实用型电化学双电层电容器制备

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2002.06.018 第24卷第6期 北京科技大学学报 Vol.24 No.6 2002年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2002 实用型电化学双电层电容器制备 王晓峰”王大志》粱吉”刘庆国 1)清华大学机械工程系，北京1000842)北京科技大学固体电解质研究室，北京10008 摘要将经过二次活化处理的活性炭材料制作的电极片组装成碳基电化学电容器.通过恒 电流充放电实验，表明其具有良好的电化学充放电性能一活性物质的比容量为173.2g.恒 功率充放电实验证明该电容器在大功率充放电条件下活性物质的能量密度大于5.0W/kg电 化学电容器与镍氢电池组成的复合电源系统具有优良的脉冲充放电特性，脉冲性能与镍氢电 池相比有明显的提高，可以应用于GSM,CDMA移动通讯系统.初步探讨了高电压型电容器的 制备工艺，并组装了具有10V工作电压的实用型电容器. 关键词电化学双电层电容器；超级电容；活性炭；镍氢电池：复合电源系统 分类号TM53 电化学超电容器是一种介于物理电容和蓄 分析仪. 电池之间的新型储能装置，其电容值是传统电 12活性炭材料制备 容的20-200倍，具有高能量密度、高功率密度、 采用二次活化工艺处理制备的活性炭材料 长寿命等特性.其与蓄电池匹配组成的复合电 作为电极材料.工艺过程为：将一定比例的木粉 源能很好地满足一些系统对能量和功率的要 炭化后的产物在400~420℃范围内于K0H熔液 求，尤其适合作为移动通讯系统特种辅助电源. 中充分浸渍3h,然后将混合熔液温度缓升至 电化学电容根据不同的储能机理分为建立 900℃，在充分搅拌条件下进行2h化学刻蚀反 在界面双电层基础上的碳基电化学双电层电容 应；在NaHCO,催化作用条件下，900℃高温水蒸 和在氧化还原法拉第假电容基础上的过渡金属 汽中进行3h以上的物理刻蚀过程.原材料经过 氧化物超电容或聚合物超电容.满足电极材 二次活化处理后可以得到具有特殊电化学特性 料要求的碳材料有活性炭粉末、碳气溶胶、纳 的双电层电极材料. 米碳管及某些有机物如聚合物的炭化产物等，1.3双电层电容器的组装 本文采用二次活化方法制备的新型碳材料，具 称取适量的活性炭粉末和导电石墨，加入 有优良的电化学性能.电化学双电层电容与镍 少量的去离子水将其润湿，随后加人适量60% 氢电池组成的复合电源系统作为移动通讯系统 (质量分数)的PTE稀释液后进行充分的搅拌. 的电源，其性能与普通电源相比有了显著的提 在搅拌的过程中加入少量的异丙醇，搅拌的时 高.本文还初步探讨了具有10V以上工作电压 间为1~2h,得到粘稠状浆料.将浆料放入60℃ 的实用型高电压双电层电容器的制备工艺 左右的烘箱进行干燥，到半干状态后取出在对 辊机上压成厚度为0.3m左右的薄膜.在薄膜 1实验 上裁切得到具有50cm的长方形电极片.将烘 11实验仪器 干后的电极片在油压机上压到泡沫镍集流体上 主要实验仪器有Arbin152759-B型多功能 并用对辊机反复碾压.用无纺布作为隔膜材料， 充放电仪、Solartron SI1278电化学分析仪、S250 将若干电极片和隔膜分别放入6molL的KOH MKⅢ型扫描电镜和Mastersizer2000激光粒度 电液中浸泡后将其分别按照不同工艺组装成 为I型电容器和Ⅱ型电容器. 14双电层电化学电容器的电化学特性测试 收稿日期2001-11-20王晓峰男，28岁，助理研究员，博士后 *国家自然科学基金资助项目QNo.59807001) 使用Arbin电化学测试系统，对电容器进行

