Selluloosapohjaisten superkondensaattorien valmistaminen hiilinanoputkista

Tämän työn tarkoitus on seuloa oleelliset prosessiparametrit superkondensaattoreiden elektrodikomposiittien valmistuksessa, jotka vaikuttavat kondensaattorin laatuun. Tarkoitus on tutkia parametreja, joiden avulla prosessia on mahdollista optimoida. Työn tarkoituksena on tutkia myös itse komponenttimateriaalien valmistusvaiheen sekoitusprosessia mitatulla ja laskennallisella seokseen siirtyvällä tehonkulutuksella. Työn kirjallisuusosassa esitetään superkondensaattoreiden rakennetta, toimintamekanismia ja ominaisuuksia sähköenergian varastoijana. Lisäksi tarkastellaan tavallisimpia kondensaattoreihin sisältyviä materiaaleja, erityisesti hiilinanoputkia ja selluloosakuituja. Sekoitusprosesseista tarkastellaan kokeellisessa osassa käytettävien sekoituslaitteita ja niiden toimintamekanismeja komponenttien sekoitusprosesseissa. Kokeellisessa osassa tutkimuskysymyksiksi asetettiin eri sekoitusparametrien (materiaalin määrä ja laatu sekä sekoitusajat) vaikutus superkondensaattorien elektrodiarkkien ominaiskapasitansseihin. Testit suoritettiin LUT Prosessien laboratoriossa, ja testeissä massojen sekoitukseen käytettiin roottoristaattoria ja ultraäänisekoitinta. Lisäksi tutkittiin prosessin skaalausta varten skaalatulla laitteistolla sekoitettuja massanäytteitä. Sekoitusprosessin riittävyyttä varten tutkittiin kokeellisesti käytettyjen sekoituslaitteiden tehonkulutusta. Lisäksi roottoristaattorille tehtiin laskentaohjelmalla virtaussimulaatio paikallisen tehonkulutuksen selvittämiseksi Testeissä todettiin tutkittujen parametrien vaikutus, mutta tulosten perusteella varsinaista optimointia ei kyetty tekemään. Tulokset kuitenkin antavat suunnan, johon prosessia voi optimointia varten kehittää. Myös sekoitukseen todettiin siirtyvän suuri määrä tehoa tutkituilla laitteilla, mitä voidaan pitää mahdollisesti riittävänä käytettyjen komponenttien sekoitukseen.

The purpose of this work is to investigate the effect of process parameters to the qual-ity of product in manufacturing of supercapacitors for optimization. The purpose is also to investigate the adequacy of mixing in manufacturing of the components by determination of measured and calculated energy dissipations that transfer into the mixture. In the literature part, structure, operation mechanisms and properties of supercapacitors as electricity storage devices are studied. Additionally the materials of supercapasitors are reviewed, especially carbon nanotubes and cellulose fibers. A short review is made about mixing devices and their principal mechanisms that are used in experimental part. In the experimental part the research questions were restricted for process parameters (quality and amount of the materials and mixing times) that affect to specific capacitances of superpacitor sheets. The experiments were performed in the laboratory of LUT Processes and for mixing of suspensions were made with rotorstator mixer and ultrasonic mixer devices. Additionally masses made by a scaled mixing device were investigated. The adequacy of mixing was investigated by determination of energy dissipations of mixing devices. Additionally a CFD-model for rotorstator mixer was made to study local energy dissipations in mixing process. The influence of investigated parameters was found, but optimization could be not made from the data. However, the data may give the direction where the manufacturing process can be developed for optimization. The energy dissipations were noted to be very high, which may be enough for mixing the studies components.