神秘的超级电容器

电容是物理学的基本概念,电容器是电工电子线路中的基本元件.本文从微观结构、储能机理等方面 简单介绍超级电容器.并结合传统电容器概念及影响容量参数等因素阐述超级电容与物理电容的区别,从而揭示 了超级电容容量远大于物理电容的原因     

超级电容器技术及其低碳经济意义

介绍超级电容器结构与储能原理及大容量的储能特性和绿色环保等优点以及超级电容器技术的发展前景和在通信、电力、国防、电子产品等等众多个领域的实际应用.     

电化学超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是一种利用电化学双电层储能或在电极材料表面及近表面发生快速可逆氧化还原反应而储能的装置,具有高的比功率、比能量和长的循环寿命.文章综述了超级电容器电极材料的储能机理、特点及应用,并重点介绍了石墨烯、二氧化锰及其复合电极材料在超级电容器中应用的最新研究进展.     

简易超级电容器的组装及其性能测试

超级电容器因其具有较高的能量密度和快速的充放电速率而成为当今一种新型的能量存储器件。简要介绍简易超级电容器的组装方法及性能测试,阐述其在大学物理实验教学中的可行性。     

基于超级电容器的充放电电路系统研制及其在EAST限制器探针测量中的应用

EAST限制器探针安装在低场侧限制器,在环向上共有两个阵列,可以同时工作在悬浮电位测量、离子饱和流测量和扫描单探针模式.当朗缪尔静电探针运行在离子饱和流测量模式时,需要为其提供稳定的偏压.本文采用大容量电容器为探针提供偏压,相比于其他磁约束聚变装置上使用的9 V干电池组,大容量电容器具有电压设置灵活、易于维护和环保等优点.为此,研发和测试了整套超级电容器的充放电控制电路.本文还基于Python语言开发了超级电容器充放电控制电路的控制软件,通过该软件可以实现对电路的远程控制和自动控制.经实验测试,电容器充放电控制电路可以在长脉冲放电条件下为探针输出稳定的偏压,适用于磁约束聚变的复杂电磁环境.通过将超级电容器充放电控制电路应用于EAST限制器探针诊断,测量了2.45 GHz和4.6 GHz两种低杂波加热条件下刮削层等离子体离子饱和流、悬浮电位、电子温度和密度等特征参数的三维分布,发现2.45 GHz低杂波加热时刮削层电子密度较高,而双波协同加热时刮削层电子密度最高.这一系列测试与物理实验充分验证了超级电容器充放电控制电路的可靠性和稳定性.     

基于碳纳米管的柔性平面微型超级电容器

超薄电子器件的蓬勃发展和日益增长的人性化需求极大促进了可穿戴柔性微器件的发展,但是沉积电极材料在柔性基板上的技术仍处于起步阶段. 本文通过结合四面体制备器辅助涂层法和激光切割叉指构型技术,大规模地将碳纳米管沉积到商用印刷纸上作为电极,切割组装获得了柔性对称微型超级电容器. 制得的微型超级电容器的电化学性能可以通过简单地选择不同的四面体制备器模型制备不同厚度的碳纳米管薄膜进行调控. 优化获得的碳纳米管薄膜基微型超级电容器在0.02 mA的电流下,具有高达4.56 mF/cm²的面电容. 微型超级电容器经过连续10000次循环,器件的性能仍然可以保持接近100%. 四面体制备器辅助涂层方法和激光切割叉指构型技术为制备经济的微电子器件提供了新的视角. 附着碳纳米管的纸电极实现了可调控的面电容,在未来制备平面构型的不对称微超级电容器方面展示了广阔的应用前景.     

导电石墨烯孔道内双电层结构的研究

为有效开发和利用新能源，人们迫切需要高性能的超级电容器提供能量的存储和转换.在超级电容器中双电层结构扮演着关键性的角色.本文利用分子动力学方法通过建立开放的石墨烯纳米孔道(1～2 nm)，研究了KCl溶液在纳米孔道内的双电层结构，同时也比较了恒电量模拟(Q)和恒电势模拟法(U)下双电层结构的异同.结果表明在恒电势模拟法考虑了导电石墨烯壁的镜像作用使结果更符合实验中的材料系统.而石墨烯壁的镜像作用能额外吸附离子从而增强孔道内部的阴阳离子，这可能有助于电极电容的提升.通过对不同孔道高度的研究，本文发现水分子作为介电材料在水基超级电容器中发挥着决定性的作用.它能在很大程度上抵消不同离子和不同孔道高度下双电层的变化，从而在不同情况下获得了相似的电容.     