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 】 】 实用型 电化学双 电层 电容器制备 王晓峰 ” 王 大 志 ‘， 粱 吉 ” 刘 庆 国 ， 清华大学机械工程系 ， 北京 北京科技大学固体电解质研究室 ， 北京 摘 要 将经过二次活化处理的活性炭材料制作 的 电极片组装成碳基 电化学 电容器 通过恒 电流充放 电实验 ， 表明其具有 良好的电化学充放 电性能— 活性物质的 比容量为 恒 功率充放 电实验证明该 电容器在大功率充放 电条件下 活性物质 的能量密度大于 · 比 电 化学 电容器与镍氢 电池组成 的复合 电源系统具有优 良的脉冲充放 电特性 ， 脉 冲性 能与镍氢 电 池相 比有明显 的提高 ， 可 以应用 于 ， 移动通讯 系统 初步探讨 了高电压型 电容器的 制备工艺 ， 并组装了具有 工作电压 的实用 型 电容器 关键词 电化学双电层 电容器 超级 电容 活性炭 镍氢电池 复合电源 系统 分类号 电化学超 电容器是一种介于 物理 电容和 蓄 电池之 间的新型 储 能装置 ， 其 电容值是传统 电 容的 一 倍 ， 具有高能量 密度 、 高功率密度 、 长 寿命等特性 其与蓄 电池 匹 配组成 的复合 电 源 能很好 地 满 足 一 些 系统对 能 量 和 功 率 的要 求 ， 尤其适合作为移动通讯系统特种辅助 电源 电化学 电容根据不 同的储能机理分为建立 在界面双 电层基础 上 的碳基 电化学 双 电层 电容 和在氧化还原法拉第假 电容基础 上 的过渡金属 氧化物超 电容或聚合物超 电容 【，， 满足 电极 材 料要求 的碳材料有活性炭粉末 、 碳气溶胶 、 纳 米碳管〔 及某些有机物如聚合物 的炭化产物等 本文采用 二次活化方法制备 的新 型 碳材料 ， 具 有优 良的 电化学性 能 电化学 双 电层 电容与镍 氢 电池组成 的复合电源 系统作为移动通讯系统 的 电源 ， 其性 能与普通 电源相 比有 了显 著 的提 高 本文还 初步探讨 了具有 以 上 工作 电压 的实用 型 高 电压双 电层 电容器 的制备工 艺 实验 实验仪器 主 要 实验仪器有 一 型 多 功能 充放 电仪 、 川比 电化学分析仪 、 型 扫描 电镜 和 激光粒度 收稿 日期 一 一 王 晓峰 男 ， 岁 ， 助理研究员 ， 博士 后 国家 自然科学基金资助项 目 分析仪 活性炭材料制备 采用 二次 活化工艺处 理制备 的活性 炭材料 作为电极材料 工艺过程为 将一定 比例的木粉 炭化后 的产物在 一 ℃ 范 围 内于 熔液 中充分浸渍 ， 然 后 将混合熔液温度缓升 至 ℃ ， 在 充分搅拌条件下 进行 化学刻蚀 反 应 在 催化作用 条件下 ， ℃ 高温水蒸 汽 中进行 以上 的物理刻蚀过程 原材料经过 二次活化处理后 可 以得 到具有特殊 电化学特性 的双 电层 电极材料 双 电层 电容器的组装 称取适量 的活 性炭粉末和 导 电石 墨 ， 加人 少 量 的去 离 子水将其润 湿 ， 随后 加人适量 质量分数 的 稀释液后进行充分的搅拌 在搅拌 的过程 中加人少量 的异丙醇 ， 搅拌的时 间 为 一 ， 得到粘稠 状浆料 将浆料放人 ℃ 左右 的烘箱进 行干燥 ， 到半干状态后 取 出在对 辊机 上压成厚度为 左右 的薄膜 在薄膜 上 裁切 得到具有 ， 的长方形 电极 片 将 烘 干后 的 电极片在油 压机上压到泡沫镍集流体上 并用 对辊机反 复碾压 用 无纺布作为隔膜材料 ， 将若干 电极片和 隔膜分别放人 · 一 ’的 电液 中浸 泡 后 将 其分 别按 照 不 同工 艺 组 装 成 为 型 电容器和 型 电容器 双 电层 电化学电容器 的电化学特性测试 使用 电化学 测 试 系统 ， 对 电容器进行 DOI ：10．13374／j ．issn1001—53x．2002．06．018

