01缩减讲稿 超级电容器电极的制备及性能测试

1、PAGE PAGE 4Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.超级电容器电极的制备及性能测试超级电容器的主要技术指标有比容量、充放电速率、循环寿命等。本实验采用EC500系列电化学工作站三电极法（包括循环伏安法、交流阻抗等），考察不同活化方法处理后电极的电化学性能。循环伏安法法电化学体系系三电极极介绍电化学体系系借助于于电极实实现电能能的输入入或输出出，电极极是实施施电极反反应的场场所。一般电化学学体系分分为二电电极体系系和三电电极体系系，循环环伏安法法通常采采用三电电极系统统。相应应的三个个电极

2、为为工作电电极（研研究电极极W）、参参比电极极(R)和辅助助电极（对对电极CC）。三电极组成成两个回回路：研究电极和和参比电电极组成成的回路路构成一一个不通通或基本本少通电电的体系系，利用参参比电极极电位的的稳定性性来测量量工作电电极的电电极电位位。研究电极和和辅助电电极组成成另一个个回路构构成一个个通电的的体系，用用来测量量工作电电极通过过的电流流。这就就是所谓谓的“三电极极两回路路”，也就就是测试试中常用用的三电电极体系系。利用用三电极极体系，来来同时研研究工作作电极的的电位和电电流的关关系。图 SEQ 图 * AARABBIC 1 三电电极系统统原理图图对于三电极极测试系系统，之之所以要

3、要有一个个参比电电极，是是因为有有些时候候工作电电极和辅辅助电极极的电极极电位在在测试过过程中都都会发生生变化，为为了确切切的知道道其中某某一个电电极的电电位（通通常是工工作电极极的电极极电位），就就必须有有一个在在测试过过程中电电极电位位恒定且且已知的的电极作作为参比比来进行行测量，以以为研究究电极提提供一个个电位标标准。但是，仅仅仅使用三电极极体系还还不够，因为，随着电化学学反应的进进行，研研究电极极表面的的反应物物质的浓浓度不断断减少，电电极电位位也随之之发生或正正或负的的变化，也就是是说随着着电化学学反应的的进行，研研究电极极的电位位会发生生变化。为了使使电极电电位保持持稳定，即即将研

4、究究电极对对参比电电极的电电位保持持在设定定的电位位上，通通常使用用恒电位位电解装装置（恒恒电位仪仪），这样，便便用了恒恒电位仪仪的三电电极体系系，可以以为我们们提供用用以解释释电化学学反应的的电流电位曲曲线，这种测测定电流流电位曲曲线的方方法叫做做伏安法法。循环伏安法法由上所述，伏伏安分析析法是以以被分析析溶液中中电极的的电位-电流流行为为为基础的的一类电电化学分分析方法法。伏安分析法法中所加加电位称称为激励励信号，如如果电位位激励信信号为线线性电位位激励，所所获得的的电流响响应与电电位的关关系称为为线性伏伏安扫描描；如果果电位激激励信号号为三角波波激励信信号（如 REF _Ref27414

5、8716 h * MEERGEEFORRMATT 图 2所示），所获得得的电流流响应与与电位激激励信号号的关系系称为循循环伏安安扫描。循环伏安法法将三角波激激励信号号加在研研究电极极和辅助助电极上，从从起始电电位E11 沿某某一方向向扫描到到开关电电位E22 ，然然后再以以同样的的速度反反向扫描描至起始始电位EE1，同时时记录正正反向电电位扫描描的响应应电流的的一种测测试技术术。循环伏安曲曲线在一定扫描描速率下下，从起起始电位位E1正向扫扫描到转转折电位位E2期间，溶溶液中RRed被被氧化生生成Oxx，产产生氧化化电流；得到的的电流电位曲曲线叫阳阳极极化化曲线。当当负向扫扫描从转转折电位位变到

6、原原起始电电位期间间，在指指示电极极表面生生成的OOx 被被还原生生成Reed ，产生还原电流，得到的电流电位曲线，叫做阴极极化曲线。两根极化曲线，组成了循环伏安曲线。即由循环伏安法得到的响应电流随电极电势变化的曲线叫做循环伏安曲线，简称为 CV 曲线。它可以在E1 、E2 或E1和新设定值E3之间进行多次循环，也可以在任意时刻停止循环。扫描电位与与时间的的关系如如 REF _Ref274148716 h 图 4所示。设定氧化电流为负 设定氧化电流为负循环伏安法法的典型型激发信信号三角波电位位，转换换电位为为E1V和E2V图 SEQ 图 * ARABIC 2 扫扫描电位位与时间间的关系系图图