活性炭超级电容器电极材料放电过程非线性特征研究

论述了活性炭超级电容器材料充放电性能的测试方法步骤和测试结果,在此基础上,通过模拟,确定放电电流随时间的变化规律.建立物理模型,用固体物理理论,从微观角度研究材料的电阻随温度的变化,进而得到活性炭超级电容器材料放电电流强度随温度和放电时间变化规律的解析式,探讨材料原子的非简谐振动对电极材料放电性能的影响.结果表明:(1)电极材料放电电流随时间的变化并不遵从将它作为线性元件处理时的按时间的负指数规律变化,而是非线性减小,减小的情况与温度有关;(2)活性炭超级电容器材料的电阻随温度升高而增大.增大情况与原子振动情况有关:将原子振动作简谐近似处理时,材料的电阻的倒数几乎与温度成反比,考虑到原子非振动后,其电阻随温度升高而增大的情况加剧,温度愈高,非简谐振动项的影响愈大;(3)本文提出的物理模型和采用的理论,能对活性炭超级电容器电极材料放电性能进行有效的研究.     

电化学制备钛网负载聚吡咯/石墨烯复合膜及其在超级电容器中的应用

通过电化学的方法在钛网上制备了聚吡咯与石墨烯的复合物薄膜,其过程是先在钛网上通过自组装干燥膜法附着上石墨烯氧化物膜,而后采用电化学还原的方法原位还原制备得到石墨烯膜,随后加入吡咯单体,再通过电化学聚合的方法在石墨烯的表面生长聚吡咯,得到的聚吡咯开始以颗粒的形式存在,而后随着聚合的进行得到了链状的聚吡咯.得到的复合膜有高的比表面积和导电性,可以作为电极活性材料用于超级电容器中提供赝电容,结果表明,复合膜作为电极材料的超级电容器拥有高的性能,比电容达400 F/g,并且电极的充放电稳定性高,5000次复合膜充放电循环后比电容还能保留82%,说明该材料适合于超级电容器.     

用电阻定义式求特殊电容器直流电阻

在电子线路工程及其教学过程中,都需要对电容器的直流电阻进行计算.然而,对一些特殊形状的电容器的直流电阻计算,普遍采用的电流密度法是比较麻烦的.本文根据电阻定义式,结合电阻的串联和并联的简洁关系,简单明了地对球冠形电容器、柱冠形电容器和正多棱柱形电容器等的直流电阻进行了计算,并给出相应的定量表达式.     

石墨烯在超级电容器中的应用

正1.引言超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型电化学储能元件,它拥有功率密度高、充放电速率快、环境友好、温度特性好及使用寿命长等优点(表1),已在备用电源系统、便携式电子设备和电动汽车领域有广泛的应用。众所周知,电极材料是超级电容器的关键所在,它决定着电容器的主要性能指标,如能量密度、功率密度和循环稳定性等,所以制备合成具有优异性能的电极材料成为超级电容器研究的核心课题。目前,超级电容器的电极材料主要可以分为三类:碳基材料、过渡金属化合物和导电聚合物如图1     

基于中性水凝胶/取向碳纳米管阵列高电压柔性固态超级电容器

随着科技发展和时代进步,发展质轻便携、安全环保的高性能储能器件变得日趋重要,对柔性固态超级电容器的研究也应运而生.柔性电极材料及电解质的选用是设计柔性固态超级电容器的关键因素,近年来一直是研究的热点.考虑到环境污染及实际需求问题,本文采用中性凝胶电解质对具有高比表面积、良好导电性及取向性的碳纳米管阵列进行包埋处理,所形成的柔性复合薄膜作为电极材料,设计制备三明治结构的柔性超级电容器件.通过改变凝胶电解质中所加入的无机盐电解质种类,调控器件的电化学储能性质.最终在聚乙烯醇PVA-NaCl作为凝胶电解质时,整个器件比容量最高达104.5 mF·cm~(–3),远高于有机离子凝胶与碳管阵列形成的复合器件以及无规分布的碳纳米管与水凝胶形成的复合器件,同时获得了0.034 mW·h·cm~(–3)的最大能量密度,并且具有良好的倍率性能、循环稳定性及抑制自放电的效果,并在高电压1.6 V下依然保持良好的化学稳定性.这种中性凝胶/碳管阵列复合超级电容器件不仅满足了绿色安全、柔性便携的要求,未来在医学可植入器件等领域也具有很好的应用前景.     

