超级电容器用生物质衍生多孔炭材料研究进展

能源消费增加促使绿色能源开发成为趋势,同时推动能源存储系统快速发展,超级电容器以高功率密度和长循环寿命的优势得到广泛关注,其中电容炭材料逐渐成为研究热点。用来源广泛、有可再生性、价格低廉、绿色环保的生物质制备超级电容器用多孔炭材料,在开发绿色能源的同时解决了能源存储问题。多孔炭材料结构调控与性能完善是提高超级电容器性能的重要途径之一。综述了生物质衍生多孔炭材料及其在超级电容器领域的应用,按原料来源(植物、动物和微生物)及材料维度(0D、1D、2D和3D)的分类体系,多孔炭材料制备方法及技术现状。将多孔炭的制备分为炭化和活化,简述了炭化与活化机理、活化方式选择和常见活化剂特性,但生物质衍生多孔炭材料制备过程中影响因素多,且性能不及传统煤基碳材料,需进行多方面设计优化,包括选择生物质前驱体、合理使用炭化技术、调控活化过程各影响因素和选择改性过程中掺杂物等。基于在超级电容器领域的应用需求,重点探讨生物质多孔炭材料优化方式,包括孔结构调控、表面元素掺杂及与石墨烯复合形成新型炭材料等。梳理多孔炭材料用于超级电容器中时的难题与重点,通过寻找多孔炭材料在高比表面积、均匀孔隙分布和高导电性3方面的最优组合,提升电极材料电荷存储能力攻克超级电容器能量密度低的问题,同时确保超级电容器耐压能力达到要求。在此基础上,提出提升材料电化学性能和循环稳定性、确保原料来源稳定性和一致性、逐步实现量产的商业化需要等有望取得突破的研究方向。

基于电介质薄膜的器件自愈性能的研究现状

随着能源与电力技术的不断发展,对电容器的需求越来越大,而各种资源的稀缺强调了利用各种能源的必要性,对于各种储能器件如金属化薄膜电容器以及基于电活性聚合物(electroactive polymers,EAP)的能量转换装置提出了更高的要求。然而这两类装置却极易发生电击穿,在工作循环中有着极高的故障率,因此器件的自愈性具有十分重要的意义。文中综述了金属化薄膜电容器和EAP能量转换装置自愈性能的国内外研究现状,首先重点关注了金属化薄膜电容器中自愈理论发展以及各种关键参数对自愈的影响,其自愈最为稳定且研究相对完善。随着介电弹性体的兴起,想要其拥有自愈性能,参考金属化薄膜电容器的结构是一个可行的思路。但如何使得金属电极满足大应力大形变的需求成为一种柔性电极是一个很大的挑战。碳电极是弹性体中应用最为广泛的电极材料,它拥有极好的形变能力,但对于其自愈性能的深入研究较少且缺乏成熟的理论支撑,使得其在工业领域中难以应用和改善。最后总结对比了金属电极以及碳电极在自愈性能上的差异,并预测了可自愈柔性电极新的发展方向,进一步拓展自愈性的器件在工业领域中的应用。

淬火温度对聚硫脲介电储能特性影响的分子动力学模拟

为了提高聚硫脲(polythiourea,PTU)的储能密度,对PTU进行了淬火处理,并采用分子动力学模拟研究了PTU中氢键动力学性质对介电储能特性的影响机理。首先,借助热波动指数(thermalfluctuationindex,TFI)和约化梯度密度(reduction gradient density,RDG)描述了氢键作用模式和强度随淬火温度升高的演变规律。其次,计算了氢键供体分别与受体和氢原子的径向分布函数、自相关函数等,提取了氢键密度和平均寿命。最后,建立了氢键特征参数与介电常数的关联,揭示了淬火提高PTU储能密度的机理。研究发现,淬火温度升高,氢键作用模式发生了由双氢键至单氢键,并最终超过氢键阈值而断裂的演变规律,这造成氢键密度减少,表现为强极性双氢键硫脲阵列数目的减少,导致介电常数减小;同时,氢键强度持续减弱,氢键寿命缩短,动态变化加快,导致硫脲阵列转向势垒降低,这有利于增大介电常数。受氢键作用模式和强度的共同影响,PTU的介电常数随淬火温度升高呈现先增大后减小的变化趋势。当淬火温度为393 K时,PTU的介电常数增大至10,储能密度高达16.3 J/cm~3。

后填充活性炭用于高体积性能超级电容器研究

由于具有丰富的孔隙率,活性炭(AC)的密度较低,导致其用于超级电容器储能难以获得高体积性能(能量密度<10.0Wh/L)。报道了一种单宁酸填充/碳化大孔和介孔的策略来提高其密度。结果表明:后填充的AC结晶度变化不大,密度大幅提高(0.55g/cm^(3)增至1.32g/cm^(3)),用作超级电容器电极实现了优异的体积容量性能,包括高容量(249F/cm^(3)),高倍率性能(65.8%)和高能量密度(17.2Wh/L,在1188W/L下)。填充后的AC性能优于原始活性炭(10.1Wh/L,在495W/L下)和一些最近报道的炭基超级电容器。

