混合型高电压超级电容器的
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王 凯 等：混合型高电压超级电容器的研究
１６７５
混合型高电压超级电容器的研究＊
王 凯，张 莉，李 琛
（大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 １１６０２３）
摘 要： 通 过 优 化 组 合 电 解 电 容 器 的 阳 极 和 电 化 学
电容器的 阴 极，以 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 为 阳 极，活 性 炭 为 阴 极，
Ａｌ２Ｏ３ 和 ＡＣ 为 阴 极 制 备 了 ３５Ｖ 的 混 合 型 超 级 电 容 器 。 ［４］ 本文应用钽电解电 容 器 的 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 为 阳 极 和 ＲｕＯ２／ＡＣ 为阴极 制 作 了 混 合 型 超 级 电 容 器 。 ［５］ 由 于
Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３ 漏电流大，容量稳定性较差，而 且 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 漏电 流 小，容 量 稳 定 性 强，因 此 选 用 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 为 阳 极。由于二氧化 钌 价 格 昂 贵 且 对 环 境 有 污 染，而 活 性 炭价格低廉，比表 面 积 大，且 是 产 业 化 的 理 想 材 料，因 此本文采用活性炭为阴极。
用 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 薄膜作为阳极，活 性 炭 作 为 阴 极，无 纺纤维布作为隔膜，用３ｍｏｌ／Ｌ ＫＯＨ 作为电解液 组 装 成 的 模 拟 电 容 器 （半 径 为 １５ｍｍ，高 度 为 ５ｍｍ），结 构 图 如图１所示。
３ 性 能 测 试
对模拟超级电 容 器 做 恒 流 充 放 电、交 流 阻 抗 和 循
环性能测试，上述实验研究均利用 ＣＨＩ６０８Ａ 型电化学 工 作 站 （上 海 辰 华 仪 器 公 司 ）进 行 测 试 。 根 据 公 式 ：
Ｃ
＝
Ｑ Ｕ
，Ｑ
＝ＩｔБайду номын сангаас
＊ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７７０７５）
收 到 初 稿 日 期 ：２０１１－１１－３０
收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１２－０４－２３
２ 实 验
２．１ 混 合 电 容 器 阳 极 的 制 备 由高纯度的多 孔 金 属 钽 粉 末 作 为 电 极 原 料，压 制
成型后，经高 温 烧 结，采 用 ０．０１％ 的 磷 酸 溶 液 作 为 形 成电解液，在一定 的 电 压、电 流 密 度 和 温 度 下，用 电 化 学 方 法 控 制 反 应 时 间 ，在 半 径 为 １５ｍｍ、厚 度 为０．１ｍｍ 的钽 阳 极 表 面 生 成 厚 度 为 ０．０１ｍｍ 的 １ 层 Ｔａ２Ｏ５ 薄 膜，共 同 组 成 超 级 电 容 器 的 阳 极，用 钽 丝 作 为 阳 极 引 线。Ｔａ２Ｏ５ 是一种 非 导 电 金 属 氧 化 物，它 作 为 阳 极 电 介 质 ，能 够 耐 受 一 定 的 电 压 ，并 且 该 电 压 与 电 介 质 薄 膜 层 的 厚 度 成 正 比 ，本 文 工 作 电 压 设 计 为 １００Ｖ。 ２．２ 混 合 电 容 器 阴 极 的 制 备
研制了一种单元工作 电 压 为 １００Ｖ 的 混 合 型 超 级 电 容
器。该电容器与 超 级 电 容 器 相 比 较，工 作 电 压 得 到 了
提高。测试表明其具有高储能密度和快速充放电的能
力 ，频 谱 阻 抗 （ＥＩＳ）分 析 显 示 其 具 有 优 良 的 阻 抗 特 性 和
频率特性。
关 键 词 ： 混 合 电 容 器 ；Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５；活 性 炭
高 成 本 、降 低 设 备 的 灵 活 性 ，因 此 如 何 提 高 超 级 电 容 器
单体的工作电压是保证大功率工作的重要前提。
为了解决超级 电 容 器 的 低 工 作 电 压 问 题，国 外 提