脉冲功率应用中的金属化膜电容器寿命预测

分析了金属化膜电容器的寿命特性,根据电容器寿命Weibull分布、可靠性分析和影响因素等建立了从元件到整机的电容器寿命预测模型。通过电容器元件和整机的寿命试验,验证了该预测模型的适用性。研究结果表明:储能密度0.5kJ/L下寿命达到6万次以上;储能密度0.95kJ/L下寿命达到2万次以上;通过新技术措施改进,2.0kJ/L下寿命达到1000次以上。     

可拉伸超级电容器的研究进展:电极、电解质和器件

可拉伸超级电容器因在可穿戴电子和健康监测等领域的潜在应用而受到人们的广泛关注,它不但具备普通超级电容器功率密度高、循环寿命长、安全、成本低等优点,而且良好的柔软性和可拉伸性使其能够很好地与可穿戴系统进行集成.本文对已有文献中可拉伸电极/器件的制备方法进行归类、分析,详细总结了可拉伸电极/器件的三种制备方法,即弹性聚合物基底、可拉伸结构设计以及弹性聚合物和可拉伸结构结合;另外,还介绍了多功能可拉伸超级电容器和高弹性凝胶电解质的研究进展;最后,分析总结了可拉伸超级电容器未来发展中仍需面临的一些挑战.期望能够激发更多的研究创造以推动可拉伸超级电容器的实际应用.     

二氧化锰纳米束超级电容器电极材料制备及分析

由聚苯胺捆绑二氧化锰纳米束作为超级电容器的电极材料,具有良好的赝电容特性。聚苯胺良好的导电性影响二氧化锰纳米束的电化学性能,使其阻抗变小,稳定性增强。     

平行板类电容器电容的计算

平行板电容器是一基本电容器,其电容的计算公式为：C=ε0S/d,对于极板不为平面、面积不相等的平行板类电容器电容的计算则较为复杂．本文利用微积分原理,将一个普通电容器看成无限多个微电容器（平行板电容器）的串联,然后,根据电容器串联规律进行积分,最终求出电容器的电容计算公式．此方法是一个求解电容器电容普遍适用的方法,计算结果可以直接被应用．     

关于电容器的一组演示实验

在高中物理电容器的教学中,我们设计并安排了一组用大型示教万用电表组装的电容器演示实验。该实验取材容易、效果明显,能使学生加深对电容概念和物理意义的理解,增强对电容器串、并联时总电容改变的感性认识。一、演示装置装置如图所示。G、V表是目前学校中常用的大型示教万用电表(苏州电表厂出     

基于镍泡沫支撑的Co_3O_4纳米多孔结构的高性能超级电容器电极

在众多能量存储和转化器件中,超级电容器由于具有功率密度高、充放电迅速和优异的循环性能的优点而被广泛研究.然而,较低的比容量和能量密度,限制了超级电容作为大尺度能量存储和转化器件的广泛应用.为了提高超级电容器的比容量,需要增大电极材料和电解质的接触面积,进而促进电极材料俘获/释放电解质中的粒子(例如电子、离子或者小分子).在此,我们通过简单的水热法联合高温退火实验方案能够大规模制备出镍泡沫支撑的Co_3O_4多孔纳米结构.无需借助导电胶和粘合剂,在集流器镍泡沫上"生长"Co_3O_4多孔纳米结构直接作为超级电容的电极材料.这种多孔纳米结构和一体化设计思路不仅能够有效提高电极的导电性,而且能够有效缩短离子和电子的迁移路径.由于多孔的结构特征和优异的导电性能,Co_3O_4电极表现出超高比容量(在电流密度为2.5 m A·cm~(-2)和5.5 m A·cm~(-2)时,比容量分别为1.87 F·cm(-2)(936 F·g-1)和1.80 F·cm~(-2)(907 F·g-1))、较好的倍率性能(电流密度从2.5 m A·cm~(-2)增大到100 m A·cm~(-2)时,保留其48.37%的初始电容)和超高的循环稳定性(经历4000次电流密度为10 m A·cm~(-2)的循环充放电过程,保留其92.3%的比容量).这种多孔纳米结构和一体化设计思路对设计其他高性能储能器件具有重要的指导意义.     

球冠形电容器和柱冠形电容器电容的 简易求法

从平行板电容器的电容表达式出发, 给出球冠形电容器和柱冠形电容器电容的一种简易求法     

激光装置新型能源系统技术改造

改造后的新型能源系统特点为：(1)充电机是能源系统中非常重要的设备，在设计时，用LC串联谐振恒流充电，输出端加隔离保护，使电容器端充电波形基本保持为直线，减小干扰信号的产生和对电容器的冲击。充电时间可调，使得在电容器老化的情况下依然可调节充电机使其基本同时达值，这样电容器在高压状态下等待触发的时间变短，有利于电容器的保护，减缓电容器的老化；(2)用了容差0～5％的双电极自愈式金属化膜电容器，该电容器储能密度(0．5J／cm^3)、可靠性高，系统故障承受能力强(能承受3倍正常放电电流峰值约20kA冲击），