軟式乾電極技術應用在超級電容器之性能研究

軟式乾電極技術應用在超級電容器之性能研究

¹財團法人工業技術研究院 綠能與環境研究所
²佑順發機械股份有限公司

摘要

本計畫欲透過物理性混摻、機械壓延及裁切修邊流程等開發具高活物承載率、撓曲、厚度可調等特性之可撓式儲能電極，並搭配國內廠商所開發設計可應用於儲能電池所需的軟式乾電極成型機。本研究成功自製高活物承載率(31.81 mg/cm2)、可撓曲、厚度可調等特性之軟式電極片製作。經軟式電極所組成之對稱式超級電容具備優異循環穩定(平均容量保持率：75 %@ 5 mA @)15,000圈)與高可逆性(庫倫效率：>99 %)。
關鍵字：軟式乾電極、超級電容器、高活物塗佈量

前言

具高功率特性之超級電容因其工作原理為電荷於活性物質表層之物理式吸/脫附行為，為了滿足此需求，選用具高比表面積之活性碳作為超級電容之電極材料已是主要趨勢。然而高比表面積粉材於混漿時需耗用大量溶劑且不易塗布具高活物承載率之極片，使得超級電容儲電量受限。本計畫開發乾法軟式電極作為取代傳統濕式塗佈；並利用乾電極技術無須大量有機溶劑來分散漿料與具低耗能量生產以提供綠色環保的儲電元件所需電極製程為此計畫之主要目的。

結果與討論

本研究以電池組CR2032的零件，以高比表面積活性碳材作為雙極活物片。組裝步驟:先將工作電極放置於下蓋中心，放上商用三層式隔離膜、乾淨裁好的負極片、彈簧片及上蓋。最後，用封裝機壓合數次以確保密閉性，即可完成鈕扣型半電池。如圖1所示。

圖1.具軟式乾電極鈕扣電池的組裝示意圖與實品圖

圖2.軟式活性碳乾電極實體圖(尺寸: 9 cm * 9 cm * 325μm)

進一步針對軟式儲能乾電極密著性，由圓桿撓曲量測方式進行驗證，將製作完成的活物極片裁成條狀，以活物塗佈層朝上的方式分別貼合於直徑5 mm、直徑7 mm與直徑10 mm等不同測試規格圓桿，實測結果無破損、龜裂、剝離等現象。(見圖4)

圖4、圓桿撓曲測試示意圖

圖5.對稱式超級電容在定電流 5mA 下進行 1.5萬次循環的穩定性

結論

本研究成功地結合物理混摻、機械壓延、乾燥流程與搭配佑順 發機械公司的乾式電極成型機所試製生產的電極片，即完成具高活物擔載率(31.81 mg/cm2)。該軟式電極所組成之對稱式鈕扣型超級電容展現優異循環穩定(平均容量保持率：75 %@ 5 mA @)15,000圈)及可逆性(庫倫效率：>99%)。進一步協助國內電池設備業者開發綠色環保且低溶劑、低耗能的乾法電極成型機。