论文总字数：14650字

摘 要

本文采用电化学电镀法制备RuO₂薄膜电极，并结合EDS等分析手段对该电极进行微观形貌和元素分析等表征。进一步在电化学工作平台上对该电极的电化学性能进行表征。为了研究氧化钌的电化学性能，本文将氧化钌电极组装成RuO₂//RuO₂对称电容器，建立一个用于该电容器在恒定负载下进行充放电实验的电路。同步测量该电容器在恒定负载下的放电过程中放电电流正负电极及电势随时间变化的关系。本文提出一个关于超级电容器电极比容量的计算方法，由此得到RuO₂//RuO₂超级电容器在放电过程中电极的比容量与时间的规律，进一步利用与时间的关系，得到氧化钌电极比容量随电势变化的关系。为研究超级电容器在恒定负载放电过程中电容器输出功率的影响因素，本文设计了五个具有不同质量比的RuO₂//RuO₂超级电容器，同时给出这五个电容器的电极与电势的关系。试验结果表明，超级电容器电极比容量对这个电容器的电势窗口具有明显的影响，随着电极质量比的调整，使之能量储存得到了最大化，由此我们可以实现，得到RuO₂//RuO₂超级电容器功率输出的关键因素。

关键词：超级电容器 赝电容 二氧化钌 电极比电容 能量存储

Abstract

In this paper, RuO₂ thin film electrode was prepared by electrochemical plating method using metal Ta foil as substrate, and combined with EDS and other analytical methods to characterize the electrode microscopic morphology and element analysis. The electrochemical performance of the electrode was further characterized on the electrochemical working platform. In order to study the electrochemical performance of ruthenium oxide, this article assembled the ruthenium oxide electrode into a RuO₂// RuO₂ symmetrical capacitor, and designed circuit for the capacitor to perform charge and discharge experiments under a constant load. Simultaneously measure the relationship between the positive and negative electrodes of the discharge current and the potential change with time during the discharge of the capacitor under a constant load. In this paper, a method for calculating the specific capacity of the electrode of the super-capacitor is proposed. From this, the rule of the specific capacity of the electrode of the RuO₂ // RuO₂ super-capacitor during discharge is obtained. Using the relationship with time, the specific capacity of the ruthenium oxide electrode with potential Changing relationships. In order to study the influencing factors of the output power of the super-capacitor during the discharge of the super-capacitor under constant load, five RuO₂ // RuO₂ super-capacitors with different mass ratios are designed in the paper, and the relationship between the electrodes and potentials of these five capacitors is also given. The test results show that the specific capacitance of the electrode of the super-capacitor has a significant effect on the potential window of this capacitor. With the adjustment of the mass ratio of the electrode, the energy stored in the super-capacitor is maximized, from which we can achieve the RuO₂ // RuO₂ super The key factor of capacitor power output.

Keywords: Supercapacitor；Pseudocapacitance；Ruthenium dioxide；Electrode specific capacitance；Energy storage

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1超级电容器的工作原理 1

1.2超级电容器 1

1.2.1双电层电容器 2

1.2.2赝电容电容器 2

1.2.3赝电容电容器的电极种类 2

1.3影响超级电容器电能存储的因素 3

1.4 选题依据 4

第二章RuO₂//RuO₂在恒定负载下电极比电容量随时间变化关系的建立 5

2.1实验部分 5

2.1.1主要实验原料 5

2.1.2实验仪器设备 6

2.1.3电化学电镀法制备氧化钌电极 6

2.2测试与表征方法 7

2.2.1扫描电子显微镜 7

2.2.2循环伏安法 7

2.2.3氧化钌电极表征分析 8

第三章 对称超级电容器RuO₂//RuO₂的电化学行为影响因素的分析 10

3.1 RuO₂//RuO₂超级电容器充放电测量电路的建立 10

3.1.1电路设计 10

3.1.2对称超级电容器RuO₂//RuO₂的CV测试 11

3.2超级电容器RuO₂//RuO₂电极比容量随时间变化的测量 12

3.2.1比容量随时间变化的测量 12

3.2.2放电过程中正负极比电容变化 12

3.3不同质量的RuO₂//RuO₂电容器放电过程中正负极比电容随时间的变化 13

3.4时间对RuO₂//RuO₂超级电容器输出功率的影响 15

第四章 结论 17

致谢 18

参考文献 19

绪论

引言

近年来，国家经济迅速发展，各类大功率设备不断涌现。与此同时，便携式电子设备也在不断进入人们的平常生活之中。在这样的背景下，可充电、高性能的电能储存器件的研究就成为科学界、产业界的热点课题。人们致力于开发具有高能量密度和高功率密度的替代储能设备的热情高涨，在备用电源，电动汽车的电源以及风能的转化存储等方面取得了许多令人振奋的成果。超级电容器（Supercapacitor，SC），也被称为双电层电容器、电化学电容器^[1-2]或赝电容电容器，其储能能力远高于传统电容器，常被作为类似于二次电池的另一类能量存储器件。除了更高的能量和功率密度之外，SC的安全性和更长的使用寿命也使超级电容器成为出色的能量存储器件，越来越受到科研者的重视。

超级电容器的工作原理

根据储能机制的不同，超级电容器分为双电层超级电容器和赝电容电容器两大类。

双电层电容器在充电时，电解液中的正负离子在电场力的驱动下分别向两个电极附近集聚。在电极活性材料与电解液形成的界面上形成双电层结构。在放电时，随着电极间电压的下降，电容器内部的电场开始变弱，集聚于电极-电解液界面上的正负离子逐步返回到电解液中。在此过程中，电极材料不发生任何化学反应。电极上电荷的储存/释放经历的都是物理过程。

超级电容器

超级电容器是一种介于普通静电电容电容器与二次电池之间的新型储能元件^[3]。它的储电量特别大，达到法拉级的电容量，常规的电容器容量小，只能作为电子元器件使用。由于超级电容器具有比功率高、比容量大、成本低、循环寿命长、无记忆、充放电效率高，不需要维护和保养等优点，被广泛应用在信息技术、移动通讯、航空航天和国防科技等领域。以使用的电极材料来看，目前主要有三种：高比表面积碳材料超级电容器、金属氧化物超级电容器、导电聚合物超级电容器。按照工作机制不同被分为两类：双电层电容器（EDLC）和赝电容电容器（Pseudocapacitor capacitance）。

双电层电容器

双电层电容器的原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层^[4-5]来存储能量的一种新型电子元件。双电层电容的大小主要与电极的比表面积和电解液种类。因此在不了解电解液的情况下，人们往往都是采用某些特殊的方法，通过调整电极的表面状态来增加电极的比表面积，进而实现超级电容器的比电容量。碳材料是当下常用的双电层电容器材料，特别是，随着碳材料技术近年来的突飞猛进，诸如石墨烯、碳纳米管等碳材料的生产工艺取得了实质性的提高，达到了规模化生产的水平，这为双电层超级电容器的大规模化发展提供了有利条件。

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