Al_(2)O_(3)/SiO_(2)/ZrO_(2)三元复合气凝胶材料的制备及性能研究

以六水合氯化铝(AlCl_(3)·6H_(2)O)、正硅酸乙酯(TEOS)和八水合氧氯化锆(ZrOCl_(2)·8H_(2)O)为混合前驱体,以环氧丙烷(PO)作为凝胶网络诱导剂,乙醇和水作为溶剂,采用溶胶-凝胶工艺和二氧化碳超临界干燥技术制备出了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-ZrO_(2)三元复合气凝胶。研究了不同PO添加量、醇水体积比和Al/Si/Zr摩尔比对其性能和结构的影响,采用扫描电镜、比表面积分析仪和多功能粉体物理特性测试仪对气凝胶的凝胶形态、微观形貌及孔结构进行表征。结果表明:当PO添加量为88mL,醇水体积比为8∶9,Al/Si/Zr摩尔比为12∶3∶1和12∶4∶1时制备出的气凝胶结构性能良好,且凝胶时间在较合适的范围内,具有较低的密度为0.125g/cm^(3)和0.143g/cm^(3),较高的比表面积为683.14m^(2)/g和684.56m^(2)/g。

基于谐振变换器的串联储能单元均压控制策略

储能系统中通常通过串联多个储能单体得到更高的电压,但由于每个储能单体电压的不一致性会降低储能单元的利用率。针对以上问题,提出一种基于谐振变换器的串联储能单元均压控制策略。该均衡电路通过开关阵列与谐振变换器相互配合,实现任意单体之间和任意多单体之间的能量传递,且这两种能量传递模式均实现了零电流开关,减少了电路损耗。为获得最优均衡速度和均衡效率,采用K-Means聚类复合控制策略,优先对分组单元进行均衡,然后再进行单体间的均衡。最后,在Matlab/Simulink平台上对6个串联储能单体进行均衡仿真实验,实验结果表明,在静置均衡实验下,电压在24 min左右达到均衡,且均衡精度达到5 mV,均衡效率达到98.98%。与传统均压方法相比,该方法具有更快的均衡速度和更高的均衡效率。

石墨烯/纳米纤维素复合导电纸的制备及电容性能研究

本研究选用球形碳(GS)作为插层剂,还原氧化石墨烯(rGO)作为导电基质,纤维素纳米纤丝(CNF)作为绿色柔性基底,制备了具有三明治结构的石墨烯/纳米纤维素复合导电纸(rGO/GS/CNF),并探讨了GS和CNF的加入对rGO/GS/CNF的影响。结果表明,与纯石墨烯导电纸相比,CNF和GS的存在改变了复合纸的微观结构,使rGO/GS/CNF具有更好的力学强度(53.7 MPa);GS的嵌入增加了rGO的片层距离,有效改善了rGO/GS/CNF的倍率性能和电容性能。在0.5 mA/cm^(2)的电流密度下,rGO/GS/CNF电极的面积比电容为227.8 mF/cm^(2),经过1000次充放电循环测试后,电容保留率为82.1%,且具有较大的能量密度(62.0μWh/cm2)和功率密度(2080μW/cm2),在柔性超级电容器领域具有良好的应用潜力。

反应性硬模板制备多孔氮掺杂碳的电化学性能

以葡萄糖(G)、尿素(U)、碱式碳酸盐和碳酸钾(PC)分别为碳前驱体、氮掺杂剂、反应性硬模板和活化剂,采用模板碳化-化学活化法合成了层级多孔氮掺杂碳材料。研究了各前驱体质量比、硬模板类型对其结构进而对其用作超级电容器电极性能的影响。结果表明:在800℃裂解温度下,G、U、碱式碳酸锌(BZC)和PC的质量比为2∶1∶2∶2时,制备的多孔氮掺杂碳(G/U-BZC-PC)呈现出珊瑚状、多级孔(微-介),具有大的比表面积(3000 m^(2)/g)、较高的石墨化程度以及低的电荷转移电阻;在1 A/g电流密度下,其扣式电池(6 mol/L KOH)的比电容为301.9 F/g,且具有较好的倍率性能,增大至10 A/g时,其电容保持率为89.4%;另外,在10000次充放电循环后,其电容保持率为98.1%。

