超級電容器的制造工藝優化與性能探究

姜海信

摘要：裝置電容器的工程制造是啟動電容器研究和開發的主要內容之一，是確定超級電容器是否產業化的關鍵。使用自制的活性炭為原料制備了2.5V/10F的有機超級電容器，并考察了各種粘合劑體系、導電劑含量、粘合劑含量和軋制壓力對超級電容器容量和內阻的影響。準備好的超級電容器性能測試結果表明，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小時電容器漏電流小于0.15mA，5000次循環后仍有容量。與超級電容器的500次循環相比，衰減小于3。

關鍵詞：超級電容器;容量;內阻;循環

1前言

超級電容器是介于常規電容器和電池之間的新型儲能裝置，具有脈沖性能好，放電快，無污染，免維護，使用壽命長的優點。它在航空航天，國防和軍事工業，電動汽車，無線通信，消費電子和其他領域具有廣泛的應用可能性。到2015年，在商業、工業和汽車領域的應用預計將達到100億美元。

超級電容器研究和開發中的另一個熱點PT是器件的工程制造，這是確定超級電容器是否可以產業化的關鍵。鑒于國內超級電容器設備工程制造技術的現狀，國內公司普遍沒有超級電容器極涂層的核心技術。一些公司購買外國極靴，然后在中國對其進行切割，軋制和封裝，以制造這種裝置，但是成本相對較高。因此，獲得旨在改善超級電容器性能的器件工程制造技能，例如優化粘合劑體系，極靴的活性材料配方，制備工藝和時效體系等，具有非常實際的意義。

本實驗旨在以自制活性炭為原料制備工業批量的有機超級電容器，通過選擇膠粘劑體系，優化原料配方及相關制造工藝，研制出2.5V/10F的有機超級電容器。準備就緒，測試了相關性能。

2實驗結果與討論

2.1不同黏接劑體系對電容性能影響

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單面批量涂布機將漿液涂布在0.03mm厚的鋁箔上，并以5mm批量進行雙面批量涂布。

2.2極片的提壓與卷繞

采用X15-400-1-DZ型雙輯軋膜機對涂覆烘烤后的極片進行輻壓。采用DYZ-308型半自動卷繞機 對超級電容器極片進行卷繞，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，再通入氮氣冷卻。注液時，從裝置的上部緩慢加入電解液至盛芯包的容器內，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，放入手套箱內于封口機進行密封。

2.4測試

在LAND電池程序控制測試儀上測試了超級電容器的老化，超級電容器的容量，內部電阻和泄漏電流。電極的內電阻由恒流充電和放電曲線中的電壓降計算得出，根據恒流充放電曲線的斜率計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，因此在極靴的表面上可以看到由于水的蒸發而形成的孔。

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部電阻和循環性能，這表明使用水基粘合劑更有利于電極活性材料的導電網絡的形成。但是，對于PVDF-NMP系統，由于結塊，超級電容器的內部電阻會變大。此外，超級電容器電解質會與PVDF發生化學反應而產生氣體，并且在反復的充電和放電循環中，電容器外殼會膨脹，從而降低循環性能。

2.2導電劑含量對超級電容器性能的影響

不同導電劑含量對超級電容器電極材料比電容量和內阻的影響如圖2所示。在未加導電劑的情況下，超級電容器電極材料比電容量僅為77F/g，而此時超級電容器極片內阻高達2.5Q/cm2。這是由于活 性炭材料孔隙率大且為結晶度較差的微晶石墨結構，電子導電率較低，造成超級電容器的內阻校高;且由于低導電率影響了固/液界面的雙電層建立，進而影響到活性炭雙電層容量的發揮。

隨著導電劑含量的增加，超級電容器電極材料的比電容量明顯增加，當導電劑含量達到10%効時，電極材料的比電容量逐漸趨于穩定。當導電劑含量 繼續增高時，電極材料的比電容量沒有明顯增加的趨勢。另一方面，超級電容器內阻也隨導電劑的加入迅速降低，在10%伽時趨于穩定，再增加導電劑的含量，超級電容器的內阻呈緩慢增加的趨勢。

加入導電劑的目的是為了使極片上的導電劑與活性炭形成有效的導電網絡，這有利于改善活性炭間的電子傳輸，從而降低內阻;促進界面雙電層電極材料一側的電子傳輸。但是當導電劑增加到一定程度后，再增加導電劑含量對比電容量的影響已經不大;同時乙狹黑等導電劑的密度很小，在較高黏度的 漿料中有自發團聚的傾向，所以過量的導電劑會發 生團聚，影響涂覆效果，使超級電容器的內阻有緩慢 增加的趨勢。

接觸不好，會導致極片電子阻抗升高，影響超級電容器的內阻;黏結劑含量過高，過量的黏結劑會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，造成內阻上升;同時，過量的黏結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，在超級電容器極片制造過程中，需要合理控制黏結劑的用量。

3結論

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

制備了2.5V/10F超級電容器，并考察了其電容特性，電容器的循環伏安曲線表現出理想的電容特性，在0.2-1.6 A的放電電流下，超級電容器容量基本保持不變，表現出理想的大倍率放電特性，以1.6 A大電流放電時，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次循環后，超級電容器容量與500次循環時相比，衰減量小于3%。

參考文獻

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