活性炭[1].doc

活性炭超级电容器的制作及性能研究陈姣燕 陈晓俊 李明霞 李嫣 张建伟 张道贵（湖南理工学院 化工系 湖南 岳阳）摘要:超级电容器又称电化学电容器常被称为双电层电容器，是一种介于传统静电电容器和化学电源之间的新型储能元件,适于用作功率输出元件，兼有普通电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，且充电速度快，循环寿命长， 对环境无污染，广泛应用于各种电子产品的备用电源及混合动力汽车的辅助电源。关键词:超级电容器;电化学电容器;双电层电容器Preparation of supercapacitorChen Jiaoyan Chen Xiaojun Li Mingxia Li Yan Zhang Jianwei Zhang Daogui( Department of Chemical Engineering , Hunan Institu of Techology ,Hunan, Yueyang)Abstract : Super-capacitors, also known as electrochemical capacitors is often referred to as the electric double layer capacitor, a cross between traditional electrostatic capacitors and chemical power of new energy storage devices, suitable for use as a power output element, both ordinary capacitor power density andthe advantages of high energy density secondary battery fast charging, long cycle life, environmental pollution and is widely used in various electronic products, standby power and auxiliary power for hybrid vehicles.Key words : supercapacitor ; electrochemical capacitor ; double-layer capacitor一、 前言 超级电容器(Supercapacitor) 又常被称为双电层电容器Double-layer capacitor) ,它是利用电极/ 溶液界面双电层可以储存电荷的原理制成的一种储能元件。它具有比静电电容器(Electrostatic capacitor) 高出20200 倍的容量,因而得名。和电池相比,它具有较高的功率密度,适合用于短时间高功率输出的场合,因此超级电容器实际上是一种介于传统静电电容器和化学电源之间的新型储能元件。超级电容器 ( S u p e r c a p a c i t o r )是2 0 世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有法拉级的超大电容量，比同体积的电 解电容器容量大2 0 0 0 6 0 0 0 倍，功率密度比电池高 l 0 1 0 0 倍，可以大电流充放电，充放电效率高， 充放 电循环次数可达l 0 次以上，并且免维护。超级电容器 的出现填补了传统的静 电电容器和化学电源之 间的空 白，并以其优越的性能及广阔的应用前景受到了各个国家的重视 。 电极材料是超级电容器的核心部件 ， 对超级电容器的性能起着关键性作用， 因此研发具有优异 电化学性能 的电极材料是超级电容器研究中最核心 的问题。电极材料主要有多 孔炭材料、 金属氧化物和导电聚合物 3大类 ， 其 中多孔炭材料因其良好的充放电稳定性而受到学术界和工业界 的广泛关注， 也是 目前唯一已经工业化的电极材料 。可用作超级电容器电极材料的多孔炭主要有活性炭、 炭气凝胶、 炭纳米 管等 4 ， 其中活性炭 因具有 比表面积大 、 化学稳定性高 、 导 电性好以及价格低廉等优点 ， 一直是制造超级电容器电极的首选材料。 碳极超级电容器的电极材料由碳材料构成，使用电解液作为介质，活性炭与电解液之间形成离子双电层，通过极化电解液来储能，能量贮存于双电层和电极内部，其原理如图1 所示。当用直流 电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子聚集到固体电极表面 ，形成“ 电极溶液” 双电层，用以贮存电荷。二、 试验1. 