混合式超级电容器的动力学仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种混合式超级电容器的动力学仿真方法，该方法包括以下步骤：建立混合式超级电容器的动力学理论模型；利用软件仿真平台对动力学理论模型进行仿真计算，完成对混合式超级电容器的动力学建模仿真。该方法可以实现对混合式超级电容器充电过程、放电过程和静置过程等多种工作阶段的动力学仿真，包括对器件输出电压、电极内部电势分布、电解质中离子分布变化过程的精确仿真计算，并为混合式超级电容器性能研究提供了仿真工具，显著的节约了实验研究所需的巨大工作量，可有效实现设计参数的优化，促进器件储能性能的提高。

DYNAMIC SIMULATION METHOD OF HYBRID SUPERCAPACITOR

【技术实现步骤摘要】
混合式超级电容器的动力学仿真方法
本专利技术涉及超级电容
，特别涉及一种混合式超级电容器的动力学仿真方法。
技术介绍
超级电容器是一种应用广泛的储能器件，其具有功率密度大、充放电速度快、极端环境适应性强等显著优势，已经广泛应用于电动汽车、微电网、消费电子等诸多领域。超级电容器按原理类型可分为两大类型，一类是双电层超级电容器，另一类是赝电容超级电容器。双电层超级电容器的储能机理是双电层效应，是一种通过正负离子物理吸附效应形成的储能结构，具有功率密度大、充放电快的显著优势，但在能量密度方面低于赝电容超级电容器。赝电容超级电容器的储能机理是法拉第反应，是一种发生于电极活性物质与电解质之间的高度可逆的氧化还原反应，其具有能量密度大的独特优势，但功率密度则低于双电层超级电容器。为了兼顾高能量密度和高功率密度的应用需求，近年来混合式超级电容器受到了国内外研究人员的广泛关注。混合式超级电容器，即一个电极具有双电层效应，另一个电极可具有法拉第反应，通常分别为碳材料电极和金属氧化物电极。因此，混合式超级电容器同时可具有较高的功率密度和能量密度，通常均介于双电层电容和法拉第电容之间，能够应用于双电层超级电容器和赝电容超级电容器所无法满足的场景。但是，由于混合式超级电容器的两个电极分别进行不同的电极反应，其内部的电化学过程十分复杂，需进行合理的参数设计以获得较好的器件性能。目前，对于混合式超级电容器参数设计优化的研究方法多属于实验方法，需通过大量实验数据的积累获得经验性规律。实验研究的巨大工作量严重限制了目前对混合式超级电容器参数设计优化的研究，限制了混合式超级电容器实际储能性能的提高。自上世纪90年代以来，超级电容器的仿真研究方法已经逐步发展起来，并显示出其独特的优势。借助仿真软件工具，仿真研究可以部分替代原先庞杂的实验研究工作，获得更优的超级电容器参数设计。但是，现有的超级电容器仿真研究方法，均仅限于双电层超级电容器或赝电容超级电容器，尚无针对混合式超级电容器的可行仿真方法。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种混合式超级电容器的动力学仿真方法，该方法为混合式超级电容器性能研究提供了仿真工具，显著的节约了实验研究所需的巨大工作量，可有效实现设计参数的优化，促进器件储能性能的提高。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种混合式超级电容器的动力学仿真方法，包括以下步骤：建立混合式超级电容器的动力学理论模型；利用软件仿真平台对所述动力学理论模型进行仿真计算，完成对所述混合式超级电容器的动力学建模仿真。本专利技术实施例的一种混合式超级电容器的动力学仿真方法，可以实现对混合式超级电容器充电过程、放电过程和静置过程等多种工作阶段的动力学仿真，包括对器件输出电压、电极内部电势分布、电解质中离子分布变化过程的精确仿真计算，还可以对电极厚度、驰豫现象和金属氧化物/碳材料配比等关键参数的影响规律进行模拟计算，获得最佳的混合式超级电容器设计参数，同时，本专利技术实施例为混合式超级电容器性能研究提供了仿真工具，显著的节约了实验研究所需的巨大工作量，可有效实现设计参数的优化，促进器件储能性能的提高。另外，根据本专利技术上述实施例的一种混合式超级电容器的动力学仿真方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述混合式超级电容器包括：一个电极为金属氧化物赝电容超级电容器和一个电极为碳材料双电层超级电容器。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述混合式超级电容器中，负极包含活性炭和乙炔黑，只发生双电层反应过程；正极包含锰酸锂和乙炔黑，法拉第反应和双电层反应均发生。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述动力学理论模型包括电极动力学模型和离子迁移扩散模型。