652· 北京科技大学学报 2002年第6期 不同电流条件下的恒流充放电实验，恒流充放 SEM照片证明活性炭颗粒本身以及活性炭颗 电实验主要观察电容器在不同电流下的容量以 粒之间都具有典型的多孔特征. 及容量随充放电进行的衰减程度.碳材料的电 活性炭颗粒呈现一种不规则的外型（如图1 容计算公式为： 和图2所示)，在研究中可以近似的看作一种球 C-鼎-品鼎=i邻 △1 (1) 型颗粒进行分析.由图3可以看出本工艺制备 式中，C是电容器的双层电容值，F;△1，△V分别 的活性炭颗粒具有颗粒均匀，粒度分布范围类 似高斯概率分布的特点.全部活性炭颗粒分布 表示充电过程中时间差和电位差. 事实上，由于碳基超电容器通常是两个相 在0.1~100m的粒度范围之内，而绝大多数的 同的碳电极串联构成，同时又要考虑双电极质 颗粒则集中分布于10m附近.规则有序的材 量加和等因素，单个电极的电容实际数值应该 料粒度分布成为产生合理的中孔和微孔相结合 为电容器电容值的4倍关系，因此碳材料的比 的网络状孔径分布的基础. 电容计算公式为： G (2) 式中，C,为单个电极质量比容量，Fg;m为电极 的平均质量，g;a为活性炭的质量分数.同样， 能量密度可以由下式确定： 1 E,=2C(AV) (3) 式中，E,为活性炭材料的能量密度，Jg 同时，通过循环伏安充放实验来研究电极 及电化学双层电容器的可逆性. 图2活性炭颗粒上分布的部分孔洞 2结果及讨论 Fig.2 SEM micrograph of the carbon particle 21电极材料的物理特性表征 图1为利用对辊机压制的活性炭电极膜的 %/7 电镜照片.从照片上看，活性炭颗粒之间的缝隙 0.010.1110100100010000 粒度/m 图3活性炭材料的粒度分布图 Fig.3 Granularity distribution in the active carbon ma- terial 2.2电容器循环伏安曲线测试 根据活性炭碳基双电层电容器的储能原 理，在电极的工作电势窗(Potential Window)内， 理想的碳基超电容的循环伏安曲线应该呈现标 图1活性炭颗粒之间的大型孔洞和孔隙 准的对称矩形曲线.实际上，由于电极的极化内 Fig.1 SEM micrograph of the film electrode 阻存在，碳基双电层电容碳电极的循环伏安曲 和空洞十分明显，可以辨认出孔径大于50m 线往往有一定程度的偏差.本次实验通过双电 的大孔，该类孔洞是吸附质（电解液）分子迅速 极体系来研究碳电极在不同扫描速度下的循环 进人活性炭颗粒内部并与之充分浸渍的重要渠 伏安行为.从图4中可以明显看出，碳电极具有 道.部分大型活性炭颗粒上还可以清晰的辨认 良好的对称性.在电极的工作电势窗内，随着扫 出条状和点状的过渡孔(10-50nm)以及其中吸 描速度的倍增，同一电势下对应的电流也成倍 附的无定型碳（图2）.电极的扫描电子显微镜 增大，说明碳电极的容量和扫描速度无关，这从

北 京 科 技 不 同 电流条件下 的恒流 充放 电实验 ， 恒 流充放 电实验主要观察 电容器在不 同电流下 的容量 以 及 容量 随充放 电进行 的衰减程度 碳材料 的 电 容计算公式 为 尸 旦互 鱼 卫互 △ △ 式 中 ， 是 电容器 的双层 电容值 ， △，△ 分别 表示 充 电过程 中时 间差和 电位差 事实上 ， 由于碳基超 电容器通 常是两个相 同的碳 电极 串联构 成 ， 同时又要考 虑双 电极质 量 加和 等 因素 ， 单个 电极 的 电容实际数值应该 为 电容器 电容值 的 倍关系 ， 因此碳材料 的 比 电容计算公式为 大 学 学 报 年 第 期 照 片证 明活性炭颗粒本 身 以 及 活性炭颗 粒之 间都具有典型 的多孔特征 活性炭颗粒呈现一种不规则的外型 如图 和 图 所示 ， 在研究 中可 以 近似的看作一种 球 型 颗粒进行分析 由图 可 以看 出本工艺制备 的活性炭颗粒具有颗粒均 匀 ， 粒度分布范 围类 似高斯概率分布 的特点 全部活性炭颗粒分布 在 一 脚 的粒度 范 围之 内 ， 而绝 大多数的 颗粒则集 中分布于 阿 附近 规则有序的材 料粒度分布成为产生合理的 中孔和微孔相结合 的 网络状孔径分布的基础 达 △ 式 中 ， 为单个 电极质量 比容量 ， 为 电极 的平均质 量 ， 为活 性炭 的质量分数 同样 ， 能量 密度 可 以 由下式确定 一 粤二 △均 ‘ 式 中 ， 瓦 为活性炭材料 的能量密度 ， 同时 ， 通过循环伏安充放实验来研究 电极 及 电化学双层 电容器 的可 逆性 结果及讨论 电极材料的物理特性表征 图 为利用对辊机压制 的活性炭 电极膜 的 电镜照 片 从照 片上看 ， 活性炭颗粒之间 的缝隙 图 活性炭颗粒上分布的部 分孔洞 · …川「………一厂盯阻 …………下…洲日 ………厂… ， …下………川厂 ……「………厂 肛………川日 ……「………山 旧……川日 挂五彩芝 ﹃ 粒度 小 图 活性炭材料的粒度分布 图 。 