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一种超级电容器水系电­解液

马千里 130011) (一汽解放汽车有限公司,长春

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LIMN2O4/ , ,摘要:对 活性炭体系混合电容器­进行研究 以活性炭为负极材料 尖晶石结构的LIMN­2O4 ,LI2SO4 ,为正极材料 为电解液。改变乙醇的含量 根据其电化学性能确定­了该体系最佳的乙醇含­量。关键词:锰酸锂 活性炭 混合超级电容器 乙醇TH145 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180128中图­分类号: 文献标识码:

1 前言

超级电容器也称电化学­电容器,是一种新型的储能元件,兼有常规电容器的功率­密度大和化学电源能量­密度高的优点,可快速充放电,使用寿命长,既可以单独使用作为主­要的储能器件,也可以与充电电池组成­复合电源系统,在新能源发电、电动汽车、信息技术、航空航天和国防等领域­都有广阔的应用前景。

电解液是超级电容器的­关键材料,其性能对超级电容的内­阻、寿命、倍率性能等具有重要的­影响。超级电容的电解液分为­酸性电解液、碱性电解液和中性电解­液,酸性电解液对电极和集­流体的腐蚀较大,碱性电解液又存在爬碱­现象,使得密封成为难题,同时,由于酸性和碱性超级电­容的离子活性较高,在充放电时电解液容易­被分解,产生气体,导致电容器内部压力增­大,从而造成安全隐患。

中性无机电解质盐和乙­醇的混合溶液作为电 解液既没有污染,又能有低温性能,因此可以作为超级电容­器水系电解液。

超级电容器水系电解液­中低温添加剂采用乙醇,乙醇不仅能与水形成了­良好的共溶体,而且乙醇的低冰点特性­会使得整个电解液体系­的冰点明显降低,进而提高超级电容器的­低温性能。

改变电解液中的乙醇含­量,根据其电化学性能确定­了该体系最佳的乙醇含­量。对不同乙醇含量的电解­液的超级电容器进行测­试,挑选出最佳比例。

2 实验部分

VGCF): PTFE)=按活性物质:导电剂( 粘结剂( 80:15:5(LIMN2O4 85:10:5正极,新乡格瑞恩公司)和(活性炭负极,日本可乐丽公司),称取相应量物质混合均­匀并辊压成膜,干燥后将电极膜压在金­属SEM网上,制得极片,进行 表征。LIMN2O4按照 正极、隔膜、活性炭负极的顺序CR­2032放入 扣式电容器壳中,注入水系电解液, LIMN2O4/封装制成扣式超级电容­器( 活性炭)。超级电容器的水系电解­液中乙醇含量分别为

1986作者简介:马千里( 年—),男,工程师,大学本科,研究方向新能源。

6%,21%,31%,41%,46%。1 mol/l硫酸钠溶液的浓度分­别为 。Arbin采用 超级电容器测试仪对超­级电容器进0.1,0.15,行恒流充放电测试,充放电电流分别为0.25,0.5 1.0 A,和 计算超级电容器比容量。采用电CHI760D,化学工作站( 上海辰华公司)对超级电容器进行循环­伏安和交流阻抗测试,循环伏安测试的2 mv/s,5 mv/s,10 mv/s,20 mv/s,扫描速度为分别为 100 khz- 10 MHZ,交流阻抗频率范围为 振幅为5 mv。循环伏安和恒流充放电­测试时,混合超级电0- 1.6 V容器的电压范围为 。超级电容器的比电容C E P 1) 2) 3)、比能量 以及比功率 按照公式( 、( 和( 计算得到:

其中I为充放电电流; t为充放电时间; ΔV为t时间内的放电­电压; m为正负极活性物质质­量。TD-516采用发动机冷却­液冰点测定仪( 型,沈阳唐德实验室仪器有­限公司)对超级电容器水系低温­电解液进行冰点测试。

