超级电容器温度离子液体.docx

超级电容器的使用受到环境因素的影响，但是很少有科学家对其研究。本文研究了环境温度对超级电容蹲电容值的影响问题。通过设计一种独特的电容涔来探究它对环境温度的敏感性。木实验以热解石墨和热解石墨进行了表面行墨烯化做电极材料，离子液体做电解质。讨论了其他条件相同时测试频率的影响，同时测试了OC到80C范用温度变化时超级电容器电容值的变化趋势，漏电损耗及超级电容器对温度的敝感性。结果表明：在超级电容器两极板间填充满离子液体的情况下，极板间的距窗和温度对电容值几乎无影响：随着温度的升高，超级电容器的电容值增大：表面石墨烯化处理的超级电容器灵敏度提高数倍。关键词：超级电容器；温度：离子液体bstractTheuseofsupercapacitorsisaffectedbyenvironmenta1.factors,butfewscientistshavestudiedthem.Thispaperstudiestheeffectofambienttem)eratureonthecapacitanceofsupercapacitors.Itssensitivityhasbeenexp1.oredtoambienttemperaturebydesigningauniquecapacitor.Inthisexperiment,natura1.graphiteandsurface-treatedgraphitewereusedase1.ectrodemateria1.sandionic1.iquidase1.ectro1.yte.Theinf1.uenceofthetestfrequencywhenotherconditionsarcthesameisdiscussed.Atthesame1.ime,thechangetrendofthecapacitanceva1.ueofthesupercapacitor,the1.eakage1.ossandthesensitivityofthesuperCaPaCiIortothetemperaturewhenthetemperaturechangesfromO'Cto8()'Caretested.Theresu1.tsshowthatwhenthesupercapacitorp1.atesarefi1.1.edwithionic1.iquid,hedistanceandtemperaturebetweenthep1.ateshavea1.nx)stnoeffectonthecapacitanceva1.ue;As(hetemperatureincreases,thecapacitanceva1.ueofthesupercapacitorincreases;Thesensitivityoftheprocessedsupercapacitorhasincreasedsevera1.times.Keywords:Supercapacitor;Tem)erature:Ionic1.iquidMarkeistandMarket根据最新市场有关研究报告发现，从2013年至2020年短短七年里，全球超级电容器市场迅速发展，更合年增长率(CAGR)为26.93%.其中，美国超级电容器的应用范用最广，而U,美国麦克斯I；公司最近研究的超级电容器被用于费城城际轻轨的升级：韩国开发的石墨烯超级电容潺与锂离子电池相比，具有几乎相同的储能能力：德国，日本，俄罗斯,英国，法国和其他国家在世界上处于领先地位口期。但中国在超级电容器的研究经验和技术枳累方面相对不足。1.2超级电容器的种类根据电荷储存机理和电极材料活性的不同，超级电容器可以分为双电以电容器(ED1.C)、法拉第电容器(Fe)(乂称底电容器)及混合超级电容器口。/1.1.2.1 双电层电容器(ED1.C)双电展电容器(EIeCIriCa1.Doub1.e-IayerCapaciior)简称EDIC该电容器是在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压下工作的，此时，电解液中的正负离71起到重要作用，正负离子迅速移到两个电极,并分别在两电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层U叫整个过程为物理过程。工作原理如图1-1：图I-IED1.C工作原理图W双电层电容器具有下列优点也叫循环次数比普通电池高数倍：降耗减持无污染：可以在极短的时间内完成充放电。1.2.2 法拉第电容器(FC)法拉第电容器又称断电容器，简称FC。