【摘 要】
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作为新型储能装置的超级电容器具有循环寿命长和功率密度高等优点。超级电容器等效模型可通过分析电极材料的阻抗特性和充放电行为来调控材料结构。电极材料对超级电容器性能起决定性作用,碳材料由于比表面积大、导电性好、性能稳定等优点被广泛应用在双电层超级电容器中。在碳材料研究中,研究者通常用同一个修正后的兰德尔等效电路模型分析不同材料的阻抗特性,但该模型对多种碳材料适用性较低,对材料的分析存在偏差。超级电容器
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作为新型储能装置的超级电容器具有循环寿命长和功率密度高等优点。超级电容器等效模型可通过分析电极材料的阻抗特性和充放电行为来调控材料结构。电极材料对超级电容器性能起决定性作用,碳材料由于比表面积大、导电性好、性能稳定等优点被广泛应用在双电层超级电容器中。在碳材料研究中,研究者通常用同一个修正后的兰德尔等效电路模型分析不同材料的阻抗特性,但该模型对多种碳材料适用性较低,对材料的分析存在偏差。超级电容器的优化需要更新模型,以捕捉材料尺度的物理特性和表征其电输出。针对以上不足,在原有模型基础上,以典型碳材料的维度为切入点,建立四种双电层电容器碳材料等效电路模型,用实验测得的阻抗和恒电流充放电数据对模型进行验证,并探究模型中阻抗参数值的改变对仿真充放电造成的影响。主要研究内容如下:（1）测试零维点状结构的石墨烯量子点的电化学性能,根据其工作原理和阻抗数据,在其具有大孔和介孔的孔道结构的基础上,建立零维双电层电极材料等效电路模型,其阻抗拟合误差比修正的兰德尔等效电路模型降低64.81%。根据恒流充放电实验数据,在MATLAB中搭建模型进行充放电仿真,计算该模型均方根误差（RMSE,Root Mean Square Error）为0.1097 V。模型电阻参数的增大会造成仿真电压压降不同程度的增大,其中增大Rct3对压降造成的影响最大。（2）测试一维管状结构的碳纳米管的电化学性能,根据其工作原理和阻抗数据,在其具有介孔的孔道结构的基础上,建立一维双电层电极材料等效电路模型,其阻抗拟合误差比修正的兰德尔等效电路模型降低37.70%。根据恒流充放电实验数据,在MATLAB中搭建模型进行充放电仿真,计算该模型RMSE为0.0710 V。模型电阻参数的增大会造成仿真电压压降不同程度的增大,其中增大Rct2对压降造成的影响最大。（3）测试二维层状结构的石墨烯的电化学性能,根据其工作原理和阻抗数据,在其具有大孔和介孔的孔道结构的基础上,建立二维双电层电极材料等效电路模型,其阻抗拟合误差比修正的兰德尔等效电路模型降低74.81%。根据恒流充放电实验数据,在MATLAB中搭建模型进行充放电仿真,计算该模型RMSE为0.1424 V。模型电阻参数的增大会造成仿真电压压降不同程度的增大,其中增大Rct1对压降造成的影响最大。（4）测试三维立体结构的活性炭的电化学性能,根据其工作原理和阻抗数据,在其具有大孔、介孔和微孔的孔道结构的基础上,建立三维双电层电极材料等效电路模型,其阻抗拟合误差比修正的兰德尔等效电路模型降低50.71%。为了继续验证此模型的适用性,通过KOH活化被碳化后的壳聚糖制备了三维分级多孔碳（DCHPC）,其阻抗拟合误差降低了89.39%,比活性炭更具适用性。根据其恒流充放电实验数据,在MATLAB中搭建模型进行充放电仿真,计算该模型RMSE为0.0382 V。模型电阻参数的增大会造成仿真电压压降不同程度的增大,其中增大Rct对压降造成的影响最大。对超级电容器建模与仿真有利于其合理使用和性能优化,对优化电极材料也具有重要作用。建立不同维度的模型,能够更加准确展现不同电极材料的工作原理,更加细致表达其阻抗特性,有利于合理调控电极材料孔道结构和导电性,具有重要的实际意义也更具适用性。
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