碳基超级电容器的自放电影响因素及机理研究

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超级电容器作为功率型器件,具备传统化学电源包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等无法满足的特性,可广泛应用于轨道交通,国防军事,汽车电子,储能发电等领域。超级电容器的电压决定了其存储电荷的能力,在使用过程中由于自放电程度不同,导致单体电压的不一致,会大幅增加管理系统的管理成本,直接影响超级电容器的适用性。本文针对超级电容器存在的严重自放电现象,开展了关于两种碳基超级电容器的自放电研究,着重考察了自放电的影响因素,并基于自放电机理模型做了仿真研究。具体的研究内容如下:(1)组装了软包装的碳基超级电容器,对比了常温条件下活性炭电极材料对其自放电的影响,结果表明,用HCE202活性炭(比表面积1616m~2·g-1,平均孔径为3.0208nm)制备的双电层电容器的荷电能力最佳,电压保持能力分别为84.4%(TEABF4/AN)和81.9%(TEABF4/PC)。用YP50活性炭(比表面积1457m~2·g-1,平均孔径为3.29nm)制备的锂离子电容器的荷电能力最强,电压保持能力为98.2%(预锂化30%)。(2)组装了软包装的双电层超级电容器,对比了电解液的溶质和溶剂对自放电的影响,结果表明,AN体系中采用SBPBF4电解质的电压保持能力最佳为84.2%,在PC体系中采用TEABF4电解质的电压保持能力最佳为80%。软包装的锂离子电容器通过预锂化工艺可以将电压保持能力从89.7%提高至98.2%。(3)环境温度和荷电状态的提高都会加剧碳基超级电容器的自放电。此外,造成双电层电容器自放电的主要原因是负极电压的变化,而造成锂离子电容器自放电的主要原因是电容型正极的电压变化。(4)采用包括欧姆泄露、扩散及法拉第过程在内的混合机理模型,对碳基超级电容器的自放电进行了仿真,并得到了各部分机理导致的电压贡献。结果表明,自放电的衰减主要源于法拉第过程,其次是扩散过程,欧姆泄露影响最小。
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