碳基纳米复合材料EDLC超级电容器

摘要

制造并测试了基于活性炭作为主材料电极的超级电容器。MWCNT作为添加剂添加到主体材料中以形成纳米复合材料并且确认MWCNT浓度对改善的影响，研究超级电容器的性能。使用1M TEABF4-PC溶液作为有机电解质。纳米复合材料在改善超级电容的比功率和能量密度方面不同地起作用，测试方法采用阻抗光谱、进行循环伏安法和恒电流充电- 放电测量来表征电容器。

介绍

电化学双层电容器（EDLC）的超级电容器是具有功率密度和能量密度是介于传统电容器和电池之间。随着对具有高功率的能量存储装置的需求长的耐久性增加的提高，超级电容器变得越来越重要。EDLC超级电容器与传统的电容器的区别，是其电极由多孔导体如活性炭组成，其具有巨大的表面积，并且其通过静电力累积并保持电荷/电解质界面的薄层上的电荷或非法拉效应，使得其具有巨大的电容（> 100F / g），并且具有更高的功率和更长的再循环寿命（> 100000个周期）比可充电电池。然而，到目前为止EDLC超级电容器的能量密度不是那么高。

碳质材料如碳气凝胶、粉末和碳纤维是最常用的材料作为超级电容器中的电极，因为碳可具有高表面积，化学和热稳定，成本相对低和环保。提高EDLC性能的方法包括创造新的碳纳米复合材料电极，目的是为了增加电极的导电性和表面积。

在本报告中，探索了一系列用于EDLC的碳基对称电极，使用商用的活性炭粉末作为基本活性材料，碳纳米管作为导电填料。还探讨了在混合溶剂中基于LiPF 6或Et 4 NBF 4的有机电解质的性能，其具有大于3V的电化学窗口。使用VersaSTAT MC分析仪在测试其阻抗谱，循环伏安法和恒电流充电- 放电测试。

实验步骤

1.碳电极

使用表面积为1000m 2 / g的活性炭粉末（AC）作为主体电极材料。在一系列研究中分别以0.15重量％，1重量％和7重量％的重量百分比添加多壁碳纳米管粉末（MWCNT）而没有改性。以5重量％的总固体组分添加PVDF（聚（偏二氟乙烯））作为粘合剂。碳质膜的面密度为4〜5mg / cm 2。

2.制作电容器

图1

图1提供了在本研究中制造的超级电容器电池类型的图。电解质为1M Et 4 NBF 4（四氟硼酸四乙铵或TEABF 4）在PC（碳酸亚丙酯）中。盐和溶剂都来自Sigma-Aldrich，Et4NBF4纯度为99％，PC为无水，99.7％纯度。

为了组装电容器电池，切出两个碳质材料涂覆的Al的矩形条并与碳侧面对面组合，将隔膜用电解质溶液浸泡并夹在其间。因此，形成对称电极EDLC单元，其中电极重叠区域被定义为工作区域，其在所有器件中固定为2cm 2。

3结果和讨论

3.1阻抗光谱分析

图2.（a）具有AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT电极的电容器在0.2V的直流电压下，在频率范围上20mV的正弦信号的奈奎斯特图从1000kHz到0.01Hz。Zre：实际阻抗。Zim：虚阻抗。插图显示了高频区域中的放大比例图。

在具有正弦波的0.2V的DC偏压下进行电化学阻抗光谱（EIS）测量信号在1MHz至10mHz的频率范围内为20mV。图2显示了四个相应的Nyquist图器件具有AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT碳质电极。在高频到中频区域，只有少量的电荷复合物可以克服活化能与其迁移交替电位。Zim-Zre半圆是由接近亥姆霍兹平面的移动电荷复合体发展而来的

由界面接触电容（Cc）和电荷转移电阻（Rc）[10]表示。半圆有2实轴上的交点，半圆左端的Zre值表示等效串联电阻（ESR），这是碳铝接触电阻，体溶液电阻的组合电解质和电极材料本身的电阻：ESR值对于除了的所有电极是相似的AC + 7％CNT电极，其具有非常低的ESR。半圆的直径表示电荷转移电阻Rc：对于AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT电极，它们分别是7.1W，2.8W，1.4W和1.2W。这表明导电MWCNT可以降低电荷转移电阻。在半圆的右侧，a〜45o观察到Warbury区域，这是离子扩散到电极的主体中的结果，其全部具有孔尺寸分布[11]。在较低的频率范围，曲线几乎是垂直的，表明器件的电容性质。

3.2循环伏安法分析

图3.使用1M TEABF4-PC电解质的EDLC电池在两种极端扫描速率下的AC，AC + 0.15％CNT，AC + 1％CNT和AC + 7％CNT电极的循环伏安图：（a）0.01V / s，）0.5V / s

在从0.01V / s至0.5V / s的扫描速率范围内，在0和3V之间进行三个器件的循环伏安（CV）响应，结果示于图3中。对于每个电池，存在两个在两个极端扫描速率下的典型CV曲线，根据以下等式可以从中导出归一化比电容C：

其中i是电流，v是扫描速率，m是一个电极（不包括集电器）的质量。这些曲线是规则的并且与0水平轴对称，在0-3V扫描区域中具有〜0.05的法拉第分数[12]，表明电池的非氧化还原或非感应性质。

在低扫描速率下，所有AC + CNT电极的电容低于仅AC电极，CNT百分比越高，电容越低。这可以通过以下事实来证明：在低充电/放电速率下，所有表面都是AC，在这种情况下，确认AC 碳质材料的高能量存储容量。另一方面，在高扫描速率下，AC + CNT的电容高于AC电极，并且CV形状更像矩形，表明AC + CNT电极中的快速充电- 放电过程。在快速充电- 放电的情况下，只有AC + CNT电极是有效的，其中CNT的存在带来这种充电效率。可以得出结论，MWCNT 形成了连续的导电网络，其可能使间隙和一些孔中的电路短路，使得电荷不能扩散到深的间隙和孔中，因为MWCNT更具导电性并且未改性的CNT更低表面积比AC。结果，总电容减小。

3.3恒流充放电分析

为了检验0，并在不同的电流密度3V之间的设备率性能和功率和能量密度的关系，恒电流充电- 放电循环进行，它是示于图4的两个典型plotsof恒流充放电被两个呈现极限电流密度。在低的2mA的电流密度下，四个电极的性能为AC> AC + 0.15％CNT> AC + 1％CNT> AC + 7％CNT 的性能，这是一致的其在低扫描速率下的CV行为。在50mA的高电流密度下，含CNT的AC 电极的性能优于单独的AC的性能。充放电转折点处的IR下降表示能量损失到内部直流电阻; 数据显示，IR滴根据以下序列随CNT含量而变化：AC