二维材料基柔性纤维超级电容器的研究进展

随着智能可穿戴设备的兴起,高性能的纤维超级电容器(FSC)有望为智能可穿戴设备的持续发展做出巨大贡献。二维材料因质量轻、比表面积大、导电性高、机械强度卓越等特性而闻名,这些特性使得二维材料成为制备高能量/功率密度、具备可靠安全性、稳定灵活性以及长周期循环寿命的FSC的理想选择,被认为是未来可穿戴储能设备中最具前景的候选材料之一。随着制备工艺的不断进步,FSC在理论实验和实际应用之间的差距已大大缩小。本文系统回顾了不同的二维材料在FSC的优化设计和纤维结构方面的最新进展,并对其未来的发展进行了展望。

超级电容为载体的补偿设备在空压站抗晃电中的应用探讨

本文旨在探讨超级电容为载体的补偿设备在空压站抗晃电中的应用。空压站作为重要的能源供应设备,在工业生产中扮演着至关重要的角色。然而,由于电网电压波动和负载变化等原因,空压站在运行过程中常面临电能质量问题,其中之一就是电压的不稳定性所导致的抗晃电问题。超级电容补偿设备作为一种新型的解决方案,具有快速响应、高能量密度等优点,可以有效地提高电压的稳定性、能源利用率,并减少电网对空压机的影响。

氢氧化镁-硼酸锌复合阻燃剂辅助制备产率高和电容性能优异的煤焦油沥青基多孔碳

以煤焦油沥青为前驱体,氢氧化镁-硼酸锌复合阻燃剂为助剂,直接在空气条件下高温碳化制备了煤沥青基多孔碳,并探究其电化学性能。得益于阻燃剂的阻燃协同其活化、掺杂功能化作用,得到了高产率(55.1%)、多原子(N、B、O)掺杂且具有分级多孔结构的多孔碳。将其作为超级电容器电极材料,在三电极体系中0.5 A·g^(-1)电流密度下比电容可达344 F·g^(-1)。此外,以制备的多孔碳和壳聚糖基氨基酸质子盐凝胶电解质组装的柔性对称电容器具有29.3 Wh·kg^(-1)的高能量密度,在50 000次循环后电容保持率为96.9%,且在-25~75℃温度区间内可正常工作,显示出宽的温度使用范围。

基于电流的静止无功补偿装置电容器过电压保护

针对串联电抗器的静止无功补偿装置中电容器两端未安装电压互感器导致不能精准实现电容器过电压保护的问题,提出了一种基于电流的并联电容器谐波过电压保护方法。首先,采集电容器两端的电流,利用傅里叶算法计算各次谐波电流;其次,推导电容器基波、谐波电流与电压的关系,依据所推导公式计算电容器两端各次谐波电压;最后,通过仿真软件对文中推导公式进行验证,并阐述了继电保护装置实现电容器谐波过电压保护的方法。结果证明该方法理论推导与实际仿真结果相符,提高了电容器过电压保护可靠性。

玄武岩纤维增强复合材料力学性能的研究进展

玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)凭借优异的机械性能、热稳定性、耐化学性和耐酸碱腐蚀等优点被应用于航空航天、汽车、土木工程、建筑等各个领域,然而相比于玻纤和碳纤增强复合材料,国内外对BFRP的研究还较少,BFRP的力学性能仍有很大的提升空间。其中,基体与玄武岩纤维之间的界面结合性能对于提高复合材料的力学性能至关重要。综述了BFRP力学性能方面的研究现状,分析了纤维与基体界面结合性能对BFRP力学性能的影响,并总结了几种常见的增强BFRP中纤维与基体界面结合性能方法,以期对高性能BFRP的研究发展及高端应用提供参考。

接枝聚丙烯电容薄膜的高温储能特性

随着海上风电、电动汽车和油气勘探的迅速发展,对薄膜电容器的工作温度提出更高的要求。然而,当环境温度达到120℃时,目前使用最为广泛的双向拉伸聚丙烯电容薄膜充放电效率急剧下降,不能满足应用需求。该文制备了苯乙烯接枝聚丙烯(PP-g-St)双向拉伸电介质薄膜,在120℃下,PP-g-St可以将能量密度从0.23 J/cm^(3)提高到1.67 J/cm^(3)(储能效率在90%以上),同时接枝后击穿场强大幅提升,高温泄漏电流得到有效抑制,这源自于接枝后引入的深陷阱限制了载流子的输运。接枝样品中的自聚相经拉伸后与基体具有良好的相容性。该文研究为适用于高温高场条件的聚丙烯基电容器薄膜材料的大规模制备提供可能。

