发布日期：2025-12-10 来源: 网络 阅读量（）
化工能源化 工 设 计 通 讯 Chemical EnergyChemical Engineering Design Communications 183 第43卷第5期 2017年5月 本文主要从超级电容的电学性能、元件的结构和原理、 电极材料等方面讨论超级电容的储能机理。 根据电极材料及储能机理可分为双电层电容器、赝电容 电容器和混合型电容器。 1 双电层电容 在电极材料和隔膜中，常使用多孔性材料来提高材料的 比表面积，增加其电容量。隔膜一般采用纤维结构的绝缘材 料以满足更高的离子电导和较低的电子电导。 超级电容器是在界面双电层的理论基础上研究出的一种 特殊电容。Helmoholtz（1879） 、Gouy（1910）等发现在金属 和电解液之间电荷被分离并形成了一个电荷层。在电极和电 解液的接触面上，电解液中携带电荷的离子自发的聚拢在导 体的附近。金属内部的电荷聚集在金属表面，与电解液聚集 的离子各自形成一个电荷层，由此这个具有两层相异电荷的 界面区域就被称为双电层。制造双电层电容器的理论基础就 是德国物理学家 Helmoholtz 提出的界面双电层理论。简而言 之 ： 如果在电解液中放入一对电极，并在电极中间加上不足以 引起电解质溶液分解的直流电压，在电场力的作用下电解液 中的阴阳离子分别向正负两电极快速移动，并在电极的表面 形成电荷层，即通过双电层来储存电能。此时形成的双电层 和普通电容器在电场中电介质极化U8国际官方网站后的极化电荷相似，相当 于电容。这个系统等价于两个串联的电容器加一个内部电阻。 此外致密的双电层等效于平行板电容器，双电层的间距比传 统电容器的两极板距离要小很多，因此电容量比普通电容器 大很多。双电层电容器每一个电极的电容量可表示为： C=A （Ke/ d） ； Ke表示在界面区的介电常数，d 是电荷层间距，A 代表电 解质与电极间接触面面积， （Ke/d）为1030F/cm2，所以比表 面积就主要决定双电层电容的大小，多孔炭材料就成为首选。 2 赝电容电容器 赝电容电容器，也称法拉第准电容器（黄金电容器） ，它 的工作机理是在电极表面或电极内部二维平面上的氧化还原 活性物质（如金属氧化物，导电聚合物等）在电极材料的表面 或者内部进行欠电位沉积， 发生可逆的化学吸附、 脱附或氧化、 还原反应， 相当于在电极表面产生了一个电容， 进而存储电荷。 赝电容可以在整个电极产生，因此电容量和能量密度比双层 电容器更高。在同等条件下，赝电容电容器通过氧化还反应 而产生的最大电容是双电层电容器电容的100倍。 3 超级电容器的电极材料 3.1 负极材料 超级电容器负极材料主要是炭材料，商业化使用的负极 炭材料主要是石墨。因负极材料不参与氧化还原反应，而碳 材料价格便宜，所以法拉第电容也一般制成非对成型电容器。 3.2 正极材料 用来制作超级电容器正电极的材料主要有三类 ： 碳材料、 金属氧化物材料和导电聚合物材料。现在主要有以下几种电 极材料 ： 最初被用作电极材料的是多孔炭 ； 活性炭粉、活性 炭纤维、碳凝胶、碳纳米管、玻态炭、模板炭、碳化物衍生炭、 石墨烯等。碳材料具有比表面积大、导电率高、电解液浸润 性好、电位窗口宽等优点，但是它的缺点主要是能量密度及 功率密度低使其比电容偏低。这种材料主要是利用电极 / 电解 液界面形成的双电层储存能量，即双电层电容，通过增大电 极活性物质的比表面积，可以增加界面双电层面积，从而提 高双电层电容。但实U8国际官方网站际利用率并不高，原因在于现在的工艺 条件制备的多孔碳材料无法避免孔径为2nm 以下微孔的形成， 而理想的多孔碳材料的小孔直径一般要大于2nm 才可有效的 形成双电层。因此要努力提高比表面积并控制微孔直径，使 其直径大于2nm。除此之外，电极材料表面的官能团和电极材 料本身的导电率对电容器的性能也有影响。 金属氧化物电极材料的研究是以法拉第准电容储能原理 为研究基础的。就是在电极与电解质接触面上发生氧化还原 反应进而产生的吸附电容即法拉第准电容，容值是多孔炭材 料的双电层电容的10100倍。