炭基双电层电容器高电压特性的研究

发布时间：2017-09-16 08:26

  本文关键词：炭基双电层电容器高电压特性的研究

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【摘要】：双电层电容器由于功率密度大、稳定性好、循环寿命长等特点受到广泛关注。但是其能量密度较低,限制了其在实际生产中的大规模应用,因此,提高双电层电容器的能量密度是目前面临的重要课题。为获得高能量密度,电极材料不仅应具有较高的比电容,还应有很好的耐高电压特性。根据E=1/2CV2,提高操作电压,能量密度可获得平方倍的提高。活性炭材料由于其成本低、孔径可控、原料来源广等因素广泛应用于双电层电容器的电极材料。本文以商品用活性炭作为电极材料,研究从两方面入手来提高双电层电容器的工作电压。一是首次研究了不同温度氢气还原对活性炭的性能影响,从而寻找最优的处理温度来提高双电层电容器的工作电压;二是首次在有机电解液中详细的对比了不同正负极质量配比对电容器性能的影响,优化正负极质量配比,从而提高双电层电容器的工作电压。对活性炭材料进行不同温度的氢气气氛下高温处理,并通过多种表征手段对其结构和表面特性的变化进行了分析。结果表明表面形貌变化微小,在600℃处理的活性炭样品比表面积和孔体积有所提高,而经过高温处理的样品比表面积和孔体积都有所降低,表面官能团均有很大的降低。活性炭材料作为活性物质组装成电容器,600℃处理的样品具有较高的容量,很好的稳定性和较高的能量密度,表现出最优的电化学性能。电压为3.0 V时能量密度达到了19.5 Wh/kg,而未经过处理的样品仅仅为16.2 Wh/kg。因此,在氢气气氛下对活性炭材料进行高温处理是提高电容器在高电压下循环寿命和能量密度的有效途径。通过组装正负极质量配比分别为0.6:1,0.8:1,1:1,1.2:1,1.4:1的电容器,发现质量配比为1.2:1时能够提高双电层电容器的各项电化学性能。在10 A/g的大电流充放电时,2.7 V的容量保持率为76.4%,3.0 V时为68.4%,3.25 V时为59.4%,均为最高的容量保持率。通过三电极测试,可以清晰的看出正负极在充放电过程中所提供的电位存在不对称行为,从而为不同质量配比的电化学性能差异提供了很好的解释。因此,可以得出结论,通过调配质量配比,能够实现双电层电容器电化学性能的提升。
【关键词】：双电层电容器 活性炭 耐高电压特性 氢气还原 正负极质量配比
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ424.1;TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 第一章 文献综述9-26
• 1.1 引言9
• 1.2 电化学电容器的简介9-10
• 1.3 电化学电容器的工作原理10-15
• 1.3.1 双电层电容器的工作原理11-13
• 1.3.2 赝电容电容器的工作原理13-14
• 1.3.3 混合型电容器的工作原理14-15
• 1.4 双电层电容器电极材料的研究进展15-21
• 1.4.1 炭基EDLCs电极材料的种类及研究现状16-19
• 1.4.2 炭基EDLCs电极材料的表面有机官能团19-21
• 1.5 双电层电容器电解液的研究进展21-23
• 1.5.1 水系电解液21-22
• 1.5.2 有机电解液22
• 1.5.3 离子液体22-23
• 1.5.4 聚合物电解液23
• 1.6 双电层电容器应用及市场现状23-24
• 1.7 选题依据与研究内容24-26
• 第二章 实验药品及表征方法26-34
• 2.1 原料和试剂26-27
• 2.1.1 原料的来源及性质26
• 2.1.2 化学试剂26-27
• 2.2 实验仪器和设备设备27-28
• 2.3 材料的表征方法28-30
• 2.3.1 场发射扫描电子显微镜（FESEM）28
• 2.3.2 能量色散X射线荧光光谱（EDX）28
• 2.3.3 高倍透射电子显微镜（HRTEM）28-29
• 2.3.4 拉曼光谱测试（Raman）29
• 2.3.5 比表面积和孔径分布测试（BET）29-30
• 2.3.6 元素分析（EA）30
• 2.3.7 光电子能谱分析（XPS）30
• 2.3.8 红外光谱分析(FTIR)30
• 2.4 双电层电容器的组装30-32
• 2.4.1 对称双电层电容器的组装30-31
• 2.4.2 正负极质量非对称双电层电容器的组装31
• 2.4.3 三电极测试装置组装31-32
• 2.5 电化学性能测试32-34
• 第三章 氢气还原温度对活性炭结构及电化学性能的影响34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 样品的制备34-35
• 3.3 活性炭的形貌和结构特征35-38
• 3.3.1 活性炭的形貌特征35-36
• 3.3.2 活性炭的结构特征36-38
• 3.4 活性炭表面官能团的变化38-41
• 3.4.1 元素分析38
• 3.4.2 表面官能团38-41
• 3.5 活性炭电化学性能的研究41-46
• 3.5.1 恒流充放电测试41-42
• 3.5.2 循环伏安测试42-43
• 3.5.3 循环性能测试43-44
• 3.5.4 Ragone曲线44-45
• 3.5.5 高操作电压对电极的影响45-46
• 3.6 本章小结46-48
• 第四章 正负极质量配比对双电层电容器电化学性能的影响48-59
• 4.1 引言48
• 4.2 原料的形貌和结构特性48-50
• 4.3 电化学性能的测试50-57
• 4.3.1 恒流充放电测试50-53
• 4.3.2 循环伏安测试53-54
• 4.3.3 循环性能测试54-55
• 4.3.4 Ragone曲线55-56
• 4.3.5 三电极测试56-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 结论与展望59-61
• 5.1 主要结论59-60
• 5.2 工作展望60-61
• 参考文献61-71
• 发表论文和参加科研情况说明71-72
• 致谢72-73

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本文编号：861948