故障诊断技术作业

中国矿业大学

2018级硕士研究生专业课（课外考核）作业

课程名称故障诊断技术

学生姓名

学号

所在院系电气与动力工程学院

任课教师

中国矿业大学研究生院培养管理处印制

文献综述(电容器)

(1.中国矿业大学电气与动力工程学院徐州221000)

摘要：本文从超级电容器的种类、超级电容器的电极材料和性能研究三个方面对比分析了所选的3篇文献的内容。

ABSTRACT: This paper makes a comparative analysis of the three selected literatures from three aspects: the types of supercapacitors, the materials and properties of supercapacitors.

1.超级电容器的种类

超级电容器也叫电化学电容器，是一种介于二次电池和普通电容器的

一种新型储能装置。它具备比二次电池更优秀的比功率和循环寿命，并且具备比普通电容器更优异的储能效率。

在文献[1]中将超级电容器分为双电层超级电容器和赝电容器，在文献[2,3]中将超级电容器分为3类，相比于文献[1]多了一种混合超级电容器。分类的依据都是电容器的储能机理，具体来说双电层超级电容器的储能原理主要靠电极剩余电荷的静电作用完成。

而赝电容的储能主要靠电子迁移完成，这个过程中电活性材料发生了化学反应或氧化态反应，这种能量储存是间接的。且在文献[2]中对两种电容器的发展历史做了介绍，亥姆霍兹(Helmholtz)于19世纪首次提出双电层

的概念与模型。其原理为当某一电极浸润到电解液中,电荷会在电极与电解液界面处自发的进行有序排列,从而形成一层在电极(电子导体)表面, 另一层

在电解液(离子导体)中的双电层, 这种模型也被称为Helmholt双电层模型。由于该双电层在分子尺度被分开,因而可以被认为是一个物理电容器。

此外文献[2]中介绍了赝电容器的工作原理，赝电容也称为法拉第电容, 即电极材料在外电流的作用下,与电解液发生快速可逆的法拉第氧化还原反应存储电荷。在此过程中电子穿过电极/电解液的界面,引起电极活性材料的价态发生改变。法拉第氧化还原反应可以在电极材料的表面和内部同时产生。由于赝电容电极材料可以在多个价态之间发生转变,因而,赝电容电极材料往往比双电层电极材料具有更高的储电容量。

在文献[3]中对两种电容器的电极材料作了对比介绍，双电层电容器(EDLC)通常以活性炭(AC)、碳纳米管(CNT)和石墨烯(GR)等作为其电极材料。而赝电容器电极材料主要有导电聚合物和金属氧化物。

文献[2]和文献[3]中均提出了混合超级电容器，但是在文献[3]中没有对其进行充分的介绍，在文献[2]中介绍混合超级电容器的工作原理，混合超级电容器的储电过程同时包含双电层和法拉第赝电容等两种不同的储电机理,这种超级电容器包括单个电极同时利用两种不同

的储电机理存储电荷所组成的装置或正、负两极分别利用不同的储电机理存储电荷所组成的装置. 由于混合超级电容器在能量存储的过程中同时包含两种不同的储电过程, 因而,这类装置往往兼有两种储电机理的优势。同时在文献[2]中还介绍了目前混合超级电容器的两种类型：(1)单个电极同时包含双电层机理和赝电容机理所组装的超级电容器; (2)一个是双电层电容电极,另一个是赝电容电极或电池电极所组装的具有非对称结构的超级电容器。

另外一方面，在文献[2]中对电容器按照不同的结构将超级电容器分为三电极(半电池)装置、两电极超级电容器、柔性固态超级电容器、纤维超级电容器和微型(平面)超级电容器等。并详细介绍了它们之间的区别和工作原理。

