摘 要

随着社会的不断发展和科技的不停进步，人们对电能的需求越来越大，由于电能属于二次能源，所以电能的贮存也变得越来越重要。可是传统的储能办法法已经不能满足人们的需要了，这时超级电容器因其有着优异的性能和广阔的应用前景受到了研究人员的关注和青睐。超级电容器有着高功率密度、充电快、储存电量多、清洁无污染等突出优点。其相比较传统的电池等储能器件，在很多性能方面都有极大的提升。超级电容器可以应用在新能源汽车、军事装备、小功率电子设备等领域。但目前，超级电容器能量密度比较低成为了制约超级电容器发展的一个重要原因，而作为对超级电容器性能影响极大的电极材料，成为了科研人员探究的热点。各国研究人员都在尝试着使用更适合的电极材料来提升超级电容器的性能。随着研究的不断深入并取得进展，相信超级电容器在未来一定有更加广阔的应用前景。本文主要研究了钴酸镧超级电容器的设计，并对其性能进行了仿真。

本课题先用钴酸镧作为超级电容器的电极材料制备电极片，然后测试了这种电极片的电化学性能，发现其有着良好的循环稳定性。之后用得到的电极片制备了超级电容器，最后对该超级电容器利用Simulink软件进行了动力性仿真。

关键词：超级电容器，钴酸镧，Simulink，仿真

Abstract

With the continuous development of society and the continuous progress of science and technology, people need more and more electric energy. Because electric energy belongs to secondary energy, the storage of electric energy becomes more and more important. However, the traditional energy storage method can no longer meet the needs of people, at this time, supercapacitors have attracted the attention and favor of researchers because of their excellent performance and broad application prospects. Supercapacitors have many outstanding advantages, such as high power density, fast charging, more storage power, clean and pollution-free and so on. Compared with traditional batteries and other energy storage devices, its performance has been greatly improved. Supercapacitors can be used in new energy vehicles, Military equipment, low-power electronic equipment and other fields. However, at present, the low energy density of supercapacitors has become an important reason that restricts the development of supercapacitors, and as an electrode material with great influence on the performance of supercapacitors, it has become a hot spot for researchers to explore. Researchers across the world are trying to use more suitable electrode materials to improve the performance of supercapacitors. With the development of research, it is believed that supercapacitors will have a broader application prospect in the future. In this paper, the design of LaCoO₃ supercapacitor is studied and its performance is simulated.

In this paper, LaCoO₃ was used as the electrode material of supercapacitor to make electrode sheet, and then the electrochemical performance of the electrode sheet was measured, and it was found that it had good cycle stability. Then the supercapacitor is fabricated with the electrode sheet. Finally, the dynamic simulation of the supercapacitor is carried out by using Simulink software.

Keywords: supercapacitor, LaCoO₃, Simulink，simulation

目 录

摘要................................................................................................................................I

Abstract..........................................................................................................................II

第1章 绪论..................................................................................................................1

1.1 选题背景和研究目的意义.............................................................................1

1.2 国内研究现状.................................................................................................1

1.3 国外研究现状.................................................................................................2

1.4 论文研究内容.................................................................................................3

第2章 超级电容器概述..............................................................................................4

2.1 超级电容器的储能原理及分分类.................................................................4

2.2 超级电容器的特点.........................................................................................5

2.3 超级电容器电极材料概述.............................................................................6

2.4 本章小结.........................................................................................................6

第3章 电极片的制备及其电化学性能研究..............................................................7

3.1 实验主要原料与仪器.....................................................................................7

3.2 电化学性能测试方法.....................................................................................7

3.3 钴酸镧与电极片的的制备.............................................................................7

3.4 钴酸镧电极材料的电化学性能测试.............................................................8

3.5 本章小结.........................................................................................................9

第4章 超级电容器的制备及其仿真.........................................................................10

4.1 超级电容器的制备.......................................................................................10

4.2 单个超级电容器的SOC估算......................................................................10

4.3 车用超级电容器系统的Simulink仿真.......................................................12

4.3.1 超级电容器系统的确定....................................................................13

4.3.2 超级电容器机车动力系统仿真........................................................13

4.4 本章小结.......................................................................................................15

第5章 总结与展望....................................................................................................16

5.1 研究结论.......................................................................................................16

5.2 研究展望.......................................................................................................16

参考文献......................................................................................................................17

致谢..............................................................................................................................18

第1章 绪论

1.1 选题背景和研究目的意义

近年来，随着社会经济的迅速发展，全世界的工业化规模日益增大，人类面临着两个日益严峻的问题：传统化石能源的逐步枯竭和环境的污染越来越严重。所以，在最近几十年来，各国的科学家们一直在研究可再生的清洁能源，如氢能源、太阳能、风能、地热能等能源的探索和运用。而为了能够更高效率的利用这些新能源，设计和制造出更加先进的能量存储和装置也变得十分的有必要。为了实现这一目标，研究人员在电化学电池和超级电容器等领域进行了深入的研究，并都取得了一定的进展。

电化学电池作为更早的研究方向，现在已经有了更加成熟的制造工艺和更广泛的应用。虽然其有着高能量密度等优点，但是其缺点也很明显，例如充电时间长、储存的电量少、工作温度范围窄、功率密度低等。这些缺点严重制约了电化学电池的适用范围，如无法应用在功率密度要求高的储能装置上。

