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1、 超级电容器电极材料的制备及研究学院 环境与化学工程学院专业 化学工程与工艺姓名 学号 0908010328指导老师 III摘要超级电容器，又名电化学双层电容器，介于物理电容器和化学电池之间的储能器件，是一类可以实现快速充放电的储能元件。由于其具有较大的比电容和比功率，以及较之传统电池来说，更长的使用寿命等优点，将作为新代的储能元件，具有着更广泛的应用前景。乙炔黑是以乙炔为原料而制得的碳黑。由于乙炔黑具有优良的导电性能、比表面积大、吸附能力强、粒度很小且各向同性, 因而被广泛地用于电化学和电分析领域。本文研究了在以活性炭、CNT、PTFE乳液为主要电极材料的基础上加入不同比例的乙炔黑对超级电容
2、器性能的影响。主要内容包括以下几个方面：（1） 对超级电容器中粘结剂因素以及电极片制作方法进行实验和探索，制备性能稳定的超级电容器。（2） 研究了加入不同电极材料对电容器性能的影响，包括比容量、ESR、充放电效率等基本性质，并对其进行比较分析。关键词：超级电容器；电极材料；比容量；粘结剂 AbstractSuper capacitors, also known as electrochemical double layer capacitors, between chemical and physical capacitor battery energy storage devices, is
3、 a kind of device which can realize rapid charging and discharging of the energy storage element.Since it has larger specific capacitance and specific power, and compared with the traditional battery, longer service life, etc, it will serve as a new generation of energy storage component, it has a w
4、ider application prospect.Acetylene black is made from acetylene carbon black. Because of acetylene black has excellent electric conductivity and large specific surface area, strong adsorption capacity, particle size is small and isotropic, and therefore is widely used for the field of electrochemis
5、try and electrical analysis.This thesis were studied in the activated carbon, CNT, PTFE emulsion as main electrode materials on the basis of adding different proportions of acetylene black on the properties of super capacitor.Mainly includes the following aspects:(1)For super capacitor electrode sli
6、ces and binder factors in producing method of exploration and experiment, the preparation of stable performance of super capacitor.(2)Studied to mix different electrode material affect the performance of capacitor, including specific capacity, ESR, basic properties, such as charge and discharge effi
7、ciency and carries on the comparative analysis.Key words: super capacitor; Electrode materials; The specific capacity; binder目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 超级电容器概述11.1.1 超级电容器的原理11.1.2 超级电容器的材料组成31.1.3 超级电容器的特点61.1.4 超级电容器的分类71.2 超级电容器的应用和发展91.2.1 超级电容器的应用91.2.2 超级电容器的历史发展及市场状况101.2.3 超级电容器的发展方向111.3 本论文研究
8、的目的和意义111.4 本论文的主要工作122 实验部分132.1 主要原材料和仪器设备132.1.1 材料的选择132.1.2 主要仪器设备162.2 电化学性能测试方法及原理172.2.1 恒流充放电测试方法及原理172.4 实验过程192.4.1 电极的制备192.4.2 有机相超级电容器的组装212.4.3 电化学性能测试212.5 本章小结223 结果和讨论233.1 电容量和等效串联电阻233.2 循环充放电对比容量的影响243.3 电极等效串联电阻与充放电次数的关系253.4 大电流放电特性的比较263.5 电容器自放电和漏电流测试273.6 充放电效率和循环次数的关系283.7
9、 能量密度的比较293.8 本章小结304 结论31致谢32参考文献33附录 A 英文文献35附录 B 中文翻译41附录C55附录C.155附录C.256附录C.357附录C.458附录C.559附录C.660附录C.761附录C.862附录C.963附录C.1064附录C.11651 绪论1.1 超级电容器概述超级电容器（supercapacitor)，也可以成为电化学电容器（Electrochemical Capacitor,ESC)、超电容（ultracapacitor)、电化学超级电容器（Electrochemical Supercapacitor)，是一种介于传统电容器和化学电池之间
10、的新型储能装置，其电容值是传统的20-200倍，集高比能量、高比功率、长寿命于一身1。1.1.1 超级电容器的原理1、双电层电容器（1）双电层电容器的原理至目前为止，大家所公认的ESC的电荷储存原理主要是双电层电容储能原理和假电容储能原理。双电层电容原理是指由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两个固体电极之间的电势差，从而实现能量的储存。这种储能原理，允许大电流快速的充放电，其容量的大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。而假电容原理则是利用在电极表面及其附近发生在一定范围内快速且可逆的法拉第反应来实现储能的。这种法拉第反应与二次电池发生的氧化还原反应是不一样的，因为
11、这种反应的电压随充进电荷的增加而成线形变化，但又与传统意义上的电容有一定的差异，所以被命名为假电容。假电容有一个最大的好处就是它能产生很大的容量，是双电层电容容量的10100倍2-4 。ESC的大容量和高功率充放电就是主要由这两种原理所产生的：充电时，依靠这两原理储存电荷，实现能量的储存；放电时，又依靠这两原理，实现能量的释放。从其原理的分析，可知道要制备高性能的ESC，有两条途径：第一，可不断增大材料的比表面积，从而增大双电层电容量；第二，可不断增大材料的可逆法拉第反应的机会和数量，从而提高假电容容量。但实际上，对一种电极材料而言，往往这两种储能原理都是同时存在的。只不过是，淮主谁次而已。下
12、面我们主要介绍双电层储能原理：早在十九世纪末期德国物理学家亥姆霍兹(Helmholtz)就己经提出了这种理论。界面双电层理论是研究固体与液体、固体与固体界面性质的一种理论。亥姆霍兹最早发现，插入电解液的金属，由于库伦力、分子间作用力(范德华力)或原子间作用力(共价力)的作用，使金属表面出现稳定、符号相反的两层电荷，此电荷层称为双电层。实际上，双电层的结构并不像亥姆霍兹所认为的那样紧密。由于离子或分子的热运动，往往具有一定的分散性。正如后来斯特恩(Stein)所指出的那样，双电层的结构是由紧密双电层和分散双电层两部分组成的。根据双电层理论，金属表面的静电荷将从溶液中吸附部分不规则分配的离子，使它
13、们在电极/溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。由于界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，因而存在电容量。为形成稳定的双电层，必须采用不和电解液发生化学反应和电化学作用的导电性能良好的电极材料，还应施加直流电压，促使电极和电解液界面产生双电层。由此可见，双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关。因而可以通过提高电极电位和增大电极比表面积来提高双电层电容5-7。图1.1为双电层电容器原理图：图 1.1 双电层原理 （2）双层电容器的结构超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定
14、的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。 超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接到终端，使外部的电容电流路径扩展。 1.1.2 超级电容器的材料组成1、超级电容器所用碳材料在所有的电化学超级电容器电极材料中，研究最早和技术最成熟的是碳材料，其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的8。其发展先后主要出现了多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维、碳气溶胶以及最近才开发的碳纳米管等。活性炭是一种主要由元素碳组成的多孔物质，其孔隙放大如图12所示。图 1.2 活性炭孔隙放大图活性炭中的碳具有类似石墨的层状晶体结构，称为石墨微晶。它们在活性炭中是无规则排列的，堆积疏松但相互连接却十分牢固。正是由于这种结构，各晶体之间才有许多形状、大小不同的孔隙9。其孔隙直径范围如表1.1所示。表1.1 活性炭的孔型及孔径范围 孔径IUPAC孔隙直径（nm)习惯采用的孔隙半径（A） 微孔 2.0 15 中孔