图 活性炭颗粒之 间 的大型孔 洞 和 孔 隙 · 和 空 洞 十分 明显 ， 可 以 辨认 出孔径大于 的大孔 ， 该类孔洞 是 吸 附质 电解液 分子迅 速 进人活性炭颗粒 内部并与之充分浸 渍的重要渠 道 部分大型 活性炭颗粒上 还可 以 清 晰 的辨认 出条状 和 点状 的过渡孔 一 以及其 中吸 附 的无定 型 碳 图 电极 的 扫描 电子显微镜 电容器循环伏安 曲线测试 根 据 活 性 炭碳基 双 电 层 电 容器 的储 能 原 理 ， 在 电极 的工作 电势窗 内 ， 理想 的碳基超 电容的循环伏安 曲线应该呈 现标 准 的对称矩形 曲线 实际上 ， 由于 电极 的极化 内 阻存在 ， 碳基双 电层 电容碳 电极 的循环伏安 曲 线往往有一定程度 的偏差 本次实验通过双 电 极体系来研究碳 电极在不 同扫描速度下 的循环 伏安行为 从 图 中可 以 明显看 出 ， 碳 电极具有 良好的对称性 在 电极 的工作 电势窗 内 ， 随着扫 描速度 的倍增 ， 同一 电势下 对应 的 电流 也成倍 增大 ， 说明碳 电极 的容量和扫描速度无关 ， 这从

Vol.24 王晓峰等：实用型电化学双电层电容器制备 ·653· 侧面反映了碳电极具有良好的可逆性.另外，在 180 扫描电势范围内，没有法拉第氧化一还原峰，电 极的容量绝大部分由双层电容提供，下文中的 170 恒流充放电实验也证明了这一结论 ● 800 D ● 160 ● 400 C. 0 150 0 5 10 I/A -400 图6电容器在不同电流密度下的容量衰减情况 -800 Fig.6 Capacitance of active electrode at different charge 0 250 500 750 1000 and discharge current densities V:/mV 流的变化关系图.从图5和图6可以看出，电极 图4双电层电容器的循环伏安曲线.扫描速率：A为10 mV/s,B为20mVs,C为40mVs,D为80mVs 材料具有很好的大电流放电特性.当电流增大 Fig.4 The Cyclic voltammetry curve for double layer cap- 到12倍时，比容量衰减仅仅12F/g.采用该材料 acitor 组装的电容器具有良好的功率特性，适合大电 流放电. 2.31型电化学双层电容器的充放电特性 将I型电容器在Arbin电池测试仪上进行 首先采用将若干上述电极片并联的工艺组 恒功率放电研究，恒功率放电区间为1.2~0.6V. 装最大工作电压为1.2V且具有低压大容量特 表1记录了不同功率密度条件下电容器的能量 点的I型电容器.使用800mA电流将电容器充 密度和充放效率.图7显示了电容器在功率密 电至1.2V,然后以同样电流放电至0V.图5是 度为P=800Wkg条件下充放电曲线图. I=800mA时电容器的充放循环曲线图.从图5 1.4 表1I型电化学双层电容器的大功率放电特性 1.2 Table 1 Power performance of the carbon-based double 1.0 layer capacitor I 0.8 功率密度/(Wkg)放电时间/s能量密度(Whkg 0.6 500 41 5.69 0.4 800 25 5.56 0.2 1200 16 5.33 06 128 228 328 428 1.4 t/s 1.2 图5I型电容器的恒流充放电曲线 Fig.5 Constant current discharge of the electrochemical 1.0 double layer capacitor I 0.8 0.6 可以看出，充放曲线具有明显的三角形对称性 分布，表明电极反应的可逆性很好.