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一种超级电容器水系电解液

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汽车工艺与材料

AT&MMATERIALAPPLICATION材料应用

2019年第2期摘要：对LiMn2O4/活性炭体系混合电容器进行研究,以活性炭为负极材料,尖晶石结构的LiMn2O4为正极材料,Li2SO4为电解液。改变乙醇的含量,根据其电化学性能确定了该体系最佳的乙醇含量。关键词：锰酸锂活性炭混合超级电容器乙醇中图分类号：TH145文献标识码：BDOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20180128一种超级电容器水系电解液马千里（一汽解放汽车有限公司，长春130011）作者简介：马千里（1986年—），男，工程师，大学本科，研究方向新能源。1前言超级电容器也称电化学电容器，是一种新型的储能元件，兼有常规电容器的功率密度大和化学电源能量密度高的优点，可快速充放电，使用寿命长，既可以单独使用作为主要的储能器件，也可以与充电电池组成复合电源系统，在新能源发电、电动汽车、信息技术、航空航天和国防等领域都有广阔的应用前景。电解液是超级电容器的关键材料，其性能对超级电容的内阻、寿命、倍率性能等具有重要的影响。超级电容的电解液分为酸性电解液、碱性电解液和中性电解液，酸性电解液对电极和集流体的腐蚀较大，碱性电解液又存在爬碱现象，使得密封成为难题，同时，由于酸性和碱性超级电容的离子活性较高，在充放电时电解液容易被分解，产生气体，导致电容器内部压力增大，从而造成安全隐患。中性无机电解质盐和乙醇的混合溶液作为电解液既没有污染，又能有低温性能，因此可以作为超级电容器水系电解液。超级电容器水系电解液中低温添加剂采用乙醇，乙醇不仅能与水形成了良好的共溶体，而且乙醇的低冰点特性会使得整个电解液体系的冰点明显降低，进而提高超级电容器的低温性能。改变电解液中的乙醇含量，根据其电化学性能确定了该体系最佳的乙醇含量。对不同乙醇含量的电解液的超级电容器进行测试，挑选出最佳比例。2实验部分按活性物质：导电剂（VGCF）：粘结剂（PTFE）=80:15:5（LiMn2O4正极，新乡格瑞恩公司）和85:10:5（活性炭负极，日本可乐丽公司），称取相应量物质混合均匀并辊压成膜，干燥后将电极膜压在金属网上，制得极片，进行SEM表征。按照LiMn2O4正极、隔膜、活性炭负极的顺序放入CR2032扣式电容器壳中，注入水系电解液，封装制成扣式超级电容器（LiMn2O4/活性炭）。超级电容器的水系电解液中乙醇含量分别为62汽车工艺与材料

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2019年第2期6%，21%，31%，41%，46%。硫酸钠溶液的浓度分别为1mol/L。采用Arbin超级电容器测试仪对超级电容器进行恒流充放电测试，充放电电流分别为0.1,0.15,0.25,0.5和1.0A，计算超级电容器比容量。采用电化学工作站（CHI760D，上海辰华公司）对超级电容器进行循环伏安和交流阻抗测试，循环伏安测试的扫描速度为分别为2mV/s,5mV/s,10mV/s,20mV/s，交流阻抗频率范围为100kHz-10MHz，振幅为5mV。循环伏安和恒流充放电测试时，混合超级电容器的电压范围为0-1.6V。超级电容器的比电容C、比能量E以及比功率P按照公式（1）、（2）和（3）计算得到：C=It/(mΔV)（1）E=I∫Vdt/m（2）P=E/t（3）其中I为充放电电流；t为充放电时间；ΔV为t时间内的放电电压；m为正负极活性物质质量。采用发动机冷却液冰点测定仪（TD-516型，沈阳唐德实验室仪器有限公司）对超级电容器水系低温电解液进行冰点测试。3试验分析3.1扫描电子显微镜图正负极各一张照片，放大比例10000倍。图1中大块状的是LiMn2O4，杆状纤维的是导电剂VGCF，丝状纤维的是粘结剂PTFE。颗粒越大，离子传输的路径越长，所组成的超级电容器功率特性越差。颗粒越小，离子传输的路径越短，所组成的超级电容器功率特性越好。图2中大块状的是活性炭，杆状纤维的是导电剂VGCF，丝状纤维的是粘结剂PTFE。颗粒越大，离子传输的路径越长，所组成的超级电容器功率特性越差。颗粒越小，离子传输的路径越短，所组成的超级电容器功率特性越好。3.2冰点-比容量曲线如图3所示，随着乙醇含量的增加，超级电容器的冰点逐渐降低。比容量在乙醇含量是41%是最高。乙醇含量从6%到21%的这段区间，比容量略有降低。从21%到41%比容量逐渐增大，从41%到46%比容量又降低。3.3冰点-能量密度曲线如图4所示，随着乙醇含量的增加，超级电容器的冰点逐渐降低。能量密度在乙醇含量是41%是最高。乙醇含量从6%到21%，能量密度略有降低。从21%到41%能量密度逐渐增大，从41%到46%能量密度又降低。3.4恒流充放电曲线从图5中可以看出，曲线表现出三角形对称特征。混合超级电容器在低压时，电压几乎直线增图1正极LiMn2O4扫描电子显微镜图图2负极活性炭扫描电子显微镜图图3冰点-比容量曲线-16-14-12-10-8-6-4-20冰点/℃47.547.046.546.045.545.044.544.0比容量/F·g乙醇含量41%乙醇含量31%乙醇含量46%乙醇含量21%乙醇含量6%图4冰点-能量密度曲线-16-14-12-10-8-6-4冰点/℃24.524.023.523.022.522.0能量密度/Wh·kg乙醇含量41%乙醇含量31%乙醇含量46%乙醇含量21%乙醇含量6%63汽车工艺与材料

