1、毕业设计（论文）题 目： 超级电容器电极材料的研究进展学 院： 金属材料工程专业名称： 金属防腐工程班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二 O 一三 年 六 月 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家
2、有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名： 日期：导师签名： 日期：超级电容器电极材料的研究进展学生姓名： 班级：090126指导老师：摘要：超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池之间的一种新型储能元件,它具有很高的放电功率、法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围、极长的使用寿命、免维护、经济环保等优点。其中电极材料的性质和电解液的类型是影响超级电容器性能的关键因素。如何提高电容器的电容值和能量密度是人们研究的重点。本论文
3、分别合成了具有不同空间结构的中孔炭材料和空心炭球，并将其应用于电极材料，期望从不同角度理解电极材料的微结构与超级电容器的电化学行为之间的关系；在此基础上进一步将中孔炭与二氧化锰掺杂构造锰炭复合电极材料，以期通过赝电容效应提高超级电容器的比电容值。为探讨不同形貌炭材料对超级电容器电极材料的影响，论文以二羟基苯甲酸和甲醛为原料，在醇溶剂中通过自组装法一步合成聚合物球，并在惰性气氛一F炭化得到颗粒尺寸不同，高比表面积的微纳米级炭球。将聚合物球与Fe“溶液进行离子交换，在惰性气氛下炭化可得到具有石墨化结构的炭球。经电化学测试发现炭球具有的微孔率越高，比表面积越大，材料的电化学性能越好。并且本论文还介绍
4、了超级电容器的发展状况、原理、应用及特点,归纳了超级电容器电极材料的研究进展.关键词： 超级电容器；发展原理；应用综述指导老师签名： The research progress of super capacitor electrode materialsStudent name: Class:090126Supervisor:Abstract: Super capacitor is a cross between conventional capacitors and chemistry a new energy storage components between batteries, it
5、 has the very high discharge power, farah level of large capacity, high energy, wide working temperature range, very long service life, maintenance free, economic and environmental advantages. One of the nature of the electrode materials and electrolyte type is a key factor influencing the performan
6、ces of super capacitor. How to improve the capacitance of capacitor value and the energy density is a focus in the study of people. This paper synthesized respectively with different spatial structure of holes in the material and the hollow carbon ball, and applied to the electrode material, hope to
7、 understand from different angles of super capacitor electrode material microstructure and the electrochemical behavior of the relationship between; On the basis of the further in the holeKeyword： The super capacitor Development of the principle Application reviewSignature of Supervisor : 目 录引言 （绪论）
8、5第一章 超级电容器概述61.1 超级电容器的定义及特点61.2 超级电容器的发展71.3 超级电容器的分类81.4 超级电容器的结构101.4.1 超级电容器的基本结构单元101.4.2 超级电容器的组装131.4.3 超级电容器的结构设计13第二章 超级电容器的工作原理142.1 双电层电容器的工作原理142.2 法拉第赝电容器的工作原理172.3 超级电容器的性能指标及研究方法172.3.1 主要性能指标172.3.2 主要研究方法172.4 超级电容器的应用192.4.1 电子行业202.4.2 电动汽车与混合动力汽车212.4.3 太阳能与风力发电212.4.4 军事领域222.4.
9、5 工业领域22第三章 超级电容器电极材料233.1 碳材料243.1.1 碳材料的特点243.1.2 碳材料的制备方法253.1.3 碳材料微观结构对电容性能的影响263.2 金属氧化物材料283.2.1 氧化钌283.2.2 氧化锰303.2.3 氧化钴323.2.4 氧化镍323.3 导电聚合物材料333.3.1 聚苯胺类333.3.2 聚吡咯类353.3.3 聚噻吩类363.4 复合电极材料373.4.1 碳金属氧化物复合电极材料373.4.2 金属氧化物金属氧化物复合材料393.4.3 碳导电聚合物复合材料413.4.4 金属氧化物导电聚合物复合材料42第四章 总结44参考文献46致
10、谢词51引言（绪论）：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(Electrochemical capacitors)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
11、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
12、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
13、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。第一章 超级电容器概述1.1超级电容器的定义及特点超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性:.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电
