【文章內(nèi)容簡介】 容器具有較小的尺寸，因此，它擁有不同尋常的儲(chǔ)存大量電 能的能力。此性質(zhì)對(duì)于混合工具上的自動(dòng)化應(yīng)用程序、電池電子工具的后備能源、風(fēng)力渦輪機(jī)的電子能量應(yīng)用程序有重大意義。然而由于人多數(shù)超級(jí) f乜容器都使用有機(jī)電解液，造成單位電容的價(jià)格很高，最初只應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，作潛艇或坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)動(dòng)力。近年來電極材料的比電容不斷提高，超級(jí)電容器逐漸走向民用。但是提高現(xiàn)有電極材料的比電容，研制在水相電解液中具有高能跫密度的超級(jí)電容器依然是研究者面臨的挑戰(zhàn)。只有攻克這一瓶頸問題，超級(jí)電容器才有可能在能最儲(chǔ)存領(lǐng)域占有不可或缺的位置。 小功率電子設(shè)備的后備電源、替換電源或主電源 1. 后備電源。 當(dāng)主電源中斷、由于振動(dòng)產(chǎn)生接觸不良或由于其他重載引起系統(tǒng)電壓降低時(shí)，超級(jí)電容器就能夠起后備電源作用。其電量通常在微安或毫安級(jí)。典型的應(yīng)用有：錄像機(jī)、 TV 衛(wèi)星接收器、汽車音頻系統(tǒng)、出租車的計(jì)量器、無線電波接收器、出租計(jì)費(fèi)器、鬧鐘、控制器、家用面包機(jī)、咖啡機(jī)、照相機(jī)和電視機(jī)、計(jì)數(shù)器、移動(dòng)電話、尋呼機(jī)等。 2. 替換電源。 由于超級(jí)電容器具有高充放電次數(shù)、壽命長、使用溫度范圍寬、循環(huán)效率高以及低自放電的特點(diǎn)，故很適合做替換電源。例如，白天太陽能提供電源并對(duì)超級(jí)電容器充電，晚上則由超級(jí)電容器 提供電源。典型的應(yīng)用有太陽能手表、路標(biāo)燈、公共汽車停車站時(shí)間表燈、交通信號(hào)燈等，它們能長時(shí)間使用，不需要任何維護(hù)。 3. 主電源。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 7 通過一個(gè)或幾個(gè)超級(jí)電容器釋放持續(xù)幾毫秒到幾秒的大電流。放電之后，超級(jí)電容器再由低功率的電源充電。其典型的應(yīng)用有玩具車，其體積小、重量輕，能很快跑動(dòng)。 電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車的動(dòng)力源有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池等。普通電池雖然能量密度高，行駛里程長，但是存在充電時(shí)間長、無法大電流充電、工作壽命短等不足。與之相比，超級(jí)電容器功率大，充電速度 快，輸出功率大，剎車再生能量回收效率高。由于超級(jí)電容器的壽命是普通化學(xué)電池的 100 倍以上且徹底免維護(hù)，使用超級(jí)電容器作為動(dòng)力源的城市交通電動(dòng)汽車綜合運(yùn)營成本大大低于采用電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車。目前世界各國都在開發(fā)電動(dòng)汽車，主要傾向是開發(fā)混合電動(dòng)汽車（ HEV），用電池為電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行提供能量，而加速和爬坡時(shí)可以由超級(jí)電容器來補(bǔ)充能量。另外，用超大容量電容器存儲(chǔ)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量。在電動(dòng)車輛行駛時(shí)，起步快，加速快，爬坡能力強(qiáng)。 可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)中，發(fā)電設(shè)備的輸出功率具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性的特點(diǎn)。采用超級(jí)電容器儲(chǔ)能，可以充分發(fā)揮其功率密度大、循環(huán)壽命長、儲(chǔ)能密度高、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，既可以單獨(dú)儲(chǔ)能，也可以與其他儲(chǔ)能裝置混合儲(chǔ)能。超級(jí)電容器與太陽能電池相結(jié)合，可以應(yīng)用于路燈、交通警示牌、交通標(biāo)志燈等。超級(jí)電容器還應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng)，可以對(duì)系統(tǒng)起到瞬間功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，并可以在發(fā)電中斷時(shí)作為備用電源，以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性。 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量緩沖器 超級(jí)電容器與功率變換器構(gòu)成能量的緩沖 器，可以用于電梯等變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)電梯上升時(shí)，能量緩沖器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流母線供電，提供電機(jī)所需的峰值功率；在電梯減速下降過程中，吸收電機(jī)通過變頻器向直流母線回饋的能量。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 8 軍事裝備領(lǐng)域 軍用裝備，尤其是野戰(zhàn)裝備，大多不能直接由公共電網(wǎng)供電，而需要配置發(fā)電設(shè)備及儲(chǔ)能裝置。軍用裝備對(duì)儲(chǔ)能單元的要求是可靠、輕便、隱蔽性強(qiáng)。