在恒流充放 0.4 条件下，电压随时间变化具有明显的线性关系， 0.2 0 40 80 120 说明电极反应主要为双层电容上的电荷转移反 t/s 应.恒流充放电测试证明该电流强度下碳材料 的比容量为C。=173.2Fg,电容器的比电阻为 图7碳基电容器的恒功率放电曲线 Fig.7 Constant power discharge curve of the capacitor I 2.252·cm2.图6是电极材料对应的比容量随电

】 一 王 晓峰等 实用 型 电化学双 电层 电容器制备 侧面反映 了碳 电极具有 良好的可逆性 另外 ， 在 扫描 电势范 围内 ， 没有法拉第氧化 一 还 原峰 ， 电 极 的容量绝大部分 由双层 电容提供 ， 下 文 中的 恒流充放 电实验也证 明 了这一结论 口 ，， ——— 玖一丛了 一 ︷ ︸侧工日 甘 一 一 图 电容器在不 同电流密度 下 的容 衰减情况 图 双 电层 电容器 的循环伏安 曲线 扫描速 率 为 ， 为 ， 为 、 ， 为 型 电化学双层 电容器的充放 电特性 首先采用将若干上述 电极 片并联 的工艺组 装最大工作 电压为 且具有低压大容量 特 点 的 型 电容器 使用 电流将 电容器充 电至 ， 然后 以 同样 电流放 电至 图 是 时 电容器 的充放循环 曲线 图 从 图 流 的变化关系 图 从 图 和 图 可 以看 出 ， 电极 材料具有很好 的大 电流放 电特性 当电流增 大 到 倍时 ， 比容量衰减仅仅 ， 采用该材料 组装 的 电容器具有 良好 的功率特性 ， 适合大 电 流放 电 将 型 电容器在 电池 测试仪上 进行 恒 功率放 电研究 ， 恒功率放 电区 间为 一 表 记录 了不 同功率密度条件下 电容器 的能量 密度 和充放效率 图 显示 了 电容器在功率密 度为 二 条件下 充放 电曲线 图 一一 表 型 电化学双层 电容器 的大功 率放 电特性 · 功率密度 · 一 放电时间 能量密度 · 一 图 型 电容器的恒流 充放 电 曲线 · 趁 这 可 以看 出 ， 充放 曲线具有 明显 的三角形对称性 分布 ， 表 明 电极反应 的可逆性很好 在恒 流充放 条件下 ， 电压随时间变化具有 明显 的线性关系 ， 说 明电极反应主要 为双层 电容上 的电荷转移反 应 恒 流充放 电测 试证 明该 电流强 度 下 碳材料 的 比容量 为 二 ， 电容器 的 比 电阻为 · ， 图 是 电极材料对应 的 比容量 随电 图 碳基 电容器 的恒功率放 电 曲线 血

·654· 北京科技大学学报 2002年第6期 表1表明：电容器具有很好的功率特性.在大功 1.3 率密度条件下，电容器的能量密度随功率密度 的变化改变甚小，活性物质的能量密度始终大 1.2 于5.0Whkg,这个数据已经达到了美国能源部 1.1 对碳基双电层电化学电容器中活性炭材料的比 能量初级要求的最高标准. 1.0 2.4复合电源系统在通讯系统中的应用 0.9 实验通过碳基超电容和镍氢电池的复合实 500 10001500 2000 验来评估双电层电容作为GSM/CDMA移动通 t/s 讯系统电源的可能性.采用高脉冲实验手段对 图8镍氢电池的脉冲充放电曲线 并联的电池和I型电容器组成的复合电源系统 Fig.8 Pulse discharge curve of the NiH battery 的各项特性进行测试：将容量为1500mAh的 某研究所生产的高性能镍氢电池和特定容量的 1.3 I型碳基双电层电容器以并联方式组成复合体 12 系，先对蓄电池进行充电，然后放电至1.23V, 随后将I型碳基双电层电容器电容接人并联支 1.0 表2不同体系的脉冲放电性能对比表 Table 2 Performance of pulse discharge in different sys- 0.9 tems 0 