超級(jí)電容器的制造工藝優(yōu)化與性能探究

姜海信

摘要：裝置電容器的工程制造是啟動(dòng)電容器研究和開發(fā)的主要內(nèi)容之一，是確定超級(jí)電容器是否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。使用自制的活性炭為原料制備了2.5V/10F的有機(jī)超級(jí)電容器，并考察了各種粘合劑體系、導(dǎo)電劑含量、粘合劑含量和軋制壓力對(duì)超級(jí)電容器容量和內(nèi)阻的影響。準(zhǔn)備好的超級(jí)電容器性能測(cè)試結(jié)果表明，在1.6A的放電電流下，電容器能量密度為2.96Wh/kg，在2.5V恒壓后1小時(shí)電容器漏電流小于0.15mA，5000次循環(huán)后仍有容量。與超級(jí)電容器的500次循環(huán)相比，衰減小于3。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器;容量;內(nèi)阻;循環(huán)

1前言

超級(jí)電容器是介于常規(guī)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能裝置，具有脈沖性能好，放電快，無污染，免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。它在航空航天，國(guó)防和軍事工業(yè)，電動(dòng)汽車，無線通信，消費(fèi)電子和其他領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用可能性。到2015年，在商業(yè)、工業(yè)和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用預(yù)計(jì)將達(dá)到100億美元。

超級(jí)電容器研究和開發(fā)中的另一個(gè)熱點(diǎn)PT是器件的工程制造，這是確定超級(jí)電容器是否可以產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。鑒于國(guó)內(nèi)超級(jí)電容器設(shè)備工程制造技術(shù)的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)公司普遍沒有超級(jí)電容器極涂層的核心技術(shù)。一些公司購(gòu)買外國(guó)極靴，然后在中國(guó)對(duì)其進(jìn)行切割，軋制和封裝，以制造這種裝置，但是成本相對(duì)較高。因此，獲得旨在改善超級(jí)電容器性能的器件工程制造技能，例如優(yōu)化粘合劑體系，極靴的活性材料配方，制備工藝和時(shí)效體系等，具有非常實(shí)際的意義。

本實(shí)驗(yàn)旨在以自制活性炭為原料制備工業(yè)批量的有機(jī)超級(jí)電容器，通過選擇膠粘劑體系，優(yōu)化原料配方及相關(guān)制造工藝，研制出2.5V/10F的有機(jī)超級(jí)電容器。準(zhǔn)備就緒，測(cè)試了相關(guān)性能。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1不同黏接劑體系對(duì)電容性能影響

由不同的粘合劑體系制備的漿料涂層，與水性粘合劑體系（通過乳液聚合制備的二元粘合劑），漿料的混合在G45-060-3-R混合釜中完成，用M12-400-1-T單面批量涂布機(jī)將漿液涂布在0.03mm厚的鋁箔上，并以5mm批量進(jìn)行雙面批量涂布。

2.2極片的提壓與卷繞

采用X15-400-1-DZ型雙輯軋膜機(jī)對(duì)涂覆烘烤后的極片進(jìn)行輻壓。采用DYZ-308型半自動(dòng)卷繞機(jī) 對(duì)超級(jí)電容器極片進(jìn)行卷繞，卷針直徑為2mm。

2.3器件的注液封口

卷芯在由真空干燥箱改裝的注液設(shè)備中注液，先于105Y條件下烘烤2h，保持真空度-0.09 MPa，烘烤完畢后，再通入氮?dú)饫鋮s。注液時(shí)，從裝置的上部緩慢加入電解液至盛芯包的容器內(nèi)，待卷芯吸滿電 解液后，打開裝置，開大嬴氣流量，快速將卷芯套上橡皮頭，裝入鋁殼，用密封袋密封好，放入手套箱內(nèi)于封口機(jī)進(jìn)行密封。

2.4測(cè)試

在LAND電池程序控制測(cè)試儀上測(cè)試了超級(jí)電容器的老化，超級(jí)電容器的容量，內(nèi)部電阻和泄漏電流。電極的內(nèi)電阻由恒流充電和放電曲線中的電壓降計(jì)算得出，根據(jù)恒流充放電曲線的斜率計(jì)算出活性炭的容量和容量。