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述仿真计算包括：将所述动力学理论模型导入所述软件仿真平台，获得电极开路电势曲线数据；所述动力学理论模型定义差值函数曲线，并导入所述电极开路电势曲线数据，确定影响所述动力学理论模型的变量；展开所述软件仿真平台的基础模块，并结合所述变量，分别对所述混合式超级电容器的正极、电解液和负极添加对应的偏微分方程，以根据所述偏微分方程设置所述变量的初始值；所述软件仿真平台进行划分网格，完成所述动力学理论模型设置，所述软件仿真平台进行仿真计算，获得所述混合式超级电容器的充放电曲线和离子浓度差分布曲线的仿真结果。可选地，在本专利技术的一个实施例中，所述软件仿真平台包括comsol仿真软件平台和/或matlab仿真平台。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述混合式超级电容器包含法拉第反应和双电层反应，其中，多孔电极特征和锂离子在所述混合式超级电容器中和锰酸锂颗粒中的移动传输，来自电场和浓度场的变量相互耦合，使所述偏微分方程仅通过共同求解得出最终的结果。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的混合式超级电容器的动力学仿真方法流程图；图2为根据本专利技术一个实施例的锰酸锂-活性炭体系的锂离子超级电容器的工作原理示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的超级电容器在工作状态时内部电流流动的原理图；图4为根据本专利技术一个实施例的简化几何模型的示意图；图5为根据本专利技术一个实施例的定义插值函数“U1”示意图；图6为根据本专利技术一个实施例的定义阶跃函数“step1”示意图；图7为根据本专利技术一个实施例的在COMSOL中设置电极反应和边界条件示意图；图8为根据本专利技术一个实施例的充放电曲线的仿真结果示意图；图9为根据本专利技术一个实施例的锰酸锂/活性炭模型结构图；图10为根据本专利技术一个实施例的碳电极厚度对锰酸锂/活性炭超级电容器恒流充放电曲线的影响示意图；图11为根据本专利技术一个实施例的碳电极厚度对电解液电势φl和均衡电势U1的影响示意图；图12为根据本专利技术一个实施例的超级电容器在充电过程中电解液浓度分布变化示意图；图13为根据本专利技术一个实施例的超级电容器在不同负极厚度下由弛豫效应所导致的容量回复现象示意图；图14为根据本专利技术一个实施例的不同碳电极厚度的锰酸锂/活性炭超级电容器的能量比较图；图15为根据本专利技术一个实施例的碳电极厚度L＝3d的超级电容器在不同电流下的充放电曲线示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的混合式超级电容器的动力学仿真方法流程图。图1为根据专利技术一个实施例的混合式超级电容器的动力学仿真方法流程图。如图1所示，该一种混合式超级电容器的动力学仿真方法包括以下步骤：步骤S101，建立混合式超级电容器的动力学理论模型。其中，混合式超级电容器包括：一个电极为金属氧化物赝电容超级电容器和一个电极为碳材料双电层超级电容器。也可理解为，针对一个电极具有双电层电容，另一个电极具有法拉第反应的混合式超级电容器，采用电极过程动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合式超级电容器的动力学仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：建立混合式超级电容器的动力学理论模型；利用软件仿真平台对所述动力学理论模型进行仿真计算，完成对所述混合式超级电容器的动力学建模仿真。

【技术特征摘要】
1.一种混合式超级电容器的动力学仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：建立混合式超级电容器的动力学理论模型；利用软件仿真平台对所述动力学理论模型进行仿真计算，完成对所述混合式超级电容器的动力学建模仿真。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合式超级电容器包括：一个电极为金属氧化物赝电容超级电容器和一个电极为碳材料双电层超级电容器。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合式超级电容器中，负极包含活性炭和乙炔黑，只发生双电层反应过程；正极包含锰酸锂和乙炔黑，法拉第反应和双电层反应均发生。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合式超级电容器的电极的形状为自由平板形状、梳齿形状和微柱中的任一种形状。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力学理论模型包括电极动力学模型和离子迁移扩散模型。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真计算包括：将所述动力学理论模型导入所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤政，戴可人，王晓峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11