关键词： 混合超级电容器   硫化镍   倍率   能量密度   功率密度  

摘要： 超级电容器具有着低成本和安全高效的特点,是易于广泛应用的电化学储能装置之一。用于超级电容器的硫化镍易于取得,拥有独特性质有利于降低制造成本和提升整体性能。针对硫化镍在充放电过程中易发生体积膨胀,破坏整体结构导致器件的容量和倍率性能变差的问题。本文以硫化镍为研究对象,从控制微结构的角度入手,来提升超级电容器的整体性能,具体研究如下: （1）针对过去硫化镍超级电容器存在的制备复杂、耗能高的问题,提出了共沉淀耦合水热结晶的方法,获得了三维网状结构的NiS/Ni（OH）。通过微结构表征和电化学测试对材料特性进行研究,三维网状结构为氧化还原反应提供了活性位点和大量的中孔,这使得电解液更易与活性材料反应,从而大大提升了电极材料的比容量。在电流密度为1A·g时,比电容为1685 F·g,当电流密度升至5 A·g时,比电容保持为最高比电容的34.71%。并将NiS/Ni（OH）作为正极与活性炭共同组装成的扣式电池也具有着优异的电化学性能,在802 W·kg时,实现了31 Wh·kg的能量密度。 （2）基于NiS/Ni（OH）应用于超级电容器时仍存在倍率性的提升空间的现状,对结构进行了进一步的设计优化,提出借助溶剂热法,利用异相成核的特点在NiS/Ni（OH）表面生长Co S得到了Co S@NiS/Ni（OH）纳米微球。对纳米微球进行了微结构表征和电化学测试,发现复合纳米微球在电流密度1 A·g时,比电容可达1922F·g,并且在电流密度20 A·g,仍能够保持最高比电容的65%。并将Co S@NiS/Ni（OH）作为正极与活性炭共同组装成扣式电池时,最大能量密度为40 Wh·kg,最大功率密度为16 k W·kg。与NiS/Ni（OH）相比,Co S@NiS/Ni（OH）不仅比电容大大提升,而且倍率性得到了明显的改善。同时组装的超级电容器的能量密度和功率密度也得到了一定的改善,改善出现可能归因于纳米微球的粗糙表面提供了大量的活性位点,以及不同离子间的协同效应和稳定的晶体结构使得电极材料在充放电过程中不易被破坏,从而使得材料的倍率性能得到了很大的提升。

关键词： AL2O3-H2O纳米流体   稳定性衰变模型   三元二阶黏度预测模型   导热系数支持向量机预测模型   复合微结构微流道  

摘要： 随着科学技术的进步,电子产品的与时俱进使得高速率、低时延、大数据的信息传输成为必然,导致电子产品的设计向微小型化、轻薄化、多功能化、智能化、大功率化发展,且集成度不断提高。集成度越来越高的同时,单位体积内的热流密度越来越高,热量聚集难以散发出去的问题也随之变得更为凸显。温度过高不仅会导致电子产品发生热和热应力失效,还会使得电子产品工作能效降低。因此,一种结构紧凑且散热高效的散热器以保障电子产品的质量和工作可靠性就尤为重要。微流道作为一种良好的被动式散热方式和散热结构在高密度集成电子系统散热方面具有巨大的应用前景。因此,面对急剧增大的大热流密度散热需求,充分发挥纳米流体与微结构对微流道的散热增强效应,提高微流道散热能力的同时减小能耗,开展复合微结构微流道中AL2O3-H2O纳米流体强化散热研究工作,具有重要的工程价值和现实意义。主要研究内容如下: 一、AL2O3-H2O纳米流体稳定性衰变模型研究。本文采用实验研究方法,建立颗粒粒径、颗粒质量分数、分散剂质量分数、搅拌时间和超声波振荡时间五参数三水平实验规划表,通过二步法制备AL2O3-H2O纳米流体,运用紫外光分度计测量其透射比,得到各参数作用下透射比随时间变化规律,运用最小二乘法提出了基于透射比平均增速的AL2O3-H2O纳米流体稳定性衰变模型。通过该模型,透射比平均增长速率越大,则透射比衰变越快,实现快速的纳米流体参数配置,延长其退化时间,增强其稳定性。 二、基于多参数代理模型的AL2O3-H2O纳米流体流动传热特性分析。本文采用分子动力学模拟计算了AL2O3-H2O纳米流体不同温度、颗粒形状、粒径和体积分数下的动力黏度和导热系数,分析了其在参数作用下的分布规律,基于逐步回归法和机器学习方法分别构建了三元二阶多项式黏度代理模型与支持向量机代理模型,并采用文献与实验相结合方法验证了模型的预测精确度。通过两个模型,可以实现准确度达90%以上的黏度与导热系数预测。进一步对比分析了基于多参数黏度与导热系数代理模型的纳米流体的流动传热特性变化规律,发现纳米流体的热工水力性能对温度、体积分数、球形度等都比较敏感,充分表明仅仅关联体积分数的黏度与导热系数模型不足以获得可靠的研究结果。 三、分形与多项式针鳍阵列微结构微流道散热研究。本文分别研究了具有分形微结构特征与针鳍阵列微结构特征的微流道中流动传热特性。分析了分形维数、均方根粗糙度、流道截面高度和流道长度对分形粗糙壁面微流道中温度分布、速度分布、努塞尔数、摩擦系数等的作用规律。发现增加粗糙壁面均方根粗糙度与分形维数,会增加综合散热性能,但其对散热量的增幅低于其导致的压降增幅。分析了在五种针鳍阵列形态下,针鳍高度与直径变化时对针鳍阵列微流道中温度分布、努塞尔数、综合散热性能系数等的影响规律。发现同等边界输入下,凹型抛物线针鳍阵列微流道降温效果最好,且能耗增加最少。 四、复合微结构微流道中AL2O3-H2O纳米流体强化散热研究。本文建立了粗糙壁面与凹型抛物线针鳍阵列复合微结构特征的微流道传热仿真模型,以AL2O3-H2O纳米流体为传热介质,分析了流道截面高度、均方根粗糙度、针鳍直径以及体积分数参数变化时,微流道中传热因子、摩擦系数、温度梯度、综合评价因子和场协同角等的变化规律,构建了基于支持向量机的综合评价因子与场协同角优化目标函数,运用NSGA2与TOPSIS算法进行多目标优化与决策,获取最优参数设置。发现采用这种方法,可以实现强化微流道综合散热能力的目的。 本文开展的研究工作丰富了纳米流体稳定性、黏度与导热系数方面的理论与模型,增强了粗糙形貌和针鳍微结构对微流道流动传热作用规律的认知。同时,基于综合评价因子与场协同的复合微结构微流道中纳米流体强化散热方法研究,可以有效的实现提高散热能力同时并减少泵功的目的。因此,本研究具有较好的现实意义和实用价值。