500 100015002000 电池体系 复合体系 t/s 脉冲种类 R/% △VW tis △VW tis 图9电容器-镍氢电池复合系统的脉冲放电曲线 CDMA 0.11 1807 0.061 2118 17.2 Fig.9 Pulse discharge curve of the composite system CDMA2 0.10 1820 0.060 2223 22.1 GsM0.1118320.061 2107 15.0 ,引流极 路进行脉冲放电，表2是不同脉冲种类时体系 导电橡胶 的脉冲性能对比表，图8和图9为镍氢电池以 绝缘橡胶 及复合电源系统的CDMA2脉冲充放电的曲线 隔膜 对比 电极 从表2可以明显看出，复合后的体系在脉 冲电流条件下电压变化△V明显降低，脉冲放电 图10‖型电容器的内部结构 Fig.10 Interior structure of the capacitor ll 时间提高.随着脉冲宽度的增大，放电时间相应 增大，脉冲性能显著提高.在CDMA2型脉冲放 双电层电容器，该类型电容器外型尺寸为80mm 电时，脉冲条件下的平均电位变化△V从0.10V ×60mm×24mm.将若干个该类型电容器经过并 下降到0.06V,电源复合系统在同等条件下放电 联叠加组合并采用特殊模具压人不锈钢外壳 时间延长了403s,脉冲性能提高了22.1%. 中，焊接引流极及壳体和封盖，最终组装成Ⅱ型 2.5‖型电化学双层电容器的研制及测试 电化学双层电容器，电容器尺寸120mm×100 采用单体电容器串联新工艺组装工作电压 mm×80mm,测试其一系列性能. 为10V的Ⅱ型电化学双层电容器.具体组装工 使用0.1A电流将Ⅱ型电容器充电至10V, 艺为：电极两端为高导电性橡胶膜，两极周围用 然后以同样电流放电至0V.图11是Ⅱ型电容 丁腈橡胶绝缘，最后采用超声焊接封装形成工 器的循环充放电曲线图.从图中可以看出，Ⅱ型 作电压为1V的电容器单体，将10个1V单体 电容器的恒流充放电曲线仍然具有明显的三角 按照如图10中所示结构串联后利用铝塑复合 形对称性分布，表明本文中所介绍的工艺组装 包装材料采用热封装工艺组装成为10V电压 的高电压型电容器具有良好的反应可逆性.恒

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 表 明 电容器具有很好 的功率特性 在大功 率密度条件下 ， 电容器 的能量 密度 随功率密度 的变化改变甚小 ， 活性 物质 的能量 密度始终大 于 七般 ， 这个数据 已经达 到了美 国能源部 对碳基双 电层 电化学 电容器 中活性炭材料 的 比 能量初级要求 的最 高标准 复合电源 系统在通讯系统 中的应用 实验通过碳基超 电容和镍氢 电池 的复合实 验来评估双 电层 电容作为 叨 移动通 讯 系统 电源 的可 能性 采 用 高脉 冲实验手段对 并联 的 电池和 型 电容器组成 的复合 电源 系统 的各项 特性进行测试 将容量为 的 某研究所生产 的高性能镍氢 电池 和特定容量 的 型 碳基双 电层 电容器 以并联方式组成复合体 系 ， 先对蓄 电池进行充 电 ， 然后 放 电至 ， 随后 将 型碳基双 电层 电容器 电容接人并联支 图、镍氢 电池 的脉冲充 放 电曲线 咭 · 赶 从 表 不 同体 系 的脉冲放 电性能对 比表 一 卜门 、 脉冲种类 电池体系 复合体系 图 ， 电容器 一 镍氢 电池 复合 系统 的脉 冲放 电 曲线 ，‘，二 ，‘︶‘月了 △ 路进行脉冲放 电 ， 表 是 不 同脉冲种类 时体系 的脉冲性 能对 比表 ， 图 和 图 为镍氢 电池 以 及复合 电源 系统 的 脉冲充放 电的 曲线 对 比 从表 可 以 明显看 出 ， 复合后 的体系在脉 冲电流条件下 电压 变化△ 明显 降低 ， 脉冲放 电 时 间提高 随着脉冲宽度的增大 ， 放 电时间相应 增 大 ， 脉 冲性能显 著提高 在 型 脉 冲放 电时 ， 脉 冲条件下 的平均 电位变化△ 从 下 降到 ，电源 复合 系统在 