采用超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能，可以大幅度減輕電臺(tái)等背負(fù)設(shè)備的重量；為軍用運(yùn)輸車、坦克車、裝甲車等解決車輛低溫啟動(dòng)困難的問題，還可提升車輛的動(dòng)力性和隱蔽性；解決常規(guī)潛艇中蓄電池失效快 、壽命短的問題；還可以為雷達(dá)、通信及電子對(duì)抗系統(tǒng)等提供峰值功率，以減小主供電電源的功率等級(jí)。 第三章 超級(jí)電容器的性能 超級(jí)電容器的電極材料 目前應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料有 3種：炭基材料、金屬氧化物材料和導(dǎo)電聚合物材料。炭基材料電化學(xué)電容器能量儲(chǔ)存的機(jī)理主要是靠炭表面附近形成的雙電層，因此通常稱為雙電層電容。而金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物主要靠氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的贗電容：在這里，我們主要介紹炭基材料及金屬氧化物材料。 1. 炭基電極材料 炭材料具有粉末、塊狀、纖維狀、布、氈等多種形態(tài)，具有以下獨(dú)特的物理和 化 學(xué)性質(zhì)，包括： (1)高電化學(xué)導(dǎo)電性 (2)高比表面積 (3000 m2． g1) (3)很好的防腐性能 (4)高熱穩(wěn)定性 (5)可控的孔結(jié)構(gòu) (6)可調(diào)的表面化學(xué)性質(zhì) (7)復(fù)合材料具有兼容性且易加工 (8)廉價(jià)易得 因?yàn)榫哂幸陨隙喾N形態(tài)及特點(diǎn)，炭材料被廣泛的用作超級(jí)電容器的電極材料。炭材料能在不同的溶液中 (從強(qiáng)酸到強(qiáng)堿 )保持化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定，并且能在較寬的溫度范圍下工作。通常電容值正比于電極材料的電化學(xué)活性面積和電解液的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 9 相對(duì)介電常數(shù)，而與所形成的雙電層厚度成反比。理論上，多孔炭材料的比表面積越大，比電 容越高。炭材料的多孔結(jié)構(gòu)決定了離子的傳輸，且孔道內(nèi)電解液離子的遷移率和 EDLC的性能密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)炭材料的電化學(xué)導(dǎo)電性嚴(yán)重影響電化學(xué)雙電層電容器的厚度。由炭材料表面上的官能團(tuán)決定的炭材料的表面濕度是影響電容器性能的另一個(gè)因素。在這些因素中，最重要的就是要達(dá)到比表面積積和直徑分布的一個(gè)平衡點(diǎn)。 1. 活性炭粉末 通常認(rèn)為比表面積越大，在電極和電解液表面積累電壓的能力就越高。眾所周知，微孔 (2 nm)在形成電化學(xué)雙電層的過程中起到很重要的吸附作用。然而，微孔對(duì)于電解液離子來說必須具有電化學(xué)兼容性，所以中孔 的出現(xiàn) (2 nmd50 nm)對(duì)于電荷在大范圍電極材料上的傳播起到重要的作用。因此，孔道的可用性和可濕性，以及適合電解液陰、陽離子傳輸?shù)目壮叽鐚?duì)獲得良好的電容行為至關(guān)重要 l引。采用不同的炭源和活化工藝所制成的活性炭已被廣泛的用于超級(jí)電容器領(lǐng)域。我們很容易在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)觀點(diǎn)： BET表而積越高，電容值越高。然而，大多數(shù)活性炭并不能完全遵循這一趨勢。事實(shí)上，由于依附于電解質(zhì)離子的篩孔效應(yīng)，狹窄的微孔可能對(duì)總雙電層電容沒有任何貢獻(xiàn)。這一觀點(diǎn)與電容值證比于 BET比表面積的觀點(diǎn)相背離。近期的研究發(fā)現(xiàn)，在水相電 解液中，比表面積僅為 1300 m2． g1的炭材料其電容值可高達(dá) 175 F． g1。 一般的，在水性電解液中，活性炭的電容值為 100～ 200 ：在有機(jī)電解液中為 50—。與有機(jī)電解液相比較，水性電解液具有更小的電解液離子和較高的介電常數(shù)，所以在水性電解液中所獲得電容值較高。然而由于有機(jī)電解液具有較高的電位窗口，使得 被存儲(chǔ)的能量比在水性電解液中多的多，因此有機(jī)電解液更受青睞。為優(yōu)化活性炭在有機(jī)電解液中的電容行為，必須選擇一種具有適合傳輸電解液離子 的孔道的活性炭材料?？紤]到正負(fù)離子的離子半 徑不同而采用不同孔徑的炭材料作為電極的正極和負(fù)極。 Shi的等人在乙腈 (C2H5)4N+BF4電解液中研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正極材料的孔徑小于負(fù)極材料的孔徑時(shí)電容值高而且電阻低。將電極材料對(duì)換，電容值降低而電阻值顯著增大。此研究結(jié)果清晰地證明了在離子尺寸和炭材料的孔徑之間必須找到一個(gè) 折衷點(diǎn) 。 在不同電解液中研究材料的電化學(xué)行為表明：為獲得高的電容值一個(gè)適合的孔徑比高的表商秋更為重要。在水性電解液和有機(jī)電解液中，達(dá)到孔道最仲填允度的孔徑分別為 0． 7 nm和 O． 8 nm?？茖W(xué)家們用炭化物為炭源得到的炭材料孔徑內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 10 小于 1 nm，其電容值具有顯著地提高。他們重點(diǎn)研究了在 1． 5 M的乙腈 TEBF4電解液中，炭材料的孔徑對(duì)電荷儲(chǔ)存的影響。小于 1 nm的扭曲孔道使得電解液離子更容易聚集在電極表面上，與離子尺寸相近的孔徑的利用率最高。 電容值除了與孔徑分布有聯(lián)系之外，炭電極材料的電化學(xué)電導(dǎo)率是電容行為的另一 個(gè)限制因素，尤其對(duì)功率密度。電導(dǎo)率與材料的多孔結(jié)構(gòu)具有密切的關(guān)系。一般的，孔道越多，電導(dǎo)率就越低。活性炭的電導(dǎo)率依賴于材料的類型，電導(dǎo)率高達(dá) 。因此，在電極材料中添加導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)其電化學(xué)行為具有至關(guān)重要的意義。 由此可 見，微孔和超微孔在離子吸附上起了重大作用，然而少量介孔的存在有利于離子在