对促进我国电动汽车事业的发展具有重大意义。 根据储能原理，超级电容器可分为双电层电容、法拉第准电容和混合电容三种类型。实验中采用了循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗及等效电路模拟分析等测试方法，对双电层电容器的电极制作工艺及其优化、电解质溶液的选取、电容器的组装及放大和酚醛树脂基活性炭材料的制备等问题展开了一系列研究。 实验验证，活性炭电极在浓度为1mol／L的LiPF_6／EC+DMC溶液中具有良好的电容性能。重点研究了碳电极的制作工艺，考察了各个工艺条件对碳电极性能的影响，得出最佳的工艺条件并对电容器进行优化，优化后的电容器单体比容量达到31.78F／g，电压达到3V，等效串联内阻为0.12Ω，循环5000次后，比容量衰减1.26％，此时电容器的漏电流为1.5mA。 以银丝(Ag)为参比电极，考察活性炭单电极在有机电解液中的电化学性能，结果显示，碳基电容器的正负极在相同的电极载碳量时，比容量分别达到72.23F／g、143.83F／g，调整正负电极活性炭质量比为2：1后，组装的电容器单体比容量达到33F／g，比调整前提高3.83％，循环5000次后，衰减仅为0.9％。 成功地制备了千法拉级超大容量电容器，总电容量达到1161.95F。 以NaOH作为活化剂，酚醛树脂为原料，研究了制备活性炭的工艺过程，结果显示，电容器的比容量达到了35.68F／g，比原有活性炭材料的比容量提高了8.12％。
检索总结
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信息检索的步骤大致如下：分析课题、选择检索工具、确定检索途径、选择检索方法、查找文献线索、索取原始文献。
一、分析课题
1、分析课题所需的文献类型
2、确定研究课题所需的文献类型
确定研究课题所需的文献类型，方便进行侧重查找。
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二、选择检索工具
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三、确定检索途径
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1、分类途径
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2、主题途径
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3、著者途径
是指通过已知著者（个人著者、团体著者）的名称来检索文献的途径。大多数检索工具都编有著者索引。
四、选择检索方法
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1、倒查法
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五、查找文献线索
使用主题途径、题名途径和著者途径获得文献线索，比较简便快捷；使用分类途径获得文献检索，则需要在该课题所属的类号和类目下逐条查找。
六、查找原始文献
查找原始文献是文献检索的最终目的。根据检索到的文献线索，利用各种类型的馆藏目录，可查到文献原文（包括期刊和书籍等）。
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