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2019年第2期加，而在高压时，电压随时间线性变化，这说明混合超级电容器主要在高压部分存储电能。乙醇含量是41%的电容器曲线对称性最好，因此电化学性能最好。3.5交流阻抗曲线如图6所示，高频区半圆的直径对应着电极/电解液界面的电荷传递电阻，而低频区直线部分对应着电解液在电极内部的扩散阻抗。说明两者具有很好的电容特性低频区直线部分对应着电解液在电极内部的扩散阻抗，其直线部分均接近于90°，乙醇含量是41%比例的电容器直线部分最接近于90°，因此电容特性最好。3.6循环伏安对比图7为混合超级电容器在不同乙醇含量下的循环伏安曲线，扫描速度为2mV/s，电压范围1-1.6V的CV曲线表现出近矩形特征，表现出电容特性。将5种比例的混合超级电容器的2mV/s的循环伏安曲线分别对比，从图5中可以看到乙醇含量是41%比例的电容器在所有乙醇比例中最接近矩形曲线，即在电压扫描的换向瞬间，响应电流也同时变化方向，说明具有超好的电容性能，因此乙醇最佳含量是41%。3.7冰点-乙醇含量曲线从图9中可以看出，随着乙醇含量的增加，冰点显著下降。4结论5个比例的超级电容器，乙醇比例是41%的电容器始终具有最高的能量密度。恒流充放电曲线表现出三角形对称特征，乙醇比例是41%的电容器曲线对称性最好。循环伏安曲线表现出近矩形特征，乙醇比例是41%的电容器在所有比例中最接近矩形曲线。交流阻抗曲线中乙醇比例是41%的电容器直线部分最接近于90°。因此，乙醇比例41%接近最佳比例。乙醇比例是41%的超级电容器始图5恒流充放电曲线05001000150020002500时间/s1.81.41.00.60.2-0.2电压/Va乙醇含量21%b乙醇含量41%c乙醇含量31%d乙醇含量6%e乙醇含量46%adceb图6交流阻抗曲线051015202530阻抗/Ω302520151050-5阻抗/Ωa乙醇含量31%b乙醇含量41%c乙醇含量6%d乙醇含量46%e乙醇含量21%adceb图7扫描速度为2mV/s的不同乙醇含量下的循环伏安曲线图8乙醇含量是41%的不同扫描速度下的循环伏安曲线-0.20.20.61.01.41.8电压/V0.150.100.050-0.05-0.10电流/Aa乙醇含量6%b乙醇含量41%c乙醇含量31%d乙醇含量21%e乙醇含量46%adceb-0.20.20.61.01.41.8电压/V1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8电流/Aa2mv/s（1）b5mv/s（2）c10mv/s（3）d20mv/s（4）adcb图9冰点-乙醇含量曲线01020304050乙醇含量/%-4-6-8-10-12-14-16冰点/℃（下转第68页）64汽车工艺与材料

