试析活性炭堆积密度对双电层超级电容器性能的影响

高玉双，郭鹏飞，张静

摘要：双电层超级电容器是一种具有较好应用价值的储能器件，活性炭作为双电层超级电容器的电极材料，对保证双电层超级电容器的合理运用，具有较好的应用价值，因此为了明确活性炭的合理应用，需要对活性炭堆积密度与双电层超级电容器性能的影响进行研究，从而确保双电层超级电容器的稳定运用。本文结合活性炭的基本情况，研究活性炭堆积密度对双电层超级电容器性能的影响，确保在实际应用中双电层超级电容器的性能能够得到保证，从而保证储能设备的服务能力，使之可以更好地为储能行业的健康发展奠定基础。

关键词：活性炭；堆积密度；双电层；超级电容器；性能；影响

双电层超级电容器是一种具有较好应用价值的储能器件，在实际工作中，它的能量密度和功率密度要远远高于传统电容器，不仅功能作用、稳定性都相对较好，且具有较好的应用价值。但是，实际应用时，需要结合实际情况，做好活性炭的合理控制，确保活性炭得到合理地运用，进而提高双电层超级电容器的应用价值。基于此，本文对活性炭堆积密度对双电层超级电容器性能的影响进行研究，为了明确活性炭堆积密度对双电层超级电容器的影响，需要采取试验的方式，确保经过合理的试验分析后，选择合理的活性炭堆积密度保证双电层超级电容的应用效果。

1. 试验材料及试验方法

结合实际情况，对活性炭堆积密度进行研究，试验中，所使用的试验材料包括超级电容专用乙腈基电解液，粘结剂包括羟甲基纤维素钠、丁苯橡胶，同时，这些材料，需要为电容级的材料。另外，活性炭选择双电容层电容专用的活性炭、隔膜，导电剂选导电炭黑。

准备适量的上述试验材料，且在试验之前，应用相应检测方法对试验材料的关键性能进行检验分析，确保试验材料满足试验进行的相应需求，进而保证试验质量。所以，在试验材料的准备中，需要做好堆积密度和编号的合理控制，详细情况，就可以参考下表1所示的相应内容。

表1：实验所用极片堆积密度和编号

编号	A	B	C	D	E
厚度（μm）	120	110	100	90	80
密度（10-3g/cm³）	429	474	529	600	629

基本的试验材料准备完毕后，还要对电极进行制备，按照活性炭：羟甲基纤维素钠：丁苯橡胶：导电剂炭黑，以90:2.5:2.5:5的方式进行配置，加入适量的溶剂去离子水，进行充分搅拌，并持续搅拌4h，使之成为混合均匀的浆料。之后，再选择涂膜器以250μm的厚度将其均匀涂抹到厚度为20μm，20cm×20cm的蚀刻铝箔上，之后，将其置入到100℃的烘箱内进行烘干，使之成为初始极片，之后，对初始极片进行加工，使之成为6个直径10mm的薄片，进行不同压力的辊压。最后，将不同堆积密度的极片组装成简单的扣式双电层超级电容器，用于测试其电化学性能。待测试扣式双电层超级电容器组装在水、氧含量符合要求的手套箱中完成。以相同堆积密度的极片作为正负极，电解液为超级电容专用乙腈基电解液，隔膜为商业化的纤维素隔膜，组装成扣式双电层超级电容器，并将其静置一段时间（一般为12 h），使电解液能充分地浸润极片与隔膜，然后进行电化学性能测试。

按照公式，计算其活性物质的面密度，详细的公式，可以参考公式（1），如下所示：

w1=（m1-m0）/（S×90%）      （1）

上述公式（1）当中，m1、m0、S分别裁好的圆片质量、空白铝箔圆片质量、圆片的面积等内容。经过这一部分公式（1）分析，可以获得精确的活性物质面密度。

为进一步进行分析，需要对堆积密度进行计算，具体堆积密度，需要在活性物质面密度的基础上进行计算，从而得到公式（2）的基本情况，如下所示：

W2=w1/（d-20）    （2）

按照上述公式，通过所裁取的圆片情况，能够进一步对圆片的堆积密度进行分析计算。并按照所制定的情况，对不同堆积密度的圆片进行分析，确保实现活性炭堆积密度对双电层超级电容器性能的影响研究。

2. 测试方法及分析

为进一步分析，需要采用不同的测试方法对双电层电容器性能进行研究分析。本实验主要测试方法包括恒流充放电测试、扫描电镜形貌分析、电化学阻抗测试。

1）电化学阻抗测试。

交流阻抗测试采用电化学工作站进行。在一定的扰动电压和测试的频率下测试扣式电容器的电化学交流阻抗谱。通过相应阻抗谱图的分析后，可以发现，较大力度辊压之后，活性炭堆积大孔会被压缩，这样也就使得扩散阻力增加。高频阻抗可以等效为溶液电阻，从阻抗图谱可以看出，极片的堆积密度并不会给电解液的性能带来影响。如下图1所示，为电化学阻抗测试结果中的lZl-Bode图。

图1：电化学阻抗阻抗谱图中的lZl-Bode图

2）恒流充放电测试。

对双电层超级电容器进行的充放电性能测试，是电极材料电化学性能研究的重要测试手段，可以检测电极材料的充放电比容量等特性。

本实验中，主要对堆积密度进行研究，并对不同堆积密度的极片组装成双电层超级电容器进行分析，确认较优的极片状态。从恒流充电测试结果中可以看出，堆积密度的增加到600×10

-3g/cm³以上时，比电容会出现下降的情况。升高到600×10-3g/cm³活性炭层就会变得极其致密，这样，离子扩散的阻力也就明显增加，会导致内阻升高，进而会使得的电压随着堆积密度的升高而增加，放电时间的内电压将会增大，放电电压窗口会相对较短，同时，充放电的时间也会明显缩短。如下图2所示，为恒流放电测试结果中的放电终压-循环次数曲线情况。

图2：恒流放电测试结果中的放电终压-循环次数曲线情况。

3）扫描电镜形貌分析。

这种分析方式，主要是通过获取不同堆积密度极片的微观形貌。通过对比微观形貌，发现堆积密度上升到529×10-3g/cm³时，活性炭会变得相对致密，这时，双电层超级电容就会受到影响，其相应性能也会发生变化。就会给双电层超级电容带来干扰。

3. 结束语

本文结合实际情况，对活性炭堆积密度对双电层超级电容的性能的影响进行研究，确保活性炭堆积密度可以得到合理控制，从而使得堆积密度合理，进而满足双电层超级电容的运行需求，本文结合实际情况，对活性炭堆积密度对双电层超级电容的影响进行研究，通过试验的方式实现分析，进而得到，实际工作中，应做好活性炭堆积密度的合理控制，从而满足双电层超级电容的运行需求。

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