双电层电容器电极涂覆过程中若干工艺问题研究

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双电层电容器具有功率密度高、循环寿命长等优点,是适合短时间大电流充放电的重要储能装置,因此在众多领域的应用都颇受瞩目。双电层电容器器件性能不仅与活性炭、粘结剂以及导电剂的种类有关,还与电极材料的添加量、电极浆料涂覆厚度等生产工艺条件有关。目前超级电容器的电极制造过程缺乏具有针对性的研究,因此对双电层电容器涂布过程工艺条件探索具有十分重要的理论和现实意义。本文以粒径5μm的沥青基活性炭为电极活性物质,通过改变电极浆料的配方以及涂覆的湿膜厚度,制备了一系列扣式双电层电容器。通过循环伏安、交流阻抗、恒流充放电等电化学表征手段评估电极性能,对电极浆料固含物浓度、粘结剂种类、粘结剂添加量、涂膜厚度等条件作出优化,掌握了电极性能随工艺条件的变化规律。本实验得出以下结论:1.考察电极浆料浓度对双电层电容器性能的影响,通过流变行为优化电极浆料的配比。结果表明,浆料粘度随着剪切速率的增加而减少,随着固含物浓度的增加而增加。当剪切速率恒定时,浆料粘度不随时间变化而变化,说明该体系分散稳定。当浆料浓度高于0.25g/ml时,浆料的搅拌制备难度增加,难以得到分散均匀的电极浆料。当电极浆料浓度为0.225g/ml时,可以制备出具有最佳性能的电极,在1 A/g的充放电速率下,其比电容可达34.3 F/g。2.考察粘结剂种类对双电层电容器性能的影响,分别以油性PVDF、水性CMC/SBR和水性LA133作为粘结剂,优化粘结剂添加量,并比较其对电容器电化学性能的影响。结果表明,以PVDF或CMC/SBR为粘结剂,固含物浓度0.225g/ml时,浆料粘度在2000-3000 mPa·s之间,电极浆料具有良好的流平性能。以LA133为粘结剂时,固含物浓度为0.225g/ml情况下,电极浆料粘度只有20-350 mPa·s,极易流动,难以涂覆。PVDF的最佳添加量为8 wt.%,此时电极在1 A/g下比电容为39.2 F/g,2000次循环后的容量保持率为95.2%。CMC/SBR的最佳添加量为8 wt.%,此时电极在1 A/g下比电容为34.7F/g,2000次循环后的容量保持率为92.6%。3.考察涂膜厚度对双电层电容器性能的影响。结果表明,当涂膜厚度为60-90μm时,可以获得较好的电化学性能。90μm厚度电极在1 A/g的充放电速率下,比电容可达到34.3 F/g,2000次循环以后的容量保持率为94.4%。
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