14、极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过 1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了 3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。.充放电寿命很长，可达 500000次，或 90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过 1000次，.可以提供很高的放电电流（如 2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达 1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。.可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的
15、时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40- 70）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池多具有毒性。.等效串联电阻 ESR相对常规电容器大（10F/2.5V 的 ESR为 110m）。.可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。1.2 超级电容器的发展国内外发展现状:在超级电容器的研制上，目前主要倾向于液体电解质双电层电容器和复合电极材料/导电聚合物电化学超级电容器。国外超级电容器的发展情况如表 1所示 1 。在超级电容器的产业化上，最早是 1987年松下/ 三菱与 1980
16、年NEC/Tokin的产品。这些电容器标称 电压为 2.3 6 V， 电 容 从 1O-2 F至几 F，年产量数百万只。20 世纪 90年代,俄罗斯 Econd公司和 ELIT生产了 SC牌电化学电容器，其标称电压为 12 -450 V, 电容从 IF至几百 F，适合于需要大功率启动动力的场合。如今，日本松下、EPC0S、NEC，美国 Maxwell、Powerstor、Evans，法国 SAFT，澳大利亚 Cap -xx，韩国 NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃 2,3。总的来说,当前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场,实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容
17、器。一些双电层电容器产品的部分性能参数列于表 2。在我国，北京有色金属研究总院、锦州电力电容 器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京 理工大学、北京金正平公司、解放军防化院、哈尔滨巨 容公司、上海奥威公司等正在开展超级电容器的研究。2005 年，由中国科学院电工所承担的“863”项目 “可再生能源发电用超级电容器储能系统关键技术研 究”通过专家验收。该项目完成了用于光伏发电系统的 300 Wh/1 kW超级电容器储能系统的研究开发工作。另外,华北电力大学等有关课题组，正在研究将超级电容器储能（SCES)系统应用到分布式发电系统的配电网。但从整体来看，我国在超级电容器领域的研究与应用水
18、平明显落后于世界先进水平。公司名称 国家 技术基础 电解质 结构 规格Powerstor 美 国 凝 胶 碳 有 机 卷 绕 式 3 5 V， 7.5 FSkeleton 美 国 纳 米 碳 有 机 预 烧 结 碳 令 属 复 合 物 3-5 V,250 FMaxwell 美 国 复 合 碳 纤 维 有 机 铝 箔 、 碳 布 3 V,10002700FSuperfarad 瑞 典 复 合 碳 纤 维 有 机 碳 布 +粘 合 剂 、 多 单 元 40 V,250 FCap-xx 澳 大 利亚复 合 碳 颗 粒 有 机 卷 绕 式 、 碳 颗 粒 +粘 合 剂 3 V,120 FELIT 俄
19、罗 斯 复 合 碳 颗 粒 硫 酸 双 极 式 、 多 单 元 450 V,0.5 FNEC 日 本 复 合 碳 颗 粒 水 系 碳 布 +粘 合 剂 、 多 单 元 511 V,1 FPanasonic 日 本 复 合 碳 颗 粒 有 机 卷 绕 式 、 碳 颗 粒 +粘 合 剂 3 V,800- 2 000 FSAfT 法 国 复 合 麵 粒 有 机 卷 绕 式 、 碳 颗 粒 +粘 合 剂 3 V,130 FLos Alamos 美 国 导 电 聚 合 物 薄 膜 有 机 单 一 单 元 、 导 聚 合 物 薄 膜 2.8 V,0.8 F表 1.国外超级电容器技术现状表 2.双电层超级电
20、容器产品的部分性能参数使用中应注意的问题:在超级电容器的使用中，应注意以下问题:超 级电容器具有固定的极性，在使用前应确认极性。 超级电容器应在标称电压下使用。因为当电容器电压超过标称电压时会导致电解液分解，同时电容器会发热,容量下降，内阻增加，使其寿命缩短。由于 ESR的存在，超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中。当对超级电容器进行串联使用时,存在单体间的电压均衡问题 4。单纯的串联会导致某个或几个单体电容器因过压而损坏，从而影响其整体性能 5。Lab PFPT +碳 纸ESMA 俄 罗 斯 混 合 材 料 KOH 多 单 元 、 碳 +氧 化 镍 1.7V， 50_FEvans 美 国
21、 混 合 材 料 硫 酸 单 一 单 元 、 氧 化 钌 +锂 箔 28 V,0.02 FPinnacle 美 国 混 合 金 属 氧 化 物 硫 酸 双 极 式 、 多 单 元 、 氧 化 钌十 锂 箔15 V,125 FUS Aimv 美 国 混 合 金 属 氧 化 物 硫 酸 双 极 式 、 多 单 元 、 含 水 氧化 钌5 V,1 F公司名称 电极材料 电解液 能量密度/Wh -kg1功率密度/W kg-1FY 碳 H2SO4 0.33 FE 碳 H2SO4 0.01 Panasonic 碳 有机溶液 2.2 400Evans 碳 H2SO4 0.2 Maxwell -Auburn 复合碳/金属 KOH 1.2 800Maxwell -Auburn 复合碳/金属 有机溶液 7 2 000Iivemore National Laboratory碳(气凝胶） KOH I -Sandia National Laboratory 碳(合成） 水溶液 1.4 I 000
