超级电容器在直流电源中的应用用毕业论文(编辑修改稿)

超级电容器在直流电源中的应用用毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

容器具有较小的尺寸，因此，它拥有不同寻常的储存大量电 能的能力。 此性质对于混合工具上的自动化应用程序、电池电子工具的后备能源、风力涡轮机的电子能量应用程序有重大意义。 然而由于人多数超级 f乜容器都使用有机电解液，造成单位电容的价格很高，最初只应用于军事领域，作潜艇或坦克发动机的启动动力。 近年来电极材料的比电容不断提高，超级电容器逐渐走向民用。 但是提高现有电极材料的比电容，研制在水相电解液中具有高能跫密度的超级电容器依然是研究者面临的挑战。 只有攻克这一瓶颈问题，超级电容器才有可能在能最储存领域占有不可或缺的位置。 小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源 1. 后备电源。 当主电源中断、由于振动产生接触不良或由于其他重载引起系统电压降低时，超级电容器就能够起后备电源作用。 其电量通常在微安或毫安级。 典型的应用有：录像机、 TV 卫星接收器、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波接收器、出租计费器、闹钟、控制器、家用面包机、咖啡机、照相机和电视机、计数器、移动电话、寻呼机等。 2. 替换电源。 由于超级电容器具有高充放电次数、寿命长、使用温度范围宽、循环效率高以及低自放电的特点，故很适合做替换电源。 例如，白天太阳能提供电源并对超级电容器充电，晚上则由超级电容器 提供电源。 典型的应用有太阳能手表、路标灯、公共汽车停车站时间表灯、交通信号灯等，它们能长时间使用，不需要任何维护。 3. 主电源。 内蒙古工业大学毕业论文 7 通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几秒的大电流。 放电之后，超级电容器再由低功率的电源充电。 其典型的应用有玩具车，其体积小、重量轻，能很快跑动。 电动汽车和混合电动汽车 电动汽车的动力源有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。 普通电池虽然能量密度高，行驶里程长，但是存在充电时间长、无法大电流充电、工作寿命短等不足。 与之相比，超级电容器功率大，充电速度 快，输出功率大，刹车再生能量回收效率高。 由于超级电容器的寿命是普通化学电池的 100 倍以上且彻底免维护，使用超级电容器作为动力源的城市交通电动汽车综合运营成本大大低于采用电池作为动力源的电动汽车。 目前世界各国都在开发电动汽车，主要倾向是开发混合电动汽车（ HEV），用电池为电动汽车的正常运行提供能量，而加速和爬坡时可以由超级电容器来补充能量。 另外，用超大容量电容器存储制动时产生的再生能量。 在电动车辆行驶时，起步快，加速快，爬坡能力强。 可再生能源发电系统 在可再生能源发电或分布式电力系统中，发电设备的输出功率具有不稳定性和不可预测性的特点。 采用超级电容器储能，可以充分发挥其功率密度大、循环寿命长、储能密度高、无需维护等优点，既可以单独储能，也可以与其他储能装置混合储能。 超级电容器与太阳能电池相结合，可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯等。 超级电容器还应用于风力发电、燃料电池等分布式发电系统，可以对系统起到瞬间功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性。 变频驱动系统的能量缓冲器 超级电容器与功率变换器构成能量的缓冲 器，可以用于电梯等变频驱动系统。 当电梯上升时，能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电，提供电机所需的峰值功率；在电梯减速下降过程中，吸收电机通过变频器向直流母线回馈的能量。 内蒙古工业大学毕业论文 8 军事装备领域 军用装备，尤其是野战装备，大多不能直接由公共电网供电，而需要配置发电设备及储能装置。 军用装备对储能单元的要求是可靠、轻便、隐蔽性强。 采用超级电容器与蓄电池混合储能，可以大幅度减轻电台等背负设备的重量；为军用运输车、坦克车、装甲车等解决车辆低温启动困难的问题，还可提升车辆的动力性和隐蔽性；解决常规潜艇中蓄电池失效快 、寿命短的问题；还可以为雷达、通信及电子对抗系统等提供峰值功率，以减小主供电电源的功率等级。 