3 试验分析 3.1 扫描电子显微镜图

1 LIMN2O4,图 中大块状的是 杆状纤维的是导VGC­F, PTFE电剂 丝状纤维的是粘结剂 。颗粒越大,离子传输的路径越长,所组成的超级电容器功 率特性越差。颗粒越小,离子传输的路径越短,所组成的超级电容器功­率特性越好。

2图 中大块状的是活性炭,杆状纤维的是导电VG­CF, PTFE剂 丝状纤维的是粘结剂 。颗粒越大,离子传输的路径越长,所组成的超级电容器功­率特性越差。颗粒越小,离子传输的路径越短,所组成的超级电容器功­率特性越好。

3.2 冰点-比容量曲线

3如图 所示,随着乙醇含量的增加,超级电容41%器的冰点逐渐降低。比容量在乙醇含量是 是6% 21%最高。乙醇含量从 到 的这段区间,比容量21% 41% 41%略有降低。从 到 比容量逐渐增大,从46%到 比容量又降低。

3.3 冰点-能量密度曲线

4如图 所示,随着乙醇含量的增加,超级电容41%器的冰点逐渐降低。能量密度在乙醇含量是­6% 21%,是最高。乙醇含量从 到 能量密度略有降21% 41% 41%低。从 到 能量密度逐渐增大,从 到46%能量密度又降低。

3.4 恒流充放电曲线

5从图 中可以看出,曲线表现出三角形对称­特征。混合超级电容器在低压­时,电压几乎直线增

加,而在高压时,电压随时间线性变化,这说明混合超级电容器­主要在高压部分存储电­能。乙醇含

41%量是 的电容器曲线对称性最­好,因此电化学性能最好。

3.5 交流阻抗曲线

6如图 所示,高频区半圆的直径对应­着电极电解液界面的电­荷传递电阻,而低频区直线部分对应­着电解液在电极内部的­扩散阻抗。说明两者具有很好的电­容特性低频区直线部分­对应着电解液在电极内­部的扩散阻抗,其直线部分均接近于9­0°, 41%乙醇含量是 比例的电容器直线部分­最接90°,近于 因此电容特性最好。

3.6 循环伏安对比

7图 为混合超级电容器在不­同乙醇含量下的2 mv/s, 1循环伏安曲线,扫描速度为 电压范围1.6V CV的 曲线表现出近矩形特征,表现出电容特5 2 mv/s性。将 种比例的混合超级电容­器的 的循5环伏安曲线分别­对比,从图 中可以看到乙醇含量4­1%是 比例的电容器在所有乙­醇比例中最接近矩形曲­线,即在电压扫描的换向瞬­间,响应电流也同时变化方­向,说明具有超好的电容性­能,因此乙醇41%最佳含量是 。

4 结论

5 41%个比例的超级电容器,乙醇比例是 的电容器始终具有最高­的能量密度。恒流充放电曲线41%表现出三角形对称特征,乙醇比例是 的电容器曲线对称性最­好。循环伏安曲线表现出近­矩形特41%征,乙醇比例是 的电容器在所有比例中­最接近41%矩形曲线。交流阻抗曲线中乙醇比­例是 的电90° 41%容器直线部分最接近于 。因此,乙醇比例41%接近最佳比例。乙醇比例是 的超级电容器始

终具有最高的比容量和­能量密度,而且具有较低41%的冰点。因此,乙醇含量在 左右超级电容器的3 4比容量和能量密度最­佳。从图 和图 可以看出,乙醇比例的上升对冰点­影响显著,但是对于比容量和能量­密度的影响不是很明显,因此,乙醇比例

20% 41%从 上升到 时,冰点下降明显,同时比容量和能量密度­增加,但是影响有限。因此可以得出如下结论,随着乙醇含量的增加,冰点显著下降。比容量和能量密度的变­化并不明显。乙醇比例对于电化学性­能的影响不如对冰点的­影响明显。

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