但是，由于在涂覆和加熱過程中水易于揮發(fā)，因此在極靴的表面上可以看到由于水的蒸發(fā)而形成的孔。

用水基粘合劑體系制造的極靴具有更好的涂覆性能以及更好的內(nèi)部電阻和循環(huán)性能，這表明使用水基粘合劑更有利于電極活性材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。但是，對(duì)于PVDF-NMP系統(tǒng)，由于結(jié)塊，超級(jí)電容器的內(nèi)部電阻會(huì)變大。此外，超級(jí)電容器電解質(zhì)會(huì)與PVDF發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體，并且在反復(fù)的充電和放電循環(huán)中，電容器外殼會(huì)膨脹，從而降低循環(huán)性能。

2.2導(dǎo)電劑含量對(duì)超級(jí)電容器性能的影響

不同導(dǎo)電劑含量對(duì)超級(jí)電容器電極材料比電容量和內(nèi)阻的影響如圖2所示。在未加導(dǎo)電劑的情況下，超級(jí)電容器電極材料比電容量?jī)H為77F/g，而此時(shí)超級(jí)電容器極片內(nèi)阻高達(dá)2.5Q/cm2。這是由于活 性炭材料孔隙率大且為結(jié)晶度較差的微晶石墨結(jié)構(gòu)，電子導(dǎo)電率較低，造成超級(jí)電容器的內(nèi)阻校高;且由于低導(dǎo)電率影響了固/液界面的雙電層建立，進(jìn)而影響到活性炭雙電層容量的發(fā)揮。

隨著導(dǎo)電劑含量的增加，超級(jí)電容器電極材料的比電容量明顯增加，當(dāng)導(dǎo)電劑含量達(dá)到10%効時(shí)，電極材料的比電容量逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)導(dǎo)電劑含量 繼續(xù)增高時(shí)，電極材料的比電容量沒有明顯增加的趨勢(shì)。另一方面，超級(jí)電容器內(nèi)阻也隨導(dǎo)電劑的加入迅速降低，在10%伽時(shí)趨于穩(wěn)定，再增加導(dǎo)電劑的含量，超級(jí)電容器的內(nèi)阻呈緩慢增加的趨勢(shì)。

加入導(dǎo)電劑的目的是為了使極片上的導(dǎo)電劑與活性炭形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這有利于改善活性炭間的電子傳輸，從而降低內(nèi)阻;促進(jìn)界面雙電層電極材料一側(cè)的電子傳輸。但是當(dāng)導(dǎo)電劑增加到一定程度后，再增加導(dǎo)電劑含量對(duì)比電容量的影響已經(jīng)不大;同時(shí)乙狹黑等導(dǎo)電劑的密度很小，在較高黏度的 漿料中有自發(fā)團(tuán)聚的傾向，所以過量的導(dǎo)電劑會(huì)發(fā) 生團(tuán)聚，影響涂覆效果，使超級(jí)電容器的內(nèi)阻有緩慢 增加的趨勢(shì)。

接觸不好，會(huì)導(dǎo)致極片電子阻抗升高，影響超級(jí)電容器的內(nèi)阻;黏結(jié)劑含量過高，過量的黏結(jié)劑會(huì)堵塞活性炭顆粒之間的孔隙，造成電解液離子傳輸困難，從而增加了雙電層形成過 程中的離子傳輸阻抗，造成內(nèi)阻上升;同時(shí)，過量的黏結(jié)劑還可能堵塞一小部份活性炭上的孔隙，造成電極材料比容量降低。因此，在超級(jí)電容器極片制造過程中，需要合理控制黏結(jié)劑的用量。

3結(jié)論

以自制活性炭電極材料為原料，考察了不同黏接劑體系、不同導(dǎo)電劑含量、不同黏接劑含量、不同壓制壓力對(duì)所制備超級(jí)電容器容量和內(nèi)阻的影響，從有機(jī)系卷繞式超級(jí)電容器工程化制備的角度優(yōu)化了各項(xiàng)工藝條件，確定了在采用水性黏接劑的前提下，活性碳、導(dǎo)電劑、黏接劑含量分別為80%諷、10%如、10%血時(shí)，壓制壓力在25T時(shí)，所制備超級(jí)電容器表現(xiàn)出最佳的電容行為。

制備了2.5V/10F超級(jí)電容器，并考察了其電容特性，電容器的循環(huán)伏安曲線表現(xiàn)出理想的電容特性，在0.2-1.6 A的放電電流下，超級(jí)電容器容量基本保持不變，表現(xiàn)出理想的大倍率放電特性，以1.6 A大電流放電時(shí)，能量密度為2.96Wh/kg，在2.5V恒壓lh后，電容器漏電流小于0.15mA，在5000次循環(huán)后，超級(jí)電容器容量與500次循環(huán)時(shí)相比，衰減量小于3%。

參考文獻(xiàn)

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