2.电极材料

在文献[3]中介绍了超级电容器的3类电极材料，碳类电极材料、过度金属氧化物电极材料和导电聚合物电极材料。其中碳材料是双电层电容器最常用的电极材料，它具有原料来源广、电荷传导能力强、比表面积大等特点；它主要包括活性炭及活性炭纤维、石墨烯、碳纳米管。并详细介绍了活性炭电极材料、石墨烯电极材料和碳纳米管电极材料的结构、性能优势等特点。渡金属氧化物具有高的能量密度、比电容及稳定的循环性能，在电极材料领域具有重要应用。常用的金属氧化物电极材料有Co3O4、NiO、MnO2、Mn3O4、RuO2等。接着也详细介绍了各金属氧化物电极材料的结构和性能。导电聚合物材料具有优良的电化学性能，常作为赝电容器的电极材料。该类聚合物包含聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTH)和聚呋喃等。同样对各导电聚合物电极材料的结构和性能作详细的介绍。

在文献[2]中更深一层次的是对电极材料进行正负电极材料单独介绍，而不是笼统的对电极材料的划分，先是对正极电极材料进行介绍，主要包括碳类电极材料、金属氧化物电极材料和导电聚合物电极材料，并就每一种电极材料的性能、结构、发展进行详细的讲解。而后按照相同的方法对负极电极材料进行介绍。最后还对电解质的种类、特点、性能以及超级电容发展趋势进行介绍分析。

在文献[1]中只对碳类电极材料和金属氧化物电极材料进行介绍。同文献[2,3]那样从电极材料的结构、性能、优缺点等方面讲解电极材料。

同时在文献[1,2]中介绍了电极材料的制备方法，文献[1]中的制备方法是炭电极材料，而且是一种生物炭，通过农作物秸秆焚烧得到，农作物秸秆是重要的植物纤维，但在我国大量秸秆被废弃或焚烧，不仅导致资源浪费，而且会产生严重的环境问题。特别是玉米秸秆富含纤维素、半纤维素、木质素以及糖类物质，是制备生物炭材的优良前体。因此将农业废弃物玉米秸秆转化为高性能的生物炭材料并应用于储能设备，对固体农业废弃物高效转化利用和新型绿色能源器件制备及应用都具有重要的理论和实践意义。文献[2]中介绍的的是凝胶电解质和凝胶电解质包埋取向碳纳米管阵列复合电极的制备方法。

3.性能研究

文献[1]先是通过对其制备的是生物炭进行微观形貌分析，最后结果表明，通过炭化和碱刻蚀，能够将玉米秸秆转变为多孔生物炭材料。多孔结构的形成和发育不仅依赖于玉米秸秆自身的本征结构，而且与碱的刻蚀致孔作用密切相关。通过调节上述活化过程中的炭碱比，可以实现生物炭的形

貌和结构调控，从而获得一类表面结构及性能可控、孔径分布合理的新型多孔碳材料。将其作为超级电容器电极材料使用，不仅具有成本低廉、比表面积与孔结构可调的优点，而且其内部独特的三维贯通结构有利于提高电极材料性能，获得性能优异的超级电容器。接着对制备的生物炭基的比表面积和孔径分布进行分析，得到如下图3-1所示结果：

图3-1 生物炭的氮气吸附-脱附等温线(a)和孔径分布曲线(b)

Figure 3-1 Nitrogen adsorption-desorption isotherms (a) and pore size distribution curves (b) of biochars

说明尽管KOH 与生物炭相互反应产生致孔作用，但是随着KOH 用量增加，会进一步刻蚀生物炭骨架结构中的碳原子，使其内部中孔和微孔发生重构或闭合，导致原有结构被破坏，比表面积相应减小。上述结论与SEM 观察得到的结果一致，因此选定m C∶m KOH=1∶3为最佳活化条件。

在文献[2]中对制备的中性水凝胶电解质得到的柔性固态超级电容器进行电化学性能测试得到的结果如下图3-2所示，图(a)-(f)表示的依次是不同扫速下循环伏安曲线(CV)；不同扫速下的瞬时电容图；不同电流密度下的恒流充放电曲线；比电容随电流密度的变化图；不同频率下器件的EIS图；5000次循环充放电下器件稳定图。