双电层电容器电极材料及其制备工艺与性能研究

摘要

双电层电容器(Electrical double layer capacitor, EDLC)，又叫超级电容器，具有能够以极大的脉冲电流放电，且使用寿命半永久等优点，今后可能发展成为一种新型、高效及实用的储能装置。本文针对当前国内公司在EDLC浆料与极片制备工艺上的落后现状，在三种电极材料（粘结剂、导电剂、活性炭）的研究基础上，对浆料配比组成与极片压制压力两个关键技术进行了深入探究。在实验室条件下制备了小型的圆柱电容器与大容量的矩形电容器，并考察了所制得EDLC的电化学性能。实验表明:
　　1)粘结剂采用LA133较PTFE作的可以得到较大的比电容，且等效串联电阻(Equivalent series resistance，ESR)较小。采用5％的多层石墨烯作导电剂与10％的炭黑相比，增加活性炭含量的同时，可得到较大比电容与较小ESR。活性炭的比容量在比表面达到1600m2/g后增大趋势变缓;中孔炭的倍率特性较微孔炭要好;当活性炭的中孔含量超过21％后，可以得到较好的倍率特性。
　　2)最优浆料配比组成参数为:炭黑含量10％，粘结剂组成为1.5％的CMC、1.5％的LA135、6％的LA133、2％的SBR，浆料液固比例为2.8∶1。在最优的浆料配比组成下，在0.15A/g电流下放电时比电容可达114.6F/g，ESR为1.18Ω。
　　3)最佳的压制压力为35MPa。当压制压力为35MPa时，极片的压缩率为16.2％;可以得到最小的ESR为0.92Ω;当电流密度为0.15A/g时，比电容达到118.3F/g;电流密度从0.15A/g增加到9.6A/g，其比电容仅衰减了4.5％，功率特性最佳;质量能量密度达到6.36W·h/kg，体积能量密度为7.27 W·h/L，功率密度为14.2kW/kg。
　　4)制得的10F/2.7V EDLC，电流从0.2A增大到1.6A时，容量仅减少1.1％，在1.6A的放电电流时，容量仍高达15.10F;漏电流不超过0.1mA;经2000次循环测试电容量无衰退。制得的3500F/2.7VEDLC，以5A的电流放电时，其比电容为3833F，ESR为0.2mΩ，质量能量密度为4.34W·h/kg，体积能量密度为5.32W·h/L，功率密度可达10.18kW/kg;在电流从5A增至20A时，容量仅减少了3.0％;漏电流约为55mA;经500次循环容量仅衰减0.12％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 双电层电容器概述

1．1．1 双电层电容器的原理及结构

1．1．2 双电层电容器的特点

1．2 双电层电容器的应用

1．2．1 双电层电容器在运输业领域的应用

1．2．2 双电层电容器在工业领域的应用

1．2．3 双电层电容器在再生能源领域的应用

1．2．4 双电层电容器在军事领域的应用

1．3 双电层电容器的市场前景

1．4 双电层电容器研究现状

1．4．1 粘结剂研究现状

1．4．2 导电剂研究现状

1．4．3 活性材料研究现状

1．4．4 制备工艺研究现状

1．5 本文研究意义与研究内容

2 实验方法

2．1 实验仪器设备

2．2 实验主要原料

2．3 实验过程

2．3．1 极片制备

2．3．2 双电层电容器的组装

2．3．3 双电层电容器的制备

2．4 测试与分析

2．4．1 表观形貌分析

2．4．2 比表面积及孔径分析

2．4．3 电化学测试

2．5 计算公式

3 电极材料研究

3．1 引言

3．2 粘结剂研究

3．2．1 不同粘结剂下涂布样的电镜分析

3．2．2 不同粘结剂对电极电化学性能的影响

3．3 导电剂研究

3．3．1 导电剂及其涂布样的形貌分析

3．3．2 不同含量多层石墨烯与炭黑的电极电化学性能

3．4 活性炭研究

3．4．1 活性炭吸附脱附分析

3．4．2 活性炭比表面积与孔容对比电容的影响

3．4．3 不同活性炭的倍率特性

3．4．4 平均孔径与中孔含量对倍率特性的影响

3．5 本章小结

4 浆料配比组成对电极性能的影响

4．1 引言

4．2 炭黑含量对电极性能的影响

4．3 粘结剂组成的研究与优化

4．3．1 正交实验

4．3．2 验证实验

4．3．3 结果与讨论

4．3．4 最优粘结剂组成下电极的电化学性能

4．4 液固比例对电极性能的影响

4．5 本章小结

5 压制对电极组织性能的影响

5．1 引言

5．2 压制压力对极片压缩率的影响

5．3 压制压力对极片表面形貌的影响

5．4 压制压力对电极电化学性能的影响

5．4．1 压制压力对交流阻抗的影响

5．4．2 压制压力对等效串联电阻和比电容的影响

5．4．3 压制压力对功率特性的影响

5．4．4 压制压力对循环性能的影响

5．5 压制压力对电极能量密度与功率密度的影响

5．6 本章小结

6 双电层电容器的制备与性能研究

6．1 引言

6．2 双电层电容器的制备

6．3 10F／2．7V电容器的性能研究

6．3．1 充放电测试

6．3．2 倍率放电测试

6．3．3 漏电流测试

6．3．4 循环性能测试

6．4 3500F／2．7V电容器的性能研究

6．4．1 电容量与等效串联电阻测试

6．4．2 倍率放电测试

6．4．3 漏电流测试

6．4．4 循环性能测试

6．5 本章小结

7 结论

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