正負共極水基超級電容器電極及其制備方法

　　摘要：本文研究了正負共極水基超級電容器的材料、配方、配料工藝、涂覆工藝等，制備出了性能良好的電極。通過攪拌工藝控制，獲得負極漿料固含量可達到23%、黏度可達到18Pas，具有良好的均一性；通過涂覆工藝控制，使成品電極具有良好的粘接特性且表面電阻得到了降低，正極表面電阻為1100Ω左右、負極表面電阻為132Ω左右；電極經裝配后得到的正負共極水基超級電容器工作電壓可達到1.6V，是傳統水基超級電容器工作電壓的2倍，大大提高了超級電容器的能量密度。

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　　關鍵詞：正負共極電極水基超級電容器工藝

　　一、前言

　　超級電容器又名電化學電容器[1-3]，超級電容器對于電動汽車的啟動、加速和上坡行駛具有極其重要的意義。傳統的超級電容器極低的比能量使得它不可能單獨用作電動汽車能量源，故提高超級電容器的比功率、比能量[4]，使之作為輔助能量使用具有顯著優點[5]。它在汽車啟動和爬坡時快速提供大電流及大功率，在正常行駛時由主動力源快速充電，在剎車時快速存儲發電機產生的大電流，這可減少電動汽車對蓄電池大電流充電的限制，大大延長蓄電池的使用壽命，提高電動汽車的實用性，對于燃料電池電動汽車的啟動更是不可少的。超級電容器在充電―放電的整個過程中，沒有任何化學反應和無高速旋轉等機械運動，不存在對環境的污染[6]，也沒有任何噪聲，結構簡單，質量輕，體積小，是一種更加理想的儲能器。

　　本文研究了一種正負共極水基超級電容器電極，它具有良好的粘接特性且電極材料表面電阻較小。用該電極進行裝配得到了正負共極層疊式串聯超級電容器[7-8]，它最大的優勢是具有內阻小、電壓高的特點。其單體工作電壓可到達1.6V，是傳統式水基超級電容器電壓的1倍。

　　二、實驗

　　我們制作的正負共極水基超級電容器由4個單元組成，分別為電極、聚丙烯膜[9]、電解質、殼體。電極與電極之間由通離子阻電子的隔膜隔開進行串聯式疊片，完成疊片后裝配到金屬殼體中，注入電解液并進行密封。

　?。ㄒ唬╇姌O制作方法

　　1.正負電極材料配比與漿料配制工藝

　　將粘結劑（PTFE）加入到蒸餾水的真空攪拌罐中，攪拌0.5h使PTFE分散均勻，再加入導電劑SP（特密高，瑞士）和CNT漿液（北京天奈科技有限公司，中國）攪拌2h至完全分散，最后加入錳酸鋰（湖南杉杉科技有限公司，中國）攪拌3h形成均勻的正極漿料，漿料最終黏度為5～6.5Pa.s，固含量約55%，材料加入質量百分比為LMO：PTFE：SP：CNT=92：3：2：3。將CMC（型號A30000，美國）加入到蒸餾水的真空攪拌罐中，攪拌2h使CMC完全溶解，再加入導電劑SP（特密高，瑞士）和CNT漿液（北京天奈科技有限公司，中國）攪拌2h至完全分散，再加入活性炭AC（比表面積2000±100m2/g，上海合達炭素材料有限公司）攪拌4h至完全分散，最后加入SBR（型號50%水溶液，深圳諾伊特材料有限公司）溶液攪拌1h形成均勻的負極漿料，漿料最終黏度為16～18Pa.s，固含量約25%，材料加入質量百分比為AC：CMC：SP：CNT：SBR=90.5：2：2：3：2.5。

　　2.正負共極電極制作工藝

　　在特制上下兩層隔離烘烤箱的涂布機上將正、負極漿料進行涂布，依據正極面密度為（150±10）g/m2、負極面密度為（268±5）g/m2的工藝要求，將正、負極漿料同時涂覆在同一集流體上，形成正/負共極的電極。

　?。ǘ┱摴矘O水基超級電容器裝配方法

　　再將加工合格的電極卷料分切成符合工藝要求的尺寸，以“集流體―正電極―隔膜―負電極―集流體―正電極―隔膜”串聯方式進行10個單元疊加形成超級電容器芯體，見圖1。超級電容器芯體放入殼體中，加入已配制好的電解液（硫酸鋰）并用樹脂將殼體密封，在50T的壓力機下對密封好的電容器進行擠壓。最后在精密的測試設備上對電容器進行激活，形成一種正負共極水基超級電容器，見圖2。

　?。ㄈ┱摴矘O水基超級電容器測試

　　裝配好的正負共極水基超級電容器進行充電活化后，使之具有超級電容器的特性，快速的吸附與脫嵌實現了電源能夠快速充電和大電流放電的功能。

　　使用1A的電流對超級電容器進行充放電測試，得到其工作電壓、能量密度。

　　三、結果與討論

　　（一）正負共極電極分析

　　1.負極漿料均一性好

　　漿料的均一性直接影響涂布效果。活性炭的比表面積比較大，導致漿料制作時固含量比較低僅20%左右，黏度比較大20Pa.s左右，負極漿料輸出時流動性良好，固含量23%，黏度18Pa.s。涂布過程中漿料不會受外界環境因素影響而出現團聚、結硬塊、塞刀口等現象。

　　2.正負共極水基電極具有良好的粘接特性

　　傳統式水基電極在涂布過程中存在龜裂現象，嚴重時掉渣，而本文工藝制作的正負共極水基電極具有良好的粘接特性，此特性大大降低了漿料與集流體之間的接觸電阻，從而改善了其極化性能。

　　3.電極表面電阻小

　　正負共極水基電極通過在材料選擇、配料工藝、涂布工藝等方面嚴格控制，得到的電極表面電阻比較小。使用萬用表分別測量其表面電阻和傳統式水基電極的表面電阻，測量結果顯示正負共極水基電極正極表面電阻為1100Ω左右、負極表面電阻為132Ω左右，傳統式電極正極表面電阻為3140Ω左右、負極表面電阻為542Ω左右。

　?。ǘ┏夒娙萜鳒y試性能分析

　　圖4為使用我們制作的正負共極水基電極加工得到的超級電容器電性能測試曲線圖。圖中顯示出超級電容器具有較高的電壓，單體電壓可達到1.6V以上（最高電壓可到達1.8V），計算得出能量密度可到達20Wh/kg（超級電容器能量密度E=1/2CU2），對比傳統式水基超級電容器的電壓0.8V，它的電壓提高了1倍。四、結論

　　本文研究了一種正負共極水基超級電容器電極的制備方法，使用該方法制得的電極具有良好的性能，主要對負極漿料性能、電極粘接性能、工作電壓、能量密度等方面進行了測試。測試結果顯示，負極漿料固含量可達到23%、黏度可達到18000mPa.s且具有良好的均一性；正負共極電極的粘接性能良好且表面電阻得到了優化，正極表面電阻為1100Ω左右、負極表面電阻為132Ω左右；單體工作電壓可達到1.6V以上是傳統水基超級電容器（0.8V）的1倍，能量密度大大提高，可達到20Wh/kg。