活性碳超级电容器的制备与性能研究

活性碳超级电容器的制备与性能研究
（实验设计人 刘开宇，张伟）

电化学超级电容器（Electrochemical Supercapacitors, ES），也叫电化学电容器（Electrochemical Capacitors ,EC），或简称为超级电容器（Supercapacitors or Ultracapacitors），是上世纪6、70年代率先在美国出现，并于80年代逐渐走向市场的一种新兴的储能器件[1]。按储能机理超级电容器可分为三类[2]：采用RuO.2等贵金属氧化物做电极的电容器是在氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容，这种电容被称为法拉第准电容[3-4]；采用不同的电极材料分别做电容器的两极，使所制备的电容器同时具有双电层电容和法拉第准电容，即所谓的混合电容[5-6]；采用高比表面积活性炭的电容器是基于碳电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层电容。由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点，有希望成为本世纪新型的绿色能源[7]。
超级电容器是20世纪末随着电动车行业的发展而迅速发展起来的一类新型储能器件。超级电容器的能量密度是传统电容器的几百倍，功率密度高出电池两个数量级，很好地弥补了电池功率低、大电流充放电性能差和传统电容器能量密度小的缺点。此外，超级电容器具有温度适应范围宽、循环寿命长（大于100000次）、充放电速度快（几毫秒）、循环效率高（大于99%）、无污染等优良特性，在许多特定条件下具有独到的应用优势。
近几年，由于超级电容器的制备技术日益完善，材料研究不断取得进展，超级电容器得到快速的发展，国际上诸如美国、日本、韩国、前苏联、德国等国家均投入大量的资金开展超级电容器及其相关材料的研究与开发，并取得了非常瞩目的成果，特别是准电容器和混合电容器的开发（目前已经商品化），其能量密度和功率密度大大提高，目前，比能量能做到5Wh/kg，比功率2000W/kg以上。已应用于各类机动车辆的启动电源、固定线路电动车的牵引电源、安全气囊、UPS系统、电磁开关、光伏电池蓄电、电网稳定、无线电发射等功率器件，在军事领域，有将超级电容器应用于坦克、火箭牵引等的启动能源中。

一、实验目的和要求
1．学会活性炭电极的制备方法；
2．掌握超级电容器组装技术；
3．掌握电化学工作站的测试方法和蓝电CT2001A电池测试系统对超级电容器进行恒流直流测试方法；
4．分析掌握超级电容器比容量、能量密度和功率密度的计算方法和影响因素。

二、方法原理
通过高比表面积活性炭电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层电容而达到能量储存与释放的目的。

三、主要仪器与试剂
仪器：电化学工作站，蓝电CT2001A电池测试仪，压片机，镍网，玛瑙研钵，真空干燥箱，电子天平，无水无氧手套箱等。
试剂：聚四氟乙烯乳液（PTFE（6%），破乳剂，石墨、乙炔黑，润湿剂，6mol•L-1的KOH水溶液，活性炭

四、实验内容
4.1极片制备超级电容器组装
将活性碳颗粒放入研钵中研磨，然后用200目的标准检验筛筛取活性碳粉末5g。在玛瑙研钵中加入一定量的粘结剂（如聚四氟乙烯乳液（PTFE（6%））、羧甲基纤维素钠（CMC）或者聚偏氟乙烯（PVDF））和破乳剂，再依次将活性碳粉末、导电剂（石墨、乙炔黑）放入进行和浆处理。真空干燥后，加入适量润湿剂，和匀，放入真空干燥箱120℃充分干燥。取出干燥后的样品，待冷却后在压膜机上压制成膜，裁取2cm×3cm的单元，并粘附在经过压制的泡沫镍上，及得到本研究所需的电极极片。
本实验超级电容器体系为不封装（unpacked）体系。将两块相同的电极极片用50μm厚的聚乙烯薄膜分隔，浸没在6mol•L-1的KOH水溶液中。
典型的极片SEM图象如图1所示。

4.2电化学性能检测
使用蓝电CT2001A电池测试系统对超级电容器进行恒流直流测试。电流选择范围为对超级电容器从0V到工作电压的充放电时间在2到100秒范围内的恒定直流电流。
典型的恒电流充放电曲线如图2所示。

采用电化学阻抗法测定超级电容器电极的电化学反应电阻和容量。典型的EIS图如图3所示。

图4是制备得到的超级电容器单体和组合照片。

五、数据处理
5．1 做出不同电流密度下的V~f(t)曲线，并根据原始数据计算比容量、能量密度和功率密度；
5．2 分析EIS图，比较交流和直流条件下测试结果的差异，并分析原因；
六、思考题
1、超级电容器和电池在能量储存与转换方面有什么异同？
2、如何在保证高功率密度的情况下，提高超级电容器的能量密度？
3、不同电流密度下超级电容器的比容量、能量密度和功率密度有什么不同，原因是什么？

参考文献：
[1] Conway B.E.[J]. J E ectrochem Soc， 1991，138（6）；1539-1548
[2 ]Burke A F. [J]. J Power Source，2000，91：37-50
[3] 王晓峰，孔祥华，刘庆国等.电子元件与材料， Mar.2002 Vol.21 No.3：1-3
[4] 王晓峰，王大志，梁吉等.物理化学学报,Acta Phys.-Chim.Sin.，2002，18（8）：750-753
[5] 张莉,邹积岩,郭莹等.电子学报，Aug.2004 Vol.32 No.8：1263-1255
[6] 苏岳锋，吴锋.化学通报，2004，（8） ：616-620
[7]王贵欣，瞿美臻，陈利等.化学通报，2004，（3）： 185-191

实验项目设计者简介
刘开宇，男，副教授。1988年7月毕业于中南大学矿物加工工程专业；1988年7月-1995年8月，衡阳市清水塘铅锌矿工作，任选矿工程师；1995年9月-1998年3月，中南大学应用化学专业攻读硕士学位；1999年9月-2003年5月，中南大学冶金物理化学专业攻读博士学位，博士论文的题目为“动力型贮氢合金的制备及热电化学评价”；2003年6月-至今，中南大学粉末冶金国家重点实验室材料科学与工程博士后科研流动站从事材料学博士后研究，在此期间（2003年10月-2004年10月），由教育部公派到乌克兰从事访问学者研究，从事碳纳米管的制备及应用研究（超级电容器和水质净化）。
作为项目负责人，成功实现“镍氢电池用贮氢合金”项目的产业化（博士论文研究内容，200吨/年的生产规模，目前已扩产至500吨/年）。作为骨干成员参与《稀土贮氢合金的中间试验》（湖南省重点攻关项目）和《电动汽车专项》（国家十五“863”计划子课题），并获国家发明专利1项、在乌克兰留学期间，与国际著名的碳素材料和超级电容器专家尤里•马列丁教授合作，对碳纳米管的制备、改性和应用做了系统的研究，成功地将其应用于超级电容器的电极材料和水质净化的活性材料。