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摘 要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1超级电容器的概念 1

1.2超级电容器的应用 1

1.3研究方向 2

第二章 电极的电化学特性影响因素 4

2.1电化学特性 4

2.2比表面积 5

2.3孔径尺寸 6

2.4表面官能团 7

2.5电渗透效应 8

第三章 活性炭材料 9

3.1活性炭粉 9

3.2碳纤维纸 10

第四章 实验与测试结果分析 11

4.1电极的制备 11

4.2循环伏安法 14

4.3循环伏安曲线 16

4.4特性曲线分析 17

结束语 18

参考文献 18

致谢 21

不同碳材料作为超级电容器电极材料的研究

摘要

超级电容器由于卓越的性能在诸多行业应用广泛，电极材料作为其核心部件, 对超级电容器的性能起着关键性作用,本文主要研究了不同活性炭材料制备电极的电化学性能的比较，以及影响性能的主要因素；本课题通过利用粗活性炭粉以及细活性碳粉分别与PTFE、乙炔黑混合通过水浴加热压片制备的电极材料，与利用碳纤维纸成品制备的电极进行电化学性能测试并比较；利用循环伏安法，得到三种电极的循环伏安曲线，从中读出各自的峰电流。通过比较，结果表明：碳纤维纸的比电容最大，粗活性炭粉的比电容最小；已知碳纤维纸的比表面积最大，粗活性炭粉的比表面积最小，可以得出：超级电容器电极的比电容随电极材料比表面积增大而增大，但不是简单的线性关系。

关键词：活性炭 超级电容器 比电容 比表面积

The research of different carbon materials used as electrode for electric double-layer capacitors

Abstract

The supercapacitor has been applied into various fields due to its outstanding performance. As its core component, the electrode material plays a critical role in the performance of the supercapacitor. It is mainly studied in this paper that the comparison of the electrochemical performance of the electrodes made from varied kinds of activated carbon as well as the major factor affecting the performance; Firstly, the electrodes are prepared by the coarse activated carbon powder and the fine one respectly that are processed by water-bath heating and tabletting with the mixture of PTFE and ACET. Then, it is also prepared by the finished product of carbon fiber paper. After that, the electrochemical performance of the electrodes are tested and then compared with each other.; The peak currents of these three electrodes can be read from the CV curves, so that the magnitude of specific capacitance could be estimated; According to comparison, the specific capacitance of the carbon fiber paper is largest, while that of the coarse one is the least; Since the specific surface area of the carbon fiber paper is largest and that of the coarse one is the least, it is obvious to us that the specific capacitance of the electrodes will increase due to the enlargement of the specific surface area, while their relationship is not linear.

Keyword：activated carbon; electric double-layer capacitors; Special surface area; specific capacitance

第一章 绪论

电容器是现代家庭生活与企业生产所使用的电器当中主要的电子元件之一，几乎每一种电子器件与电路系统都离不开它。作为一种储能元件，和电池一样，它在生活成产中发挥着巨大的作用。而随着技术的发展和进步，对电容器的性能要求也越来越高，希望能制造出具有很高的比电容和工作效率，且能实现超高次数工作循环，以及体积占用和物料耗费都较低的新型电容器。要实现这些目标，有两个方向进行研究，一个是能够开发出新的电极材料，再者是在电容器的设计方面改进。

1.1超级电容器的概念

Helmholtz于1874年提出了这样一个模型[1]，两个负荷相反电荷的平行面，其中一面是一个金属面，另外一面是一个溶液面，二者就像平行板一样，且两个表面的距离仅有数微米，构成了一个金属/溶液界面模型。这两种材料的边界存在双电极控制吸附现象，从而影响电荷传递反应的速率。而当在这个模型中引入一种具有特别大的活性表面的新材料制成电极，比如特别处理过的碳、一些过渡金属氧化物、电合成导电聚合物时，其电化学性能将发生巨大而良性的变化，根据上述现象所开发出的电容器就被称为“超级电容器[13]”。电化学超级电容器的性能与普通的电容器相比性能更加优秀，因为它具有更大的比电容，同时相较于电池，它可以不限流充电，且充电次数高达10^6次以上。由于其容量密度相比较电池或者普通电容器极大，因此适合工作在一些有要求能够瞬间释放比较大电流的场合。

1.2超级电容器的应用

现在社会随着科学技术等的发展，能源消耗严重，环境恶化，所以未来发展的必然方向是节能环保，在节能这一领域，超级电容器将发挥巨大的作用。地铁是城市交通体系中非常重要的角色，国内一二线城市目前地铁基本已经普及，在缓解城市交通压力方面有很大的贡献。比如南京的地铁运输系统基本上分担整个城市人流量的三分之一。地铁列车体积和质量都比较大，当它启动的时候需要很大的能量让它在很短的时间内将车速提高到一个合适的水平，很快到达下一站的时候，又需要在短时间内刹车。由于地铁列车质量很大，所以它高速运行的时候具有很大的动能。但是在刹车的过程中这一部分能量基本转换为热能而白白浪费掉了。如果我们能够制造在短时间内有效吸收电能，又可以在需要的时候将它们释放出来的电路系统，将列车刹车阶段的巨大的动能转换并储存，用于再次启动时的动力来源，这对于城市节能将是非常具有进步意义和实际效益的。而能够实现这一理想功能的器件首选就是超级电容器，相关的技术开发验证也一直在进行。比如2016年开始在广州地铁系统中运行的列车开始使用相关装置，且到目前为止取得相当不错的效益，减小了电能消耗与温室气体的排放。

超级电容器也被应用于汽车领域，一种新的超级电容车已经处在研发试运行中，这种超级电容车类似于上个世纪普遍存在的无轨电车，区别在于车顶上用来传输电力的两根电弧消失不见。电车的动力来源就是超级电容器，一般情况下它是被安装在车辆空间比较富余的底部，通常公交车为满足乘客上下车，会在站点停留数秒，在这个时间间隙，被安装在车顶的连接装置发挥作用，动力传输电线与站台的动力桩接触，在很短的时间内完成充电，以使车辆有足够的能量可以继续运行至下一站，充电效率的考量时在这一领域应用中的关键。

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