同等条件下放 电 时间延 长 了 ， 脉冲性能提高 了 型电化学双层 电容器 的研制及测试 采用 单体 电容器 串联新工艺组装 工作 电压 为 的 型 电化学双层 电容器 具体组装工 艺为 电极两端为高导 电性橡胶膜 ， 两极周 围用 丁睛橡胶绝 缘 ， 最后采 用 超声焊接封装形成工 作 电压 为 的 电容器单体 ， 将 个 单体 按 照 如 图 中所示 结构 串联后 利用 铝 塑 复合 包装材料采用 热封装工艺组装成 为 电压 导 电橡胶 绝缘橡胶 隔膜 电极 图 型 电容器 的 内部结构 双 电层 电容器 ， 该类型 电容器外型 尺寸为 义 将若干个该类型 电容器经过并 联叠 加组 合并 采 用 特殊模具压 人 不 锈 钢外壳 中 ， 焊接引流极及壳体和 封盖 ， 最终组装成 型 电化学双层 电容器 ， 电容器尺 寸 ， 测 试其一 系列性 能 使用 电流将 型 电容器充 电至 ， 然后 以 同样 电流放 电至 图 是 型 电容 器 的循环充放 电 曲线 图 从 图 中可 以看 出 ， 型 电容器的恒流充放 电曲线仍然具有 明显 的三角 形对 称性分布 ， 表 明本文 中所介绍 的工艺组装 的高电压 型 电容器具有 良好 的反应 可 逆性 恒

Vol.24 王晓峰等：实用型电化学双电层电容器制备 655· 10 容与蓄电池组成的复合电源系统在移动通讯系 统电源等领域具有广泛的应用前景.实验组装 8 的Ⅱ型双电层电化学电容器在具有高工作电压 的同时具有良好的容量特性和阻抗特性，在电 动车启动电源等需要较高工作电压的情况下具 有潜在的应用 参考文献 2 0 100200300400500600 1王晓峰，孔样华，刘庆国，等.高分子聚合物超电容 器研究进展).电子元件与材，2001,20（⑤）：24 t/s 2王晓峰，孔样华，刘庆国，等.“超电容”电容器电极 图11‖型电容器的充放电曲线.充放电流为0.1A 材料研究进展J].电源技术，2001,25（增刊）：166 Fig.11 Discharge curve of the capacitorll 3 Tanahashi I,Yoshida A,Nishino.Electrochemical charac- 流充放电测试证明该电流强度下电容器容量为 terization of activated carbon-fiber cloth polarizable elec- 10F,电容器电阻为250m2.容量数据和阻抗数 trodes for electric double-layer capacitors [J].J Electro- 据表明Ⅱ型电容器在具有高工作电压的同时还 Chem Soc,1990,137(10):3052 4 Saliger R,Fischer U,Herta C,et al.High surface area car- 具有较高的电容量和较低的电阻. bon aerogels for supercapacitors []J Non-Cryst Solids, 1998,225(1):85 3结论 5 Ma R Z,Liang J.Study of electrochemical capacitors utili- zing carbon nanotube electrodes [J].Journal of Power So- 实验组装的I型双电层电化学电容器具有 urces,1999,84(1):126 高容量、高功率密度等优点，可以有效地改善镍 氢电池的脉冲充放电性能，由双电层电化学电 Preparation and Application of Electrochemical Double Layer Capacitor WANG Xiaofeng",WANG Dazhi,LIANG Ji,LIU Oingguo 1)Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China 2)State Support Laboratory on Solid Electrolytes