这种电容器的电极材料(例如金属氧化物)具有电化学活性，可以在充放电过程中存储能量，该电化学电容器电容的产生是在电极表面的电解质和电极材料之间快速进行的，本质是发生了辄化还原反应U儿工作原理如图1-2图12FC工作原理固网法拉第电容器具有以卜优点|网：能缈提供比普通电容器更高的能量密度：比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命。1.2.3 混合超级电容器(HybridSuperCapacitor)混合超级电容器，简称HSC。在前两者超级电容器的优良性能的基础上，又结合了其他优良的性能。例如：能量密度更高、环境更加友好、输出功率更大、效率更高等众多优点13温度传感器简介13.1温度传感器概述温度是我们常用的一个物理量，与我们的生活息息相关。大幅度的温度改变可以比较容易地被感知，但是微弱的温度变化不容易被测量或感知，这时就需要一种能将湿度这个物理量转化为另外一种容易传达的物理信号表达出来，于是海度传感器便产生传感器的发展促进了传统行业的改造，也在生活中得到广泛的应用.温感电容器属下热电式传感器的一种，由了工作环境温度的变化，温感型超级电容器的内阻会产生变化，用发电容值的改变。因为温感电容罂的性能比较特殊，导致温感电容器在不同工作环境下表现出来的性能仃好石坏，为了进步改进温感电容器，有必要研究在不同环境温度下对温感电容器电容值的影响.1.3.2温感超级电容器的应用随着对电容器研究的深入，由于超级电容器特殊性能,外界压力，空气湿度,环境温度等条件的变化，都会引起介质介电常数的变化。利用这些超级电容器的特性，我们可以寻找出其自身存在的规律来制作出不同的传感罂，和普通的温度传感器不同，温感型超缎电容器可以对更细微的温度变化产生反应，可以运用在精密仪器研究上，未来发展势头不容忽视。1.4本课题研究的目的和意义在超级电容器的研究上，大部分科学家研究的是超级电容器的容量问题.本实验主要探究的是工作环境温度的变化，对超级电容器电容值的变化情况。分别用热解石墨和表面石墨烯化热解石墨制成的超级电容器寻找电容值的变化规律通过了解分析超级电容器随工作环境变化情况可以为超级电容器的后续改进提供条件，对工作环境的改变做出精准的反应方案。2实验部分2.1 实验试剂和仪器2.1.1 实验主要试剂表2-1试剂名称及厂家试剂名称r»热解石'墨片巩义市瑞丰石墨制品有限公司相片无蜴恰利菜金展材料有限公司钢箔胶带南京佳恒电子科技有限公司解质溶液，通过一系列的组装制成设想的温感型超级电容器“以该电容器的电容值为衡疥指标，改变测试环境的温度，观察该电容器的电容值随测试环境温度的变化情况。首先控制其他其他测忒条件相同，例如测试须率、两极板间的距离、极板的表面积等相同，逐渐改变测R环境的温度，观察两电容器的电容值是如何发生变化的。若在测试环境温度变化的过程中，两电容器的电容值变化较小或几乎不发生变化，则说明测忒的环境温度对电容器的电容值影响较小或几乎无影晌，设想不成立，无法制成较为理想的温感型超级电容器：若测成环境温度发生.变化时，就能引起该电容器电容值的显著变化，则说明该电容器对温度的敏感性较好，设想成立，可以制成一种较好的温度传感器。同时观察记录两种电极材料制成的电容器时温度的敏感性，这将为湿感型超级电容器的电极材料的选择提供依据。图2-1温敏型超级电容器原理模拟图图2-2不对称超级电容器结构示意图图2-3用材料密封包装部分示意图2.4温感超级电容器电容值的测定启动TH26I7电容测量仪，设置100HZ的频率下，将两电极与仪器相连接，将装满三分之二水的烧杯放在磁力搅拌器上控制温度，从I(TC开始稳定控制温度上升，将湿感电容器放入水中，利用水浴的方法控制实脸温度“待数据稳定后读取液晶显示仪上的电容值和漏电损耗读数并记录实验数据.3实验数据与分析3.1 离子液体的量对电容影响图是天然石墨电容器测试频率为100HZ时，极板间填充适量离子液体的多少对电容值影响曲线：图(b)天然勺墨表面勺墨烯化测试频率为100HZ时，极板间填充适量离子液体的多少对电容值影响曲线。在相同频率卜.，电容器极板间填充离子液体的多少对电容器的电容值的影响趋势表明：在未填充满离子液体的怙况下，不论是热解石器制成的电容器还是热解石黑表面石强烯化制成的电容器，两者的电容值都随着离子液体填充量的增加呈上升趋势，且极板间密子液体的填充量的多少对热解石果制成的电容器的电容值影响更加显著：在极板间填充离子液体相同的情况下，测试温度时电容器的电容值也会产生影响，在测试温度从IOC到80X?上升的过程中，电容器的电容值随着温度的增加呈上升趋势，时温度的变化有感应。