AT&MPRODUCTIONEQUIPMENT生产装备

2019年第2期AT&M重启机床。4注意事项为顺利完成移机报警的快捷处理，本文给出如下五条注意事项。a.用户在修改梯形图之前，务必对梯形图进行备份操作，以免误改、误删而难以恢复。在修改梯形图之后，务必对梯形图进行固化，以免机床重启时PLC程序又复原。b.梯形图修改既可在现场机床上直接进行，也可在个人计算机上间接进行。对于后者，需用USB存储设备将机床文件夹（如C:\LADDER\312-Q1B57）内梯形图拷贝至个人计算机，再用软件GXDeveloper修改梯形图并编译处理，最后替换掉先前文件夹内梯形图。c.用于不能采用去除Y218线圈输出回路中R5299.D常闭触点的方法，去掉139n报警禁止机床自动运转的限定，以免机床其他动作异常。用户只能针对具体的139n报警，去除其报警锁，使机床无报警并能在各工作模式下动作。d.用户修改梯形图务必做好记录，既要告知其他维修者，又要对其他同型机床起到借鉴作用。e.用户修改梯形图，既要保证机床动作正常，又不丢失随机安全机能，还不丧失机床精度和节拍。5结语改梯形图除机床报警的方法，既可用在配有内置PLC的MITSUBISHI系统的Mazak机床上，也可用在配有内置PLC的FANUC、SINUMERIK等系统的数控机床上，还可用于配置外置PLC的各型通用自动化设备上。此方法能够快捷处理机床移机报警，提高维修者排除故障效率，节约设备维修费用，对各行业具有较高的实践意义。参考文献：[1]刘胜勇.图解数控机床维修必备技能与实战速成［M］.北京：机械工业出版社,2018．AT&M终具有最高的比容量和能量密度，而且具有较低的冰点。因此，乙醇含量在41%左右超级电容器的比容量和能量密度最佳。从图3和图4可以看出，乙醇比例的上升对冰点影响显著，但是对于比容量和能量密度的影响不是很明显，因此，乙醇比例从20%上升到41%时，冰点下降明显，同时比容量和能量密度增加，但是影响有限。因此可以得出如下结论，随着乙醇含量的增加，冰点显著下降。比容量和能量密度的变化并不明显。乙醇比例对于电化学性能的影响不如对冰点的影响明显。（上接第64页）68

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超级电容器电极结构设计与仿真-杜成文

超级电容器电极结构设计与仿真-杜成文

毕业设计（论文）

题目 超级电容器电极结构设计与仿真

学生姓名 杜成文 学号 **********

专业 机械设计制造机器自动化班级20111056

指导教师 吴海华教授

评阅教师

完成日期 年 月 日

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。（宋体小4号）

作者签名： 年 月 日

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障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理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。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位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。

本学位论文属于

1、保密 □，在_________年解密后适用本授权书。

2、不保密 □。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名： 年 月 日

导师签名： 年 月 日

第 1 页 共 34 页

超级电容器电极结构设计与仿真

学 生：杜成文

指导老师：吴海华

三峡大学机械与动力学院

摘 要：超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型的储能装置。作为一种新型的储能装置，超级电容器具有储能密度高、充电放电速度快、循环寿命长、体积小、对环境的污染很小等优点。但由于较低的能量密度制约了超级电容器的进一步应用，而提高能量密度已成为其进一步发展所以面临的挑战。超级电容器电极结构是直接影响其能量密度因素之一。本文主要对不同结构的电极对电容器能量密度的影响进行探讨，并进行对电极结构的设计，利用ANSYS有限元分析软件对不同结构的电极所产生的电场和电势进行模拟分析，分析超级电容器电极结构与性能的关系，完成电极结构参数对场强强度影响的分析，为实现高能量密度的超级电容器提供依据。

超级电容器技术简介

超级电容器技术简介

超级电容器技术的研究背景及发展现状

1. 研究背景

随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科技发展的巨大推动力。进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩大新能源开发利用成为世界性的趋势。

石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由此不断引发全球性的社会、经济、政治问题。而且，全球燃油汽车消费量的不断增加，燃油汽车排放的NOx和COx对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应。开发更加清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为全球性的研究热点。

电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车有了比较统一的认识。纯电动汽车（镍氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用，燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而混合电动车（“油＋电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式。“油＋电”混合电动车中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。目前，商品化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温，存在安全隐患。燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差。单独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求。