出了结合电解电容器的阳极和电化学电容器的阴极的
混合型电容器。景艳等应用 铝 电 解 电 容 器 的 阳 极 Ａｌ／
通 讯 作 者 ：张 莉
实际应用中，如电 动 汽 车，往 往 工 作 电 压 要 求 很 高，这
就需要成百上千 个 单 元 串 联，才 能 满 足 工 作 电 压 的 要
求 。 通 过 串 联 ，一 方 面 由 于 串 联 单 体 数 量 的 增 加 ，必 然
带来总体容量的 降 低 和 等 效 串 联 电 阻 的 增 加；另 一 方
面由于各单 元 电 容 器 的 性 能 和 参 数 存 在 着 一 定 的 差
异，当 电 容 器 串 联 时，各 个 单 元 的 电 压 分 布 是 不 均 匀
的，这样就容易带来局部击 穿，最 终 导 致 全 部 击 穿 。 ［４－７］
为了解决这个问 题 就 必 须 引 入 均 压 装 置，但 是 这 将 提
中 图 分 类 号 ： ＴＭ５３３
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１２）１３－１６７５－０３
１ 引 言
超级电容器是 一 种 新 型 的 绿 色 储 能 元 件，具 有 高
比电容和高比功 率，能 瞬 间 释 放 大 电 流 及 循 环 寿 命 长
等特点，填补了传统电容器 和 电 池 之 间 的 空 白 。 ［１－３］ 但
把活性炭（上海产）用 Ｈ２Ｏ２（３０％ （质 量 分 数））浸 泡６ｈ，用去离子水反复冲洗，将活性炭和石墨按照 ９∶ １ 质 量 比 例 混 合 ，用 研 钵 研 磨 ３０ｍｉｎ，使 其 充 分 混 合 ，加 入足够的无水乙 醇 调 成 浆，用 超 声 波 振 荡 ３０ｍｉｎ 使 其 进一步混合均匀，加入适量的聚四氟乙烯作为粘 合剂。 用辊轧机压 成 厚 度 为 ０．５ｍｍ 的 薄 片，切 割 成 半 径 为 １５ｍｍ 的圆形电极片。在８０℃下烘干至恒重。将电极 压制到 泡 沫 镍 网 集 流 体 上。 电 解 液 采 用 ３ｍｏｌ／Ｌ 的 ＫＯＨ 溶液。 ２．３ 混 合 超 级 电 容 器
是超级电容器的能量密度较低。根据电容器的能量计
算公式：
Ｅ
＝
Ｃ Ｕ２ ２
可以发现提高能量密度的有效方法是提高超级电容器
的工作电压（Ｕ）和 电 容 量 （Ｃ）。 由 于 超 级 电 容 器 的 工
作 电 压 受 电 解 液 击 穿 电 压 的 限 制 ，单 体 电 压 很 低 ，一 般
水性电解液低 于 １．２Ｖ，有 机 电 解 液 低 于 ３Ｖ。 但 是 在
１６７５
混合型高电压超级电容器的研究＊
王 凯，张 莉，李 琛
（大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 １１６０２３）
摘 要： 通 过 优 化 组 合 电 解 电 容 器 的 阳 极 和 电 化 学
电容器的 阴 极，以 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 为 阳 极，活 性 炭 为 阴 极，
Ａｌ２Ｏ３ 和 ＡＣ 为 阴 极 制 备 了 ３５Ｖ 的 混 合 型 超 级 电 容 器 。 ［４］ 本文应用钽电解电 容 器 的 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 为 阳 极 和 ＲｕＯ２／ＡＣ 为阴极 制 作 了 混 合 型 超 级 电 容 器 。 ［５］ 由 于
Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３ 漏电流大，容量稳定性较差，而 且 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 漏电 流 小，容 量 稳 定 性 强，因 此 选 用 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 为 阳 极。由于二氧化 钌 价 格 昂 贵 且 对 环 境 有 污 染，而 活 性 炭价格低廉，比表 面 积 大，且 是 产 业 化 的 理 想 材 料，因 此本文采用活性炭为阴极。
用 Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５ 薄膜作为阳极，活 性 炭 作 为 阴 极，无 纺纤维布作为隔膜，用３ｍｏｌ／Ｌ ＫＯＨ 作为电解液 组 装 成 的 模 拟 电 容 器 （半 径 为 １５ｍｍ，高 度 为 ５ｍｍ），结 构 图 如图１所示。
３ 性 能 测 试
对模拟超级电 容 器 做 恒 流 充 放 电、交 流 阻 抗 和 循