仪器及药品仪器：电化学工作站，力兴PCBT1008D电池程控测试仪，压片机，玛瑙研钵，真空干燥箱，电子分析天平，二电极实验电容器模型。药品：活性炭，聚四氟乙烯乳液，碳粉，乙炔黑，氢氧化钾，无纺布。2. 活性碳电极的制备及超级电容器的简易组装称取YEC-S（福建益环）、或TF-B520（上海合达）活性炭粉末约0.1g。将活性炭粉末、导电剂乙炔黑和粘结剂聚四氟乙烯乳液按照811的质量比置于玛瑙研钵中混合（ 聚四氟乙烯乳液的聚四氟乙烯含量约为60%），加入适量去离子水充分润湿，研磨均匀，得到粘稠状浆液。泡沫镍剪成12mm的圆片，分别准确称重并记录。将上述浆液涂于泡沫镍上，80恒温干燥6h。在手动油压机上以8Mpa压力压制，制成电极片。对电极片准确称重，选取两块载炭量差异不超过1mg的电极片，与裁剪好的聚乙烯或纸质隔膜一同浸泡于6mol/LKOH水溶液中12h。将浸泡好的电极片和隔膜依次放入扣式电池壳中, 滴加适量电解液，封口，组装成扣式电容器。组装电容器2个。注意扣式电容器放入封口机前要确保壳体的KOH电解液擦拭干净；封口时如有电解液漏出，要把漏出的电解液清理干净，依次用干净的湿棉布和无水乙醇擦干净后，再给封口机涂油。3. 二电极实验电容器的组装 图2 二电极实验电容器示意图（1、炭片，2、导线，3、隔膜，4、集流体，5、外壳，6、连接螺杆，7、O形橡胶密封圈，8、活塞，9、螺纹接触，10、加压螺杆，11、导向凹槽和导向杆）二电极实验电容器的组装示意图如图2所示。实验电容器的外壳和加压螺杆均由聚四氟乙烯塑料制成，加压螺杆与壳体以螺纹接触，集流体为不锈钢片，导线孔采用环氧树脂密封。将两片质量相等、经电解液充分浸泡的炭片及隔膜按图所示放入电容器外壳的底座凹槽，往凹槽里注入电解液，接上外壳的上半部分，通过加压螺杆加压，使集流体、炭片及隔膜接触紧密。外壳上半部分空腔内的导向杆保证活塞在加压时不发生转动，保护炭片。4. 电化学性能测试（1）循环伏安测试测试仪器为CHI440A电化学工作站。为避免水的分解，6molL-1KOH电解液体系的循环伏安测试电位范围为00.9V。在20mVs-1 、50mVs-1 、100mVs-1扫描速度下对电容器体系进行循环伏安测试。用Origin软件绘制出不同扫描速度下的循环伏安曲线，对循环伏安曲线进行对比分析讨论；计算不同扫描速度下活性炭的质量比电容，并对结果进行分析讨论。基于CV曲线的活性炭质量比电容可以根据如下公式计算： （1）式中：V-电压窗口Vinitial/Vfinal-一个循环过程中的起始/终止电位 i-某一电位下的瞬时电流dV/dt-扫描速率m-单电极活性物质质量（2）恒流充放电测试根据单电极活性物质质量（泡沫镍载炭量）确定恒流充放电电流密度。在0.1、0.5、1.0A/g电流密度下进行恒流充放电测试。用Origin软件绘制出不同电流密度下的充放电曲线，对充放电曲线进行对比分析讨论；计算不同充放电电流密度下活性炭的质量比电容，并对结果进行分析讨论。根据恒电流充放电曲线计算活性炭质量比电容的公式如下： （2）式中：I为充电电流，Dt为放（充）电时间，V是放（充）电电势差，m是单电极的载炭质量。本研究列出的充放电和循环伏安测试结果，未经特别注明则均为经过十次循环以后的测试结果。三、结果与讨论扫描速率为20mv/s的循环伏安曲线如下图扫描速率为50mv/s的循环伏安曲线如下图扫描速率为100mv/s的循环伏安曲线如下图2充放电性能测试充放电电流密度为0.1A/g时的恒流充放电曲线如上图，从曲线图上可以看出，当给定电解液的充放电电位时，超级电容器的充放电呈规律的变化。对曲线的直线段（0.4-0.6V）进行线形拟和后得到的斜率k=0.00249,所以C=91.57F/g。充放电电流密度为0.05A/g时的恒流充放电曲线如图同理得到曲线的斜率k=0.00126,C=90.5F/g充放电电流密度为0.5A/g时的恒流充放电曲线如图同理得到的斜率k=0.01334,C=85.2F/g充放电电流密度为1A/g时的恒流充放电曲线如图列出计算结果如下表CP （A/g）比容量C （F/g）CV（mv/s）比容量C （F/g）0.1112.052090.830.5100.505082.79195.9210075.26四、结论1. 由测试的结果可知制成的超级电容器的比电容都较大，可知其储存电荷的性能比普通电容器强很多,为普通电容器几十倍,能量密度大。2. 超级电容器具有充放电速度快,无污染,循环使用寿命长等特点。参考文献：1 Conway B.E.J. J E ectrochem Soc， 1991，138（6）；1539-15482 Burke A F. J. J Power Source，2000，91：37-503 王晓峰，孔祥华，刘庆国等.电子元