但金属氧化物材料价格高且双 电层电容瞬间大电流放电的功率比赝电容电容器高。对于金 属氧化物电极材料研究工作主要为以下两个研究方向 ： 制 备高比表面积的金属氧化物活性物质。使单一金属氧化物 与其他金属氧化物复合。 4 结束语 导电聚合物材料也是一个重要的研究对象，导电聚合物 在充放电过程中发生氧化还原反应，在电极材料膜上迅速产 生 n 或 p 型掺杂进而使电极材料上储存高密度的电荷，产生 很大的赝电容来实现电容器对电能的储存。这种电极材料制成 的超级电容器具有工作时间长、适温范围广、环境友好等特 点， 但电极材料本身化学稳定性差。合成新的导电聚合物材料， （下转第196页） U8国际官方网站摘 要 ： 为了减少对化石能源的依赖，发展电动U8国际官方网站车辆，但由于其能源储存不方便性，制约了它们的发展。由此为了制备廉 价高性能的电极材料，提高储能元件的性能，研究超级电容器就显得尤为重要。目前已经制造出以超级电容为储能元件的公交 电车，在乘客上下车30s 内可充满电并连续行驶5公里 km 以上。但对于需要连续行驶里程更长的电动汽车而言，这样的储电量 是远远不够的，所以提高超级电容的能量密度是非常重要的。 关键词 ： 超级电容器 ； 电极材料 ； 储能机理 中图分类号 ： TM53 ； TB332 文献标志码 ： B 文章编号 ： 10036490（2017）05018302 Electrode Material and Energy Storage Mechanism of Supercapacitor Luo Yu-xin，Dong Xiao-feng，Luo Meng-qi，Tan Ya-mei，Zhuo Chun-rui，Yang Guang-min Abstract ： In order to reduce the dependence on fossil energy，the development of electric vehicles，but because of the inconvenience of their energy storage restricts their development.Therefore，it is very important to study the super capacitor in order to prepare the high performance electrode material and improve the performance of the energy storage element.At present，it has been made a super capacitor as the energy storage components of the bus，the passengers get off the 30s can be full of electricity and continuous travel more than 5 km.But it is not enough for an electric vehicle that needs a longer range of mileage，so it is very important to improve the energy density of supercapacitors. Key words ： supercapacitor ； electrode material ； energy storage mechanism 超级电容器电极材料及储能机理 罗玉馨，董小凤，罗梦琪，谭亚梅，卓春蕊，杨光敏* （长春师范大学物理学院，吉林长春 130000） 收稿日期 ： 20170405 作者简介 ： 罗玉馨（1997） ，女，湖南长沙人，本科在读，主要研 究方向为物理材料。 通讯作者 ： 杨光敏（1981） ，女，吉林长春人，副教授，主要研究 方向为纳米碳材料的研究。 