活性炭纤维电极超级电容器的研制【钜大锂电】

阮殿波1，2，3，王成扬2，王晓峰3

(1.北京集星联合电子科技有限公司，北京102628；2.天津大学化工学院，天津300072；3.清华大学精密仪器与机械学系，北京100084)

摘要：对粘胶纤维布进行碳化、活化及喷涂铝工艺处理，制备活性炭纤维电极，并组装了超级电容器。直流放电、温度环境特性和循环性能测试结果表明，该电容器的峰值比功率为7.23kW/kg，比能量为4.22Wh/kg，直流内阻仅为016mΩ，低温-40e时的内阻为1.2mΩ，在-40~70e的电容变化率小于24%，具有良好的高低温工作特性。高温加速寿命1008h测试后，电容衰减10%，内阻升高60%；以25A的电流在2.70~1.35V循环50000次，电容衰减10%，内阻增加30%。

研制性能优良的活性炭电极材料是提高超级电容器性能的关键因素。活性炭纤维(ACF)为柔性的材料，制作的超级电容器极板工艺可操作性强，ACF特殊的纳米孔径微观结构，可保证超级电容器具有更好的性能。

活性炭纤维布是一种传统的环保吸附性材料，但目前市场上成熟技术的ACF材料的比表面积一般在1300m2/g左右，C元素含量一般低于90%，P、O元素含量高，导电性差，从而影响超级电容器的性能指标与寿命，不适合作为商用超级电容器的电极材料。本文作者拟对粘胶纤维布进行优化的碳化、活化与喷涂铝工艺处理，以求制备C元素含量高，P、O元素含量低的高性能ACF电极，并试图通过喷涂铝的工艺来降低超级电容器的内阻。

1实验

1.1ACF材料的制备

用EJK409-30纤维纺纱机(上海产)将粘胶纤维(丹东产，99%)纺成直径为300Lm线，再在GA747剑杆织布机(广东产)上织成幅宽2m、面密度490g/m2的粘胶纤维布。

将粘胶纤维布在5%磷酸氢铵(北京产，CP)中浸泡24h，再用HZH2200蒸汽烘干炉(江苏产)烘干。烘干后的原料用SPS-L低温预氧化炉(北京产)在300e时进行预氧化处理，速度为4m/min。预氧化后的原料在SPS-H高温碳化、活化炉(北京产)上进行碳化、活化处理，速度为2m/min，入口、出口温度分别为500e、900e，温度呈阶梯状提高。在碳化、活化过程中，采用水蒸气保护，防止材料氧化。活化后的ACF材料，面密度约为140g/m2。用ZPG-400B电弧喷涂机(上海产)在电弧作用下将纯铝丝融化，利用高速压缩空气将熔化的铝均匀喷涂约0.3mm厚在ACF的表面。

1.2电容器的组装

将喷涂铝的ACF裁切为229cm×14cm的电极。将20Lm厚的铝箔(河北产，93%)裁切为229cm×14cm作为集流体，并在其上点焊10对0.1mm厚、10mm宽的铝箔引流条。在30Lm厚的纤维素纸隔膜(TF-4030，日本产)两侧放置ACF，附着的铝层朝外，在ACF两端最外侧放置铝箔集流体并反复折叠，形成尺寸为53mm×57mm×145mm的内芯。将内芯整形后装入铝制外壳(浙江产，牌号为1050)中，正、负引流条焊接到铝制引出端子上，在端子上套上弹性橡胶密封圈(河北产)，并紧固到铝制上盖的上面，最后用氩弧焊将上盖和外壳密封焊接，形成未注液的电容器。未注液的电容器在120e下真空(真空度为100Pa，下同)干燥6d，再在手套箱中真空注入240ml电解液1mol/LTEA-BF4/AN(苏州产，99.9%)，最后在注液孔处拧紧注液密封螺丝。

实验用电容器的基本设计参数为：额定电压217V，额定电容2400F，直流内阻小于1m8，质量600g，尺寸56mm×60mm×160mm。

1.3性能测试

用Sorptmatic-Ⅱ比表面积测试仪(意大利产)对ACF材料进行分析；用JSM-6390扫描电镜(日本产)分析ACF的元素含量和形貌。

用BT2000/164787-T恒流电化学充放电测试仪(美国产)对电容器进行直流充放电实验(电流I为100A，电压为0~217V)，测量电容器的电容C和直流内阻R，并计算比能量、比功率。相关公式见式(1)-(4)。

用JD(J)S-100高低温环境实验箱(北京产)和充放电测试仪对电容器进行高低温性能测试。从-40e开始，每提高10e为1个温度点，测量电容器的电容和直流内阻，一直测试到70e。测试电流为100A，电压为0~2170V。

在DYG-100鼓风干燥箱(湖南产)中进行高温加速寿命测试。电容器在不同温度下的循环寿命差别很大，一般温度越低，寿命越长。在高温70e时的寿命衰减是最大值，为此，可在70e下进行加载额定电压的加速寿命实验，时间为1008h：电容器在额定电压下保持浮充状态，升温到70e，每168h测量电容器的电容和直流内阻，最后分析变化情况。

可用松下公司经验公式式(5)计算电容器在某一温度下的使用寿命，在温度H时，经过时间tH，电容器电容和直流内阻的变化值等同于高温70e、1008h时的变化值。

2结果与讨论

2.1电极材料的分析

经测试，制备的ACF的BET比表面积达1690m2/g，平均孔径为1.35nm，总孔容积为0.8346cm3/g，微孔容积为0.6589cm3/g。

制备的ACF中，C、P及O元素的含量分别为95.49%、3.86%和0.65%。C的含量大于95%，P和O的含量很少，说明电极的纯度高。

制备的ACF以及喷涂铝后的SEM图如图1所示。

从图1a可看出，多根粘胶纤维经纺线和织布工序，再经过碳化、活化后的形貌，每根线由多根纤维拧接缠绕组成，多根线编制成布；从图1b可清晰地看到单根ACF丝。

从图1c可看出，熔融的铝均匀覆盖ACF的一侧，虽然会堵住部分ACF上的孔洞，但铝的存在极大地增强了电极的导电性，降低了电容器的直流内阻。

2.2电容器的恒流充放电特性

制备的电容器的首次充放电曲线见图2。

从图2可知，电容器的充放电曲线近似于对称三角形分布；充放电曲线均近似于直线，表明电极反应的可逆性很好。

在充放电流为100A时，电容器的实测电容为2500F，直流内阻仅为016mΩ，比能量为4.22Wh/kg，峰值比功率为7.23kW/kg。