and Metallurgical Testing Techniques,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The electrochemical storage of energy was considered in a special kind of active carbon mater- ials used as capacitor electrodes.The porous carbon material prepared by KOH and vapor re-etching exhibits perfect physical structure and properties.Its good electrochemical performances were confirmed by the experi- ment of charge/discharge and the specific capacitance of active carbon was 173.2 F/g.Under the large dis- charge current condition,the specific capacitance of EDLC decayed only 12 F/g.A evaluation of capacitor per- formance by voltammetry characteristics was also discussed.A hybrid power source consisting of Nickel-hy- drogen and double layer capacitor was demonstrated to power successfully a simulated power load encoun- tered in communication equipment.The new technique of getting high working voltage for capacitor was di- scussed in detail.The working voltage over 10 V and the resistance less than 250 m was obtained. KEY WORDS double layer capacitor;supercapacitor;active carbon;nickel-hydrogen battery;composite power source

王 晓峰等 实用 型 电化 学双 电层 电容器制备 一 赶 ， 连 什 容与蓄 电池组成 的复合 电源 系统在移动通讯 系 统 电源 等领域具有广泛 的应用 前景 实验组装 的 型 双 电层 电化学 电容器在具有高工作 电压 的 同时具有 良好 的容量 特性 和 阻抗特性 ， 在 电 动车启动 电源等需要较高工作电压 的情况下具 有潜在 的应用 一 一 一口 图 型 电容器 的充放 电 曲线 ， 充放 电流为 ， 流充放 电测试证明该电流强度下 电容器容量为 ， 电容器 电阻为 容量数据和 阻抗数 据表明 型 电容器在具有高工作 电压 的 同时还 具有较高的 电容量 和较低 的 电阻 结论 实验组装 的 型 双 电层 电化学 电容器具有 高容量 、 高功率密度等优点 ， 可 以有效地改善镍 氢 电池 的脉 冲充放 电性 能 ， 由双 电层 电化学 电 参 考 文 献 王 晓峰 ， 孔祥华 ， 刘庆 国 ， 等 高分子 聚合物超 电容 器研究进展 电子元件与材 ， ， 王 晓峰 ， 孔祥华 ， 刘 庆 国 ， 等 “ 超 电容 ” 电容器 电极 材料研究进展 电源技术 ， ， 增刊 ’ ， ， 一 如朋 一 刀 ， ， ， ， ， 一 ， ， ， 口 、 ， ， 删刀 喇 ， 蒯刃 ， 五侧刃 ， 忍 翻 ， ， ， 介 ， ， ， 一 ， 一勿 雌 一勿