在填充适量离子液体的情况下测成不同层数的电容值，电容值在层为2.8801F层数增加，电容值也开始增大,到四层时电容值为5.8205F,达到最高，四层后随着层数的增加电容值也开始降低，因此选取两极板间四层距离为实验条件。在极板间离子液体充满的情况卜:对电容器的电容值测量发现：测试电容涔两极板间距离不等时的电容值，即分别测试一至四层的电容值，测试结果发现，其始终保持在2-3",距离时电容值的大小无影响，没有受到距离变化的影响:测试温度对极板间填充满离子液体的电容器的电容值发现，在IOC8O'C的温度范圉内，电容器的电容值始终保持稳定，无明显的变化。以上测试结果表明，在高子液体未填满的情况下，极板距离和环境温度都会对电容器的电容值产生影响，在离子液体填满的情况下，极板间的距离和环境通度对电容器得的电容值无明显的影响.OOOO641b)8000000000002086421/娼给OOOO3632（八）00000000000000282420161284'三'-三j102030405060708090测试温度/C图31离子液体的量对电容值影响曲设3.2 接触角对电容值的影响测试图（八）、（b）分别是常温下和升温条件下铜貂与离子液体的接触角，图（c）、（d）分别是常温下和升温条件下热解石器与离子液体的接触角。接触角是指当系统达到平衡时，在气、液、周三相交界处，气-液界面与固-液界面之间的夹角，实际上是指液体表面张力Y八与液-固界面张力Y一间的夹角。接触角越小，涧湿效果越好,离子液体与电极板接触的比表面积就越大，电容值越大侬）。分别测试铜箔与离子液体以及热解石墨与离子液体的接触角，在常温卜两者的接触角分别为67.38。、39.58°,升温时两者的接触角则变为24.69。、16.76。°测试结果表明常温卜.离子液体与电极板的接触角较大，比表面枳较小，电容值较小：升温时离子液体与电极板的接触角较小，比表面枳较大，电容值较高。（八）(b)E3-2接触角测试图3.3 测试频率对电容值的影响测试图3-3描绘的是测试频率对电容值的影响曲线图。在室温下，温感型超级电容器的电容值随测试频率的变化趋势表明：热解石墨表而石墨烯化制成的电容器IO电容值和热解石枭制成的电容器电容值在较低频率时都比较大，且随着测试频率的升高，热解石墨表面石墨烯化制成的电容器的电容值降低效果更加明显：温感型超级电容器在较低频率测试时，电容器拥有更大的电容值，因此，测试电容器的电容值时，应该在较低频率下进行测试。3.63.22.82.42.01.61.20.80.40.00204060BO100测试频率/MHz工n/sMn一图3-3测试频率对电容值的影响曲妓3.4 测试频率对漏电损耗的影响测试图3-4描绘的是测试频率对漏电损耗影响的曲线图.在相同温度下，测试r领率对漏电损耗的影响，测试结果表明：在较低频率时，不论是热解石果制成的电容器还是热解石墨表面石黑烯化制成的电容器，它们的漏电损耗值都比较小;在较高频率时,不论是热解石墨制成的电容器还是热解石墨表面石墨烯化制成的电容罂，它们的漏电损耗值都比校大，且随着频率的增大，漏电损耗值也随之增加：表面处理后的石墨制成的电容器在频率为01.40MHz之间时,漏电损耗增加的趋势比较明显，在较高频率时，增加趋势较为平缓，而表面未经处理的热解石墨制成的电容器，在测R的频率范围之间，其电容值一直呈现稳定的增长趋势,由此可知，热解父墨的表面是否经过处理，电容器的电容值都应在较低频率时测试，效果更好。20热解石笺表面石星优化滁解石用1004。测试频率/MHz图3-4测试频率对泯电损耗的影响曲线3.5 测试电容器温度感应图3-5描绘的是同频率卜.温度对电容值的影响曲线。该步骤测试了热解石墨和热解石怨表面石接烯化制成的电容器在相同频率下温度对电容值的影响情况，测试结果表明：不论是热解石溪制成的电容器还是热解石墨表面石果烯化制成的电容器，两者的电容值随若温度的蟠加而呈现上升的趋势，且热解石股表面石黑烯化制成的电容器电容值的增加效果比热解石墨制成的电容器电容值增加效果更佳显著：两电容器的电容在较低温度时，对温度的做感性较低，在较高温度时,对温度的敏感性更加显著.但是，两电容器对温度的敏感程度不同，测试发现，温度达到6OC时，表面处理过的热解石墨制成的电容器的电容值出现了突班的现象，而表而未经处理的热解石墨制成的电容器的电容增长平绫且稳定。该步骤说明，本实验提出的构想原理图成立，温度的变化能够引起超级电容罂电容值的显著变化，同时说明该电容器对温度的敏感性较好，设想成立，可以制成一种较好的温度传感瑞；同时用表面处理过的热解石墨作为电极材料制成的电容器对温度的敏感性更高，是一种较为理想的温感型超级电容涔的电极材料，可以制成一种敏感性更裔的温度传感器。