第三章 超级电容器的性能 超级电容器的电极材料 目前应用于超级电容器的电极材料有 3种：炭基材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。 炭基材料电化学电容器能量储存的机理主要是靠炭表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容。 而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容：在这里，我们主要介绍炭基材料及金属氧化物材料。 1. 炭基电极材料 炭材料具有粉末、块状、纤维状、布、毡等多种形态，具有以下独特的物理和 化 学性质，包括： (1)高电化学导电性 (2)高比表面积 (3000 m2． g1) (3)很好的防腐性能 (4)高热稳定性 (5)可控的孔结构 (6)可调的表面化学性质 (7)复合材料具有兼容性且易加工 (8)廉价易得 因为具有以上多种形态及特点，炭材料被广泛的用作超级电容器的电极材料。 炭材料能在不同的溶液中 (从强酸到强碱 )保持化学性质的稳定，并且能在较宽的温度范围下工作。 通常电容值正比于电极材料的电化学活性面积和电解液的内蒙古工业大学毕业论文 9 相对介电常数，而与所形成的双电层厚度成反比。 理论上，多孔炭材料的比表面积越大，比电 容越高。 炭材料的多孔结构决定了离子的传输，且孔道内电解液离子的迁移率和 EDLC的性能密切相关。 研究发现炭材料的电化学导电性严重影响电化学双电层电容器的厚度。 由炭材料表面上的官能团决定的炭材料的表面湿度是影响电容器性能的另一个因素。 在这些因素中，最重要的就是要达到比表面积积和直径分布的一个平衡点。 1. 活性炭粉末 通常认为比表面积越大，在电极和电解液表面积累电压的能力就越高。 众所周知，微孔 (2 nm)在形成电化学双电层的过程中起到很重要的吸附作用。 然而，微孔对于电解液离子来说必须具有电化学兼容性，所以中孔 的出现 (2 nmd50 nm)对于电荷在大范围电极材料上的传播起到重要的作用。 因此，孔道的可用性和可湿性，以及适合电解液阴、阳离子传输的孔尺寸对获得良好的电容行为至关重要 l引。 采用不同的炭源和活化工艺所制成的活性炭已被广泛的用于超级电容器领域。 我们很容易在文献中发现这样一个观点： BET表而积越高，电容值越高。 然而，大多数活性炭并不能完全遵循这一趋势。 事实上，由于依附于电解质离子的筛孔效应，狭窄的微孔可能对总双电层电容没有任何贡献。 这一观点与电容值证比于 BET比表面积的观点相背离。 近期的研究发现，在水相电 解液中，比表面积仅为 1300 m2． g1的炭材料其电容值可高达 175 F． g1。 一般的，在水性电解液中，活性炭的电容值为 100～ 200 ：在有机电解液中为 50—。 与有机电解液相比较，水性电解液具有更小的电解液离子和较高的介电常数，所以在水性电解液中所获得电容值较高。 然而由于有机电解液具有较高的电位窗口，使得 被存储的能量比在水性电解液中多的多，因此有机电解液更受青睐。 为优化活性炭在有机电解液中的电容行为，必须选择一种具有适合传输电解液离子 的孔道的活性炭材料。 考虑到正负离子的离子半 径不同而采用不同孔径的炭材料作为电极的正极和负极。 Shi的等人在乙腈 (C2H5)4N+BF4电解液中研究发现，当正极材料的孔径小于负极材料的孔径时电容值高而且电阻低。 将电极材料对换，电容值降低而电阻值显著增大。 此研究结果清晰地证明了在离子尺寸和炭材料的孔径之间必须找到一个 折衷点。 在不同电解液中研究材料的电化学行为表明：为获得高的电容值一个适合的孔径比高的表商秋更为重要。 在水性电解液和有机电解液中，达到孔道最仲填允度的孔径分别为 0． 7 nm和 O． 8 nm。 科学家们用炭化物为炭源得到的炭材料孔径内蒙古工业大学毕业论文 10 小于 1 nm，其电容值具有显著地提高。 他们重点研究了在 1． 5 M的乙腈 TEBF4电解液中，炭材料的孔径对电荷储存的影响。 小于 1 nm的扭曲孔道使得电解液离子更容易聚集在电极表面上，与离子尺寸相近的孔径的利用率最高。 电容值除了与孔径分布有联系之外，炭电极材料的电化学电导率是电容行为的另一 个限制因素，尤其对功率密度。 电导率与材料的多孔结构具有密切的关系。 一般的，孔道越多，电导率就越低。 活性炭的电导率依赖于材料的类型，电导率高达。 因此，在电极材料中添加导电物质对其电化学行为具有至关重要的意义。 由此可 见，微孔和超微孔在离子吸附上起了重大作用，然而少量介孔的存在有利于离子在。