超级电容器作为后起之秀，它的电极和电解质之间可以形成界面双层，并以此来储存能量。凭借着其功率密度更高、循环寿命更长、工作温限更宽、循环稳定性好、免维护、更加的环保等优点受到了研究人员的喜欢。并且超级电容器可以和电化学电池等高功率密度的储能装置连用，这样就得到了既具有高能量密度也拥有高功率密度的组合储能装置。在这种组合方式下，超级电容器有了更多的用武之地，使其在很多的领域内都有着很好的前景。比如应用在电动汽车上时，人们不必每天都要花费上几个小时去给汽车充电，并且电动汽车的加速和爬坡能力也将得到提升，大大提升了电动汽车的经济性和普遍性，势必能让人们对电动汽车的好感度增加。

目前很多国家都在大力发展研究超级电容器，尤其以美国、日本等国研究成果最为丰富，我国虽然起步较晚，现在也在投入人力和资金进行大力追赶。

本次研究的目的就是为了探究钴酸镧作为超级电容器电极材料时的性能。然后用钴酸镧电极材料制备了超级电容器，并对超级电容器进行动力性仿真，以对超级电容器的发展做出一点微不足道的贡献。

1.2 国内研究现状

针对超级电容器的研究，国内学者做了许多工作：梅俊峰首先将镍元素加入到铁元素里面，制备出了铁镍二元金属氧化物作为负极材料，然后制备出铁镍硫化物作为正极材料，并利用这两种电极材料组装了超级电容器。经过测试发现组装的超级电容器有着不错的电化学性能，说明铁镍二元金属氧化物作为性能优异的负极材料完全满足要求^[1]；张承双创新的以碳纤维布作为集流体，用多种多元金属氧化物及其复合材料作为为电极材料，设计了一种新型的柔性超级电容器，测试结果发现复合材料作为电极材料通常能保留自己的有点从而相互弥补缺点，使电化学性能大幅度提高^[2]；郭慧对石墨纸电极进行不同的处理，研究处理对石墨纸电极材料电化学性能的影响，结果发现打孔处理可以提升石墨纸电极的倍率性能。^[3]；冯嘉茂通过分子动力学模拟，利用CCM和CPM方法研究了碳纳米管、石墨烯、导电金属有机框架材料等三种材料的超级电容器储能机理和性能表现^[4]；洪聪聪先制备出了三种不同的金属复合材料,并以它们为正极，以活性炭为负极组装成不同的非对称超级电容器，然后测试它们的电化学性能，比较出三种材料作为超级电容器电极材料的优缺点^[5]；吴栋主要制备并探究了碳酸羟基氯化钴纳米线阵列（CCCH NWAs）电极材料的电化学性能，测试结果发现其表现出高倍率性和高比电容，是一种优异的超级电容器电极材料^[6]；翟龙兵创新的用三维相互交织网络结构钴基电极材料组装超级电容器，通过测试发现该电容器有着优异的电化学性能，说明这种结构的电极材料有着广阔的应用前景^[7]；王敏研究了不同的材料和不同的制造方法对超级电容的性能影响，得出在两种情况下都有一定的影响^[8]；胡明雷通过采用多种不同的方法来制备不同结构的电极材料，经过测试发现这些材料的电化学性能都得到大幅度提升，说明以后的电极材料的研究可以往结构发向发展^[9]；刘琨以红薯粉为原料，通过糊化、水热以及炭化活化的过程制备出多孔活性炭并将其作为超级电容器的电极，发现其表现优异，经过3000次循环之后比电容仍能保持在90%以上，具有良好的双电层电容^[10]。

1.3 国外研究现状

针对超级电容器性能的研究，国外许多学者也做了很多贡献：Ke Ren Dai等基于超级电容器的电化学反应机理，提出了一种平面交叉氧化钌MEMS超级电容器的建模与仿真方法。并使用Comsol软件对平面交叉氧化钌MEMS超级电容器进行建模与仿真，得到了超精密的充放电曲线、电位分布图和浓度分布图，讨论了高宽比和间隙率两种结构参数对超级电容器性能的影响，为提高电容器的性能指明了方向^[11]；Sheryl Dinglasan Fenol提出了一种等效电路的充放电数学模型，对所提出的等效电路的充放电数学模型进行了仿真，并与恒电位器的实际实验仿真结果进行了比较。结果表明，为了建立更精确的数学模型，电路中必须存在泄漏电流和电阻。并且给出了恒流放电条件下超级电容器全放电时间的计算公式。^[12]；C. Pean;B. Rotenberg等通过比较电极内部电荷的演变来确定参数化TLM的准确度在电荷-放电-电荷循环的情况下进行非平衡分子动力学模拟^[13]；N. Benyahia等研究了基于Matlab SimPowerSystems的建模方法，进行了燃料电池电动汽车(FCEV)工具箱(SPS)的建模。采用这种方法的目的是为了增加对电源、功率变换器和负载的精确建模，从仿真步骤开始评估整个系统的性能。在研究中，超级电容器(SC)作为辅助设备与FC相结合，以保证功率驱动系统的可逆性。还设计了变频器并通过SPS仿真，之后仿真结果进行了讨论^[14];Marcelo G. Molina提出了一种有效的SCES控制器，并推导了系统的详细模型，给出了系统的控制方案设计，包括一个完全解耦电流控制策略以及一个增强的有源潮流控制器。该系统的性能得到了计算机动态模拟充分的验证^[15]。

1.4 论文研究内容

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