泡沫镍负载NiMoO_(4)/NiMoS_(4)复合材料的制备及其电化学性能

以泡沫镍作为基底,采用水热法原位生长出具有片状结构的NiMoO_(4)活性材料,然后通过水热硫化制备出NiMoO_(4)/NiMoS_(4)复合材料,研究了水热时间和硫脲添加量对样品形貌和电化学性能的影响。电化学结果表明,NiMoO_(4)/NiMoS_(4)电极在电流密度为1A·g^(-1)时,比电容为1560.7F·g^(-1),在电流密度为40A·g^(-1)时循环2000次后,比电容仍为初始比电容的76.7%。将NiMoO_(4)/NiMoS_(4)电极材料与活性炭(AC)分别作为正、负极组装的非对称超级电容器(ASC)在400W·kg^(-1)的功率密度下可提供29.0Wh·kg^(-1)的能量密度。

柔性复合相变材料用于锂离子电池热管理的效果模拟研究

以石蜡为相变材料、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物为弹性载体、石墨烯为导热增强剂,制备了一种柔性复合相变材料(FCPCM),对FCPCM用于锂离子电池热管理的效果进行了模拟研究。结果表明:与空气自然对流热管理手段相比,将FCPCM贴敷于锂离子电池表面进行被动式控温,可使锂离子电池表面中心最高温度至少降低1.89℃;在一定范围内增大FCPCM的导热系数和厚度,可减小电池表面中心最高温度和电池厚度方向的温差;FCPCM与锂离子电池之间的接触热阻也明显影响热管理效果,随着接触热阻增大,热管理效果下降。

金属硒化物储能机理及其在锂离子电容器中的应用

锂离子电容器(lithium-ion capacitors,LICs)是一种兼具锂离子电池和双电层电容器优点的新型功率型储能器件。然而,电池型负极的缓慢电化学动力学性能限制LICs的应用。金属硒化物因其良好的导电性、快速的反应动力学和高理论比容量等优点备受关注。本文对金属硒化物的分类、结构和性质进行系统介绍,并重点讨论插层机制、转化机制和合金化机制的三种储能机制。最后,分析结构调控、碳材料协同和双金属硒化物构筑等改性方案对电化学性能的影响,并介绍由以上三种改性方法制备的结构稳定和高离子/电子传输能力的金属硒化物材料在锂离子电容器中的应用。

用于一体化电极的碳布改性综述

由于碳布密度低、柔性高且导电导热性好,在电子器件中应用广泛。当碳布与其他材料复合时,为获得所需的性能,需对其进行改性处理。总结对当前用于电子器件中一体化电极的碳布进行改性的主要方法。从去浆、形貌处理和活性处理等3个方面进行介绍,并指出每种改性方法的优缺点和选用需考虑的要点。液相反应法对表面活性改变显著,但往往会降低电导率;热空气处理法对形貌改变显著,但操作过程复杂。液相氧化、热空气氧化和高温碳化相结合的改性效果可以更好,形貌改性和活性改性同时进行,可能会得到更好的综合性能。将碳布与活性物质直接复合制成一体化电极而完成改性处理,由于效率高可能成为改性技术的发展趋势。

耐高温聚合物基储能电介质材料的研究进展

聚合物基电介质材料因其击穿强度高、加工性能优异和成本低廉等优点而被广泛应用于金属化薄膜电容器。目前使用最普遍的储能电介质材料为双向拉伸聚丙烯,但是其存在放电能量密度低、耐温性能差等缺陷,已经无法满足现代电力电子系统微型化和集成化的发展要求。因此提高聚合物基电介质材料的储能密度和耐高温性能是储能电介质材料领域的主要挑战。该文综述了近年来新型耐高温聚合物基电介质材料在介电储能领域中的应用进展。首先,介绍了电介质材料的充放电原理,以及决定电介质材料储能密度的关键物理参数;其次,从高玻璃化转变温度、交联作用、电荷陷阱引入及带隙调控3个方面分类介绍了聚合物基耐高温储能电介质的最新研究进展;最后,对耐高温聚合物基储能电介质的发展进行了总结与展望。

金属化聚丙烯膜电容器自愈产气特性与保护技术

金属化膜电容器由于其自愈特性具有较高的工作场强和可靠性,但电容器在自愈过程中会产生大量气体,严重影响电容器运行的可靠性。文中以金属化聚丙烯膜电容器元件为研究对象,分析了自愈产气量与电容量损失的关系,计算了压力保护的动作阈值,采用气相色谱法测量了电容器自愈产生的气体成分,并基于氢敏传感器对电容器在密闭环境中的产气特性进行了研究。研究结果表明,自愈过程的产气体积与其电容量损失近似成线性关系;金属化聚丙烯膜电容器自愈所产生的气体主要包含H_(2)、C_(2)H_(2)、CH_(4)和CO,并且自愈还会产生无定型碳单质;电容器持续自愈过程中密闭环境中的氢气体积分数与加压时间成正比,当电容器发生短路故障时,氢气体积分数会迅速增大,使用氢敏传感装置可以准确的检测到这种现象。