605040302010T一热解石果T一热解石壁去面石邸烯化0102030405060708090测试温度/C图3-5网频率下温度对电容值的影响曲线4结论本实验通过HmmerS法制备石墨烯，然后分别制成热解石墨超级电容器和大然石思表面石墨烯化超级电容器，探究环境温度对阻感超级电容器性能的影响,可以得出以下结论：(1)在相同频率和离了液体未填充满的情况下，极板间填充离子液体的多少对电容器有明显影响，且随着极板间填充离了液体的增加，电容器的电容值也呈上升的趋势，温度升高时，上升趋势更加明显，则说明电容器对温度的敏感性较高：在相同频率和极板间离子液体充满的情况卜，温度对电容器的电容值几乎无影响，则说明电容落对温度的敏感性较低。(2)常温卜.离子液体与电极板的接触角较大，比表面积较小，电容值较低：升温时窗子液体与电极板的接触角较小，比表面积较大，电容值较高。(3)在相同温度下，热解石弟表面石凝烯化和表面未处理的热解石米制成的电容器，随若测试频率的升商，漏电损耗呈现增加的趋势，则说明电容器的电容值应在较低频率下测试较为理想.(4)在相同频率下，低温时热解石墨表面石崩烯化制成的电容器和热解石墨制成的电容器对温度的敏感性较小，温度较高时，两者对温度的敏感都较大，则说明随着温度的升高，两电容器对温度的敏感性增加。参考文献U1.张然.石/烯超级电容器的性能研究与优化D.北京：北京交通大学,2014.|21陈英放，李媛媛，邓梅根，等.超级电容器的原理及应用J电子元件与材料,2(X)9.27(4):6-9.3李海生.超级电容器的分类与优缺点分析J.通讯电源技术.2011,28(06):89-90.|4|王少华.锲基复合材料的设计、制备吸及在超级电容器中的研究D.淮南:安徽理工大学.2019.|5)吝彦楠.于锋.尹智敏.等.绿色电化学储能器件超级电容器的实验设计与实践J.2020.41(03):83-88.|6|陈丽娜，王德禧,谈述战，等.石墨烯超级电容器的研究进展及其应用J中国塑料,2014.28(6):8-18.|7)许轶,朱月仙,张娴.基于专利分析的石墨烯超级电容器技术发展趋势研究J.高技术通讯,2017,27(Z1):864-873.|8|刘春娜.国外超级电容器技术进展网.电源技术,2014,38(05):805-806.|9|余丽阍,朱俊杰，赵景泰.超皴电容器的现状及发展趋势U1.自然杂志,2015,37(03):188-196.|10杨友.f导电性二氧化钛性电极材料的制备及其在超级电容器中的应用D.衡阳：南华大学,2019.UH李雪芹，常琳，赵慎龙，等.基于碳材料的超缎电容器电极材料的研究J物理化学学报,2017.33(1):130-148.|12李伟,陈峰.从竞争情报视角研究超级电容器产业的技术竞争态势切.高技术通讯,2016,26(4):396-406.113张冠华.多级阵列结构与类固溶符合体系的构筑及电化学储能研究D氏沙：湖南大学.2016.114张浩,西高帆杨裕生.等.电化学双电层电容器用新型碳材料及其应用前ftJJ.化学进展,2008(K):1495-1500.115张琳.刘洪波，张红波.双电层电容器用多孔炭材料的研究与开发J炭素，2003(04):3-9,116苏人奇.蓄电池和超级电容器在光伏发电混合储能系统中的应用D.锦州:辽宁工业大学,2016.117康桂英.导电高分了聚毗咯符合材料的制备及其化学性能研究D兰州：兰州理工大学.2016.118NakajimaT.Ma1.suoY.FormationprocessandStnicturcofgraphiteoxideJ.Carbon,1994,32(3):469-475.119JHummersWS.OffeinanRE.PreparationofgraphiteoxideJ.Journa1.ofthe/XmericanChemica1.Society.1958.8(116):1339-1340.20BrodicBC.Ontheatomicweightofgraphitc(J).Phi1.osophica1.TransactionsoftheRoya1.Societyof1.ondon.2009,149:249-259.(21StaudeninaierI.Verfahrenzurdarste1.1.ungdergraphitsaure(J.BerichtederDtutschenChemischenGese1.1.schaft.2(X)6.31(2):1481-1487.22刘桐桐有机添加剂对超级电容器界面特性及能量衡度的影响D)北京:中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所),2019.