环性能测试，上述实验研究均利用 ＣＨＩ６０８Ａ 型电化学 工 作 站 （上 海 辰 华 仪 器 公 司 ）进 行 测 试 。 根 据 公 式 ：
Ｃ
＝
Ｑ Ｕ
，Ｑ
＝ＩｔБайду номын сангаас
＊ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７７０７５）
收 到 初 稿 日 期 ：２０１１－１１－３０
收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１２－０４－２３
２ 实 验
２．１ 混 合 电 容 器 阳 极 的 制 备 由高纯度的多 孔 金 属 钽 粉 末 作 为 电 极 原 料，压 制
成型后，经高 温 烧 结，采 用 ０．０１％ 的 磷 酸 溶 液 作 为 形 成电解液，在一定 的 电 压、电 流 密 度 和 温 度 下，用 电 化 学 方 法 控 制 反 应 时 间 ，在 半 径 为 １５ｍｍ、厚 度 为０．１ｍｍ 的钽 阳 极 表 面 生 成 厚 度 为 ０．０１ｍｍ 的 １ 层 Ｔａ２Ｏ５ 薄 膜，共 同 组 成 超 级 电 容 器 的 阳 极，用 钽 丝 作 为 阳 极 引 线。Ｔａ２Ｏ５ 是一种 非 导 电 金 属 氧 化 物，它 作 为 阳 极 电 介 质 ，能 够 耐 受 一 定 的 电 压 ，并 且 该 电 压 与 电 介 质 薄 膜 层 的 厚 度 成 正 比 ，本 文 工 作 电 压 设 计 为 １００Ｖ。 ２．２ 混 合 电 容 器 阴 极 的 制 备
研制了一种单元工作 电 压 为 １００Ｖ 的 混 合 型 超 级 电 容
器。该电容器与 超 级 电 容 器 相 比 较，工 作 电 压 得 到 了
提高。测试表明其具有高储能密度和快速充放电的能
力 ，频 谱 阻 抗 （ＥＩＳ）分 析 显 示 其 具 有 优 良 的 阻 抗 特 性 和
频率特性。
关 键 词 ： 混 合 电 容 器 ；Ｔａ／Ｔａ２Ｏ５；活 性 炭
高 成 本 、降 低 设 备 的 灵 活 性 ，因 此 如 何 提 高 超 级 电 容 器
单体的工作电压是保证大功率工作的重要前提。
为了解决超级 电 容 器 的 低 工 作 电 压 问 题，国 外 提
出了结合电解电容器的阳极和电化学电容器的阴极的
混合型电容器。景艳等应用 铝 电 解 电 容 器 的 阳 极 Ａｌ／
通 讯 作 者 ：张 莉
实际应用中，如电 动 汽 车，往 往 工 作 电 压 要 求 很 高，这
就需要成百上千 个 单 元 串 联，才 能 满 足 工 作 电 压 的 要
求 。 通 过 串 联 ，一 方 面 由 于 串 联 单 体 数 量 的 增 加 ，必 然
带来总体容量的 降 低 和 等 效 串 联 电 阻 的 增 加；另 一 方
面由于各单 元 电 容 器 的 性 能 和 参 数 存 在 着 一 定 的 差
异，当 电 容 器 串 联 时，各 个 单 元 的 电 压 分 布 是 不 均 匀
的，这样就容易带来局部击 穿，最 终 导 致 全 部 击 穿 。 ［４－７］
为了解决这个问 题 就 必 须 引 入 均 压 装 置，但 是 这 将 提
中 图 分 类 号 ： ＴＭ５３３
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１２）１３－１６７５－０３
１ 引 言
超级电容器是 一 种 新 型 的 绿 色 储 能 元 件，具 有 高
比电容和高比功 率，能 瞬 间 释 放 大 电 流 及 循 环 寿 命 长
等特点，填补了传统电容器 和 电 池 之 间 的 空 白 。 ［１－３］ 但
把活性炭（上海产）用 Ｈ２Ｏ２（３０％ （质 量 分 数））浸 泡６ｈ，用去离子水反复冲洗，将活性炭和石墨按照 ９∶ １ 质 量 比 例 混 合 ，用 研 钵 研 磨 ３０ｍｉｎ，使 其 充 分 混 合 ，加 入足够的无水乙 醇 调 成 浆，用 超 声 波 振 荡 ３０ｍｉｎ 使 其 进一步混合均匀，加入适量的聚四氟乙烯作为粘 合剂。 用辊轧机压 成 厚 度 为 ０．５ｍｍ 的 薄 片，切 割 成 半 径 为 １５ｍｍ 的圆形电极片。在８０℃下烘干至恒重。将电极 压制到 泡 沫 镍 网 集 流 体 上。 电 解 液 采 用 ３ｍｏｌ／Ｌ 的 ＫＯＨ 溶液。 ２．３ 混 合 超 级 电 容 器
是超级电容器的能量密度较低。根据电容器的能量计
算公式：
Ｅ
＝
Ｃ Ｕ２ ２
可以发现提高能量密度的有效方法是提高超级电容器
的工作电压（Ｕ）和 电 容 量 （Ｃ）。 由 于 超 级 电 容 器 的 工
作 电 压 受 电 解 液 击 穿 电 压 的 限 制 ，单 体 电 压 很 低 ，一 般
水性电解液低 于 １．２Ｖ，有 机 电 解 液 低 于 ３Ｖ。 但 是 在