从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社会发展不可缺少的“源动力”。近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的利用形式和应用范围。电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可移动电源（如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活。另外，随着科技发展和信息社会的到来，各种计算机有关的电子设备、医疗设备、家用电器及移动通信设备的逐渐普及，对高性能存储器备用电源的需求越来越迫切。这些储能装置除对能量密度有一定要求外，对功率密度的要求越来越高，有的已经超过了目前二次电池的标准设计能力，传统的静电电容器也因能量密度过低不能满足要求。因此，迫切需要高功率型的储能装置以满足当前特殊应用领域的需求。

超级电容器研究进展

超级电容器研究进展

超级电容器研究进展

XXX

摘要：超级电容器是一种介于化学电池与普通电容器之间的新型储能装置。本文主要介绍了超级电容器的原理、电极材料和电解质研究进展。

关键词：超级电容器 电极材料 电解质

Research Progress of Super Capacitor

Abstract：Super capacitor is a new energy storage device between battery and

conventional capacitor. In this paper, super capacitor’s principle,research progress on

electrode materials and electrolytes were introduced.

Key Word: super capacitor electrode materials electrolytes

1 引言

超级电容器是最近几十年来，国内外发展起来的一种新型储能装置，又被称为电化学电容器。超级电容器兼具有静电电容器和蓄电池二者优点。它既具有普通静电电容器那样出色的放电功率，又具备蓄电池那样优良的储备电荷能力。与普通静电电容器相比较，超级电容器具有法拉级别的超大电容、非常高的能量密度和较宽的工作温度区间[1-3]。此外由于超级电容器材料无毒[4]、无需维护，有极长的循环充放电寿命,可作为一种绿色环保、性能优异的的储能装备在便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源等[5]方面有着广泛的应用前景。超级电容器从出现到成熟，经历漫长的发展过程。当今世界，越来越多的科研机构和商业公司致力于超级电容器的研制与开发工作。美国、日本、俄罗斯超级电容器界的三大巨头，其产品几乎占据了超级电容器市场的绝大部分。与这些超级电容强国相比，我国超级电容器研发工作起步晚，发展快，如今已初具规模，并渐趋成熟，但仍存在一定差距。

铵离子混合超级电容器电极材料研究进展

铵离子混合超级电容器电极材料研究进展

第 23 卷 第 1 期2024 年 3 月宁夏工程技术Vol.23 No.1

Ningxia Engineering TechnologyMar. 2024

铵离子混合超级电容器电极材料研究进展

张新杨， 张杰， 王佐书， 汪德伟*

（北方民族大学 材料科学与工程学院，宁夏 银川 750021 ）

摘 要：随着社会对能源需求的不断增长和传统能源的消耗，寻找可再生清洁能源已成为当务之急。铵离子混合电容器作为一种清洁且可持续的解决方案在电能存储领域备受关注。本文主要综述了铵离子混合电容器的研究进展，包括其优点以及当前存在的问题和挑战。同时，重点关注了电极材料的研究现状，如锰基氧化物、钒基氧化物、钼基化合物等，并展望了未来的发展方向。通过对铵离子混合电容器的研究现状进行全面分析，本文旨在为该领域的研究者提供有益的参考和启示。关键词：清洁能源；超级电容器；铵离子储存；电极材料；电化学储能中图分类号：TQ127.1；TM912 文献标志码：A

随着社会对能源的需求愈发增大，以煤炭、石

油、天然气为首的传统能源面临着大量的消耗，这导

致许多问题的出现，包括能源短缺、气候变化和环境

污染等［1］。鉴于这些问题，寻找可再生的清洁能源

已经迫在眉睫。然而，太阳能、风能等绿色能源具有

间歇性、周期不稳定等特点，限制了其发展和应

用［2］。因此，开发可持续的高效储能技术是一种很

好的解决方案，而超级电容器被认为是一种清洁且

可持续的解决方案［3］。

在可充电电池领域，锂离子电池凭借高能量密

度及优越的性能，一直主导着电池行业的发展［4］。

然而，在大规模储能系统中，锂离子电池仍面临许多

问题，如正极材料成本高、安全性差、工作温度范围

较窄、容量衰减等［5-7］。此外，其使用的易燃有毒有

机电解质也带来了很大的安全隐患［8］。相比之下，

钠离子电池和钾离子电池在低温性能和低成本方面

具有优势［9］，但上述问题依然存在，而且钠离子和钾

离子的大尺寸使得它们难以插入主体材料以实现与