石墨烯超级电容器储能研究制备试验台

超级电容器具有高功率密度、长循环寿命、使用安全性高等优点，作为储能设备具有很大的发展潜力。石墨烯是一种独特的二维结构碳材料，具有许多非凡的物理和化学性质：高载体流动性，高光学透射率，高杨氏模量，良好的柔韧性，极高的比表面积等，与超级电容器对电极材料的要求十分符合。

本试验平台以先进储能技术的研发及应用为主体，展现超级电容器制备过程。在现有研究基础上，搭建PECVD（等离子体增强化学的气相沉积法）系统，实现垂直取向石墨烯滚动式连续生产，针对垂直取向石墨烯高度、宽度、密度、片层数、纯度等在储能应用中的材料关键形貌结构，对连续制备过程进行参数调控及系统稳定性优化。将石墨烯超级电容器与储能应用相结合，搭建超级电容器极片制备、超级电容器组装和测试系统，实现石墨烯超级电容器不同容量单体的制备和检测。

针对不同储能体系的应用需求，将单体超级电容器进行模组组建，并通过对储能体系应用过程的实时监测，对超级电容器制备工艺和模组建设系统进行优化，最终形成一个完整的石墨烯超级电容器装配、组建和应用体系。

试验台总体设计理念如下图所示。

图 1 试验台设计概念图

1. 试验台组成

该试验平台以圆柱型电容器制备为主，此种电容器主要由电极（正极和负极）、隔膜、电解液三部分组成，如下图 55所示。每一部分的制备工艺甚至环境因素都会对单体电容器的性能造成影响，为了满足电容器在不同场合的应用，需要对电容器的结构和组装工艺进行严格控制。

图 2 超级电容器结构示意图

圆柱型电容器的工艺制备流程如图 56所示。其中电极的制备过程包括搅拌、涂布、辊压和分切工艺，即将电极材料附着于金属集流体上，干燥，并将其进行碾压，以得到一定密度的电极，然后分切成一定宽度的电极。此种电容器为双电层电容器因此正负极材料相同。然后将一定宽度的正极、负极、隔膜放置在卷绕机上卷绕成电芯，进行干燥处理。干燥后的电芯需要在水分含量控制严格的环境下进行组装和电解液注入。电容器单体注液、封装完成后，为了防止单体在实际使用中前期单体性能急剧下降，常常采用老化工艺来加快单体内部准电容器部分的衰减。最后对制备的超级电容器进行电化学性能测试。

图 3 超级电容器工艺制备流程图

2. 智能刷箔卷套一体机

（一）设备功能

智能刷箔卷绕一体机用于图 56中红色框出的卷绕工艺。对于圆柱形超级电容器，电极工序后的卷绕是制备单体的核心。整个电容器组装过程中对卷芯制备精度要求非常高，其中卷芯中的极片对齐度和卷绕张力的精度控制会影响电容器的电化学性能。智能刷箔卷绕一体机主要用于电容器卷芯的卷绕、刷箔、焊接以及贴胶带，能够较好的控制卷绕精度，提高电容器性能的一致性。此设备采用先进的双半针对抽拔针方式，可提高卷绕速度。纠偏系统采用领先的轴套放料式纠偏，材料两边同时感应的控制方法，设计更加合理，纠偏速度快，智能化操作界面，操作简单，整体元件均采用国内外顶级品牌，确保设备的可靠性。

（二）设备参数

1）卷绕对齐度参数指标：

①隔膜对齐误差±0.5 mm；

②极片对齐误差±0.5mm；

③电芯高度误差≤0.5 mm；

2）卷绕卷芯的尺寸范围参数：

在实验过程中需要制备不同类型的超级电容器用于测试和应用，因此需要保证卷芯的直径范围可以在Φ25~Φ40mm之间，卷芯高度范围在25~60mm，孔径为Φ5mm，通过以上条件，可以满足不同容量电容器卷芯的制备要求。

3）极片焊接工艺参数：

极耳采用通焊工艺，单片极片的极耳数小于等于3个，每个卷芯的每对引出极耳必须保证重叠，允许公差范围±1 mm，极耳的外露长度小于35mm，大于15mm，刷箔宽度和极耳宽度范围为5~12mm。

4）张力控制参数：

①隔膜张力范围：0.05MPa~0.2MPa；

②电极极片张力范围：＞0.2MPa；

5）其他

①电容器卷芯的正负极进入的先后顺序可以调整；

②最后卷芯的贴胶带工艺中需要贴两道胶带；

 图 4 智能刷箔卷绕一体机

3. 全自动分切机

（一）设备功能

全自动分切机用于图 56中红色框出的分切工艺，主要用于电容器极片分切工艺。由于电容器制备过程中对极片有较高的精度要求，分切的极片能否达到精度要求对后续电容器的电化学性能有很大的影响。此全自动分切机配件均采用了一系列国际一线品牌的高性能产品，操作界面采用触摸屏操作界面，配高精度圆盘刀片，可极大的提高电容器极片的分切精度。

（二）设备参数

1）分切宽度控制精度：±0.05mm；

2）产品合格率：≥99%；

3）设备稼动率：≥95%（稼动按照班次10小时来核算）；

4）分切毛刺标：：纵向毛刺≤8μm（极片竖直放置：超出极片表面）横向毛刺≤10μm（极片水平放置：超出极片表面）；

5）设备的制造和装配精度：刀模组件装配后的跳动≤10μm；

6）导辊制造和装配精度要求：导辊表面粗糙度Ra：0.4；导辊圆柱度≦0.03mm，导辊安装后全跳动≦0.05mm；

7）导辊平行度：使用专用测量工具测量，偏差≦0.05mm；

8）导辊中心线偏移量：使用软尺测量偏差≦1.0mm；

9）设备基准及导辊安装后水平度：≦0.05mm/1.0m；

10）收卷张力max.100N，数字量化调节，调节精度：2N，张力设定值和实际值偏差≤5%；

图 5 全自动分切机