超级电容器的性能研究

超级电容器的性能研究
超级电容器的性能研究
李宝华"周鹏伟康飞宇曾毓群
StudiesofSuperCapacitor
LiBaohua'ZhouPengwei'KangFeiyu'ZengYuqun
摘要:本工作对超级电容器性能进行了研究.电化学测试发现有机体系超级电容器拥有良好的电化学性能.其
能量密度可达6.8Wh/Kg,最高功率密度超过1000W/Kg,2.5万次充放电循环后容量保持率在70%以上,循环
性能良好,充放电效率高,且内阻小.
关键词:活性炭超级电容器比电容充放电特性
一
.前言
超级电容器是一种新型的电化学能量储存和转换装置,与传统意义上的电容器相比有着更高的法拉第比电
容量和能量密度;与蓄电池相比则具有功率密度,充放电时间短,循环性好,使用寿命长,便于维护等特点1-6J.
从某种意义上可以说超级电容器有着传统电容器和电池的双重功能,其功率密度远高于普通电池,能量密度远
高于传统电容,因而填补了这两个传统技术问的空白.超级电容器同时也可在极低温等极端恶劣的环境中使用,
并且无环境污染.
本工作使用成本较低的粉状活性炭作为电极原料,采用层叠制造技术制备了工作电压为2.8V有机体系超级
电容器,并考察了电容器的实用性能,为电容器的实用化提供参考.
二.实验
1电极膜片的制备
按照质量比80:10:10的比例称取活性炭粉,乙炔黑和粘结剂,干混后加入适量的溶剂,调节溶剂用量使
得浆料达到合适的粘度要求,然后用磁力搅拌器搅拌一定时间,之后把浆料均匀涂覆于金属集电流体上,涂好
后即放入70℃左右的烘箱中干燥,然后在对辊轧机上轧制,将所得到的电极体在裁切机上裁成所需形状与
大小的电极膜片备用.
2.超级电容器的结构及制造
超级电容器的基本单元为:活性炭正,负电极膜片中间加隔离膜,注入1MEt4NBF4/PC(四乙基四氟化
硼酸铵盐/碳酸丙稀酯)电解液,并紧紧挤压在一起.将多只基本单元的正极与正极,负极与负极相互连接组
成大容量的片式并联结构超级电容器.
3.超级电容器测试仪器
超级电容器的电化学测量采用直流恒流循环法测定,测定工作使用美国Maccor公司的4通道
MC-4型电化学工作站和Arbin公司生产的16通道超级电容器测试仪上完成.
三.结果与讨论
1.超级电容器1亘电流充放电性能
图1,表1是2.8V/IOOF超级电容器在不同电流密度下的充放电性能,图1中在恒定电流充放电情况下,
电压和时间呈良好的线性关系,这进一步说明对于多孔炭电极而言其在有机电解液体系以形成双电层电容为主,
几乎不存在假电容的现象.在表1中当充放电电流为0.1A时,超级电容器的能量密度可达6.8Wh/Kg和11.7
Wh/L;电流增至4.5A时能量密度仍可达4.6Wh/Kg和8.0Wh/L.
作者简介:作者单位:i.清华大学深圳研究生院新材料研究所,广东省,深圳,518055;2东莞新能源电子科技有限公司,
广东省,东莞市,523080电话:0755-********E—mail:libh自.CFI
第一作者简介:李宝华,男,博士,清华大学深圳研究生院讲师,研究方向为能源与环境材料,主要包括新型炭材料,锂离子电池,
超级电容器和燃料电池及其关键技术和部件.
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Chargetime(S)
图12.8v/100F超级电容器不同电流下充放电曲线
表12.8V/100F超级电容器不同电流下放电性能
2.超级电容器恒功率密度充放电性能
早在1994年美国能源部就对商业化超级电容器性能指标提出了具体要求:能量密度和功率密度
分别大于5Wh/Kg和1000W/Kg.国家"十五"863计划电动汽车重大专项也对电动车用超级电容器
提出了功率密度大于1000W/kg和充放电寿命大于5万次的要求.直到目前为止研究者无法从国际市
场上购买到能量密度和功率密度分别大于5Wh/Kg和1000W/Kg的超级电容器.
3.交流阻抗谱(EIS)测试
超级电容器的内阻,主要包括电解液本身电阻,活性炭电极固有电阻,集流体与活性炭的接触电
阻三部分.图2所示为电容器的EIS图谱,频率范围10mHz～100kHz.从EIS图谱可以看到电容器
R(Ohm)
图2超级电容器的EIS图谱
(频率范围为10mHz～100kHz)
u_
O-
0500010000150002000025000
Cyclenumbers
图3超级电容器循环性能
9
在低频区具有双电层电容"弥散效应"的明显特征,内阻值仅为46mQ,符合电源的低内阻要求.
在超级电容器的阻抗谱表征中,经常研究"拐点"频率的大小,因为这个频率点是两个电极过程的
分界点.以拐点频率为界,高频区阻抗的实部代表了电解液离子渗入电极微孔的难易;低频区则是双
电层的电容效应.拐点频率的高低受离子在电解液中迁移率的影响,即离子迁移速率越快,拐点频率
越高;而迁移速率又受离子大小,电解液黏度以及隔膜厚度与离子通透性等各个因素的限制.
4.超级电容器循环性能
图3给出了超级电容器在高电流密度(20mA/cm)下的2.5万次循环性能.在测试过程中循环
一
段时间后,电容器由于自身发热温度升高,并且可逆放电容量下降;经略微休息,电容器温度降至
室温后,继续进行充放电测试,电容器可逆容量略有反弹,但仍比最初容量低.在1万次循环,容量
下降约20%之后,交叉进行充放电循环和休息,超级电容器容量衰减已经非常缓慢.容量的衰减一
方面是由于电解液本身所含杂质和多孔炭所吸附的水份发生分解产生少量气体,电容器出现气胀,内
阻增加,容量减少;另一方面在长期的充放电循环过程中电解液必然要发生老化,同样造成内阻增加,
容量减少.其中第一个因素可以通过电解液的进一步纯化和对多孔炭电极高温真空干燥予以解决.
由电容器充放电容量可以计算出电容器的充放电效率.图4中电容器首次循环的效率为77%,随
着循环次数的增加,充放电效率逐渐增高并稳定,5次循环后达到97%以上,远高于电池的充放电效
率,说明电容器是一种高效率电子装置.与蓄电池电池相比,双电层电容器的充放电容量较小,但充
放电时间短,功率密度大,充放电效率高.
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Cyclenumbers
图4超级电容器循环效率变化
四,结论
1.有机电解液体系超级电容器的法拉第容量随电流密度的增大而略有降低,在小电流充电条件下,能量储
存密度可达6.8Wh/Kg,充电电流增大45倍后,电容量保持率为81%.
2.超级电容器最高功率密度超过1000W/Kg,2.5万次充放电循环后容量保持率在70%以上,循环性能良好,
充放电效率高,且内阻小.
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