资源与环境化 工 设 计 通 讯 Resources and EnvironmentChemical Engineering Design Communications 196 第43卷第5期 2017年5月 处理工段数量主要设计参数 有效尺寸 （长 宽 高， m） 备注 pH 值调整池1HRT=1.0h2.03.0PE 成品水箱 污泥池1HRT=1.0h2.03.0PE 成品水箱 浓水池1V=4m31.752.1PE 成品水箱 清水池1HRT=1.0hPE 成品水箱 综合机房1S=100m2原有 表4 各处理单元主要设备及材料表 处理工序 数量主要设备主要材料备注 调节池1 曝气搅拌系统 1 套 ； 提升泵 2 台 （1 用 1 备） PVC 管道 反应池1曝气搅拌系统 1 套； 加药装置 1 套。NaOH 沉淀池1污泥泵 2 台（1 用 1 备） PTFE-MCR1 PTFE 膜系统 1 套 ； 自吸泵 1 台 （材质 304） ； 清洗系统 1 套 PTFE 膜 400m2 上海同 盟环境 PH 调整池 2 曝气搅拌系统 1 套； 加药装置 1 套； 保安过滤器（5um）1 套 ； RO 反渗 透装置（6m3/h）1 套 GE 膜（AG8040F） 18 支 ； 槽钢， 方管 1 批 药剂 HCl 污泥池1 隔膜泵（QBY-40）1 套 ； 污泥脱水 机（XM70/80030U，60m2）1 套 浓水池2 提升泵 2 台（1 用 1 备） ； 2m3/h 三 效蒸发器 1 套 上海同 盟环境 清水池1 反冲洗水泵，1 台，消毒药剂投加 装置，1 套 综合机房1配电柜 1 套西门子 S200 4 废水调试与运行结果 污水厂开始进水调试15d 即稳定达标，药剂用量如表5所 列 ： 5 处理效果 调试成功后，通过监测，出水指标全部达标，于2016年7 月通过当地环保部门验收。每个处理环节控制好 pH 值是处理 好此类废水的关键 1 出水主要指标见表6。 表5 药剂消耗量和污水量关系表 药剂 水量 NaOH（固体）HCl（30% 溶液） NaHSO3（固体） Pwt（阻垢 剂、母液） kg /d kg/ 次 浓度 % kg /d kg/ 班 浓度 % kg /d kg/ 班 浓度 % kg /d 浓度 % 200m3/d 150 左右 50 左右 10 20 100 左右 50 左右 10 15 104 5 10 0.1 0.1 0.2 表6 废水处理系统出水水指标 污染因子pH 值 COD （mg/L） 锡离子 （mg/L） 铜离子 （mg/L） 镍离子 （mg/L） 氨氮 （mg/L） 水质6.57.5 30 0.05 0.05 0.01 3 由表中数据可以看出系统出水稳定达标，出水中60% 回 用于车间生产，为可观的经济效益。 6 工艺经济性分析 6.1 项目总投资概算 项目总投资概算为187万元，其中设计费为9.10万元，土 建费为3.85万元，设备费为168.80万元，安装费为8.50 万元， 调试及培训费为5.25万元。 6.2 运行成本和效益分析 处理成本包括动力费、药剂费、人工费三部U8国际官方网站分。其中动 力费约为2.6 元 /m3，药剂费约为5.5元 /m3，人工费约为1.0元 /m3，总处理成本（不含蒸汽费用和折旧及大修费用）约为9.1 元 /m3。 自来水按2.5元 /m3，日回用水量为120m3，则创造效益为 1202.5=300元 / 天（不含折旧及大修费用） 。 7 结论 电镀废水水质复杂，水质、水量差异大，直接综合处理 难度大、投资高。根据废水的水质，采取物化沉淀为预处理、 “PTFE-MCR 膜 +RO 反渗透膜”和“三效蒸发”为主要处理 的工艺， 能实现电镀废水处理达标排放， 同时实现部分回用水， 节约废水处理成本，创造良好的经济效益。 参考文献 1 刘定富，郭丽颖 .pH 值调控对电
Combination of tumor-associated regulatory T cell deletion and PD-1PD-L1 blockadeA promising immunotherapy for hepatocellular carcinoma.pdf
中消研公司内部培训手册—市场拓展部项目经理岗前培训课件(DOC 120页).doc