7、SEQ 图 * ARABIC 3 循循环伏安安曲线的的响应电电流与扫扫描电位位关系图图（iE曲曲线）PAGE PAGE 18循环伏安法法一般用用于研究究电极过过程，它它是一个个十分有有用的方方法。它它能迅速速提供电电活性物物质电极极反应的的可逆性性，化学学反应历历程，电电活性物物质的吸吸附以及及电极有有效表面面积的计计算等许许多信息息。循环伏安测测试超级级电容器器比容量量对于双电层层电容器器，我们们可以用用平板电电容器模模型进行行理想等等效处理理:其电容值为为： 式 SEQ 式 * ARABIC 1式中：C一电容，FF 一介电电常数 A一电极极板正对对面积，等等效双电电层有效效面积，mm2 d

8、一电电容器两两极板之之间距离离，等效效双电层层厚度，mm由 REF _Ref310783242 式 1可可知，超超级电容容器的容容量与双双电层的的有效面面积成正正比，和和双电层层厚度成成反比.对于炭电极极，双电电层有效效面积与与碳电极极的比表表面积及及电极上上载碳量量有关.双电层厚度度则是受受到溶液液中离子子的影响响。因此，电极极制备好好以后，电电解液确确定，容容量便基基本确定定了。由公式：、 dQ=idtt、可得： 式 SEQ 式 * ARABIC 2式中:i一电流，AAdQ一电量量的微分分，Cdt一时间间的微分分，Sd一电位的的微分，VV一扫速，单单位V/s由 REF _Ref310784

9、959 式 2可可知，在在扫描速速度一定定的情况况下，电电极上通通过的电电流(ii)是和和电极的的容量(C)成成正例关关系的，也也就是说说对于一一个给定定的电极极，通过过对这个个电极在在一定的的扫描速速度下进进行循环环伏安测测试，通通过曲线线纵坐标标上电流流的变化化，就可可以计算算出电极极电容容容量的情情况。然后按照电电极上活活性物质质的质量量就可以以求算出出这种电电极材料料的比容容量。 式 SEQ 式 * ARABIC 3式中:m一一电极上上活性材材料的质质量，gg从 REF _Ref310784959 式 2来来看，对对于一个个电容器器来说，可在一定的扫速下做CV测试。充电状态下，通过电容

10、器的电流i是一个恒定的正值，而放电状态下的电流则为一个恒定的负值。这样，在CV图上就表现为一个理想的矩形。基于CV曲线即可计算电容器的容量 图 SEQ 图 * ARABIC 4 循循环伏安安测试的的给定信信号图(a)与与响应信信号图(b)实际上，在在电容器器两端加加上线性性变化的的电压信信号时，电电路中电电流不会会像纯电电容那样样立刻变变化到恒恒定电流流i，而须须经过一一定时间间。所以以图中循循环伏安安曲线会会出现一一段有一一定弧度度的曲线线，电容容器的过过渡时间间RC较小小时,曲线在在外给信信号改变变后很快快就能达达到稳定定电流ii，如 REF _Ref310788283 图 2 (bb)所

11、示示;当RRC较大大时，曲曲线在外外给信号号改变后后需要一一定的时时间才能能达到稳稳定i，曲线线偏离矩矩形就较较大。图 SEQ 图 * ARABIC 2 (a)实实际循环环伏安曲曲线RCC较大(b)理理想循环环伏安曲曲线RCC较小考虑到过渡渡时间RRC的电电极材料料比容量量可用 式 SEQ 式 * ARABIC 4从 REF _Reef311078887999 式 4中可以看出，在在电容器器电容不不变的情情况下，电电流随着着扫描速速度增大大而成比比例增大大，过渡渡时间RRC却不不能随扫扫描速度度发生变变化，所所以当以以比容量量为纵坐坐标单位位时，扫扫描速度度越快曲曲线偏离离矩形就就越远。因此可

12、以在比较大的扫描速度下研究电极的电容性能。如果在较大的扫描速度下，曲线仍呈现较好的矩形，说明电极的过渡时间小，也就是说电极的内阻小，比较适合大电流工作，反之，电极不适合大电流工作，这种材料不能作为电化学电容器的活性材料。对双电层电电容器，CV曲线越接近矩形，说明电容性能越理想；图 SEQ 图 * ARABIC 6 活活性炭电电极不同同扫速下下的循环环伏安曲曲线由 REF _Ref310883884 h * MERRGEFFORMMAT 图 6可见，活活性炭电电极在00V1V 范围围内，CCV曲线线均呈现现出较理理想的电电容矩形形特征。曲线关于零零电流基基线基本本对称，说说明材料料在充放放电过程

13、程中所发发生的氧氧化还原原过程基基本可逆逆。当扫描速度度增加到到80mmV/ss的时候候，CVV曲线仍仍没有偏偏离矩形形；同时时，当扫扫描电位位方向改改变时，电电流表现现出了快快速响应应特征，说说明电极极在充放放电过程程中动力力学可逆逆性良好好。另外，由于于界面可可能会发发生氧化化还原反反应，实实际电容容器的CCV图总总是会略略微偏离离矩形。因因此，CCV曲线线的形状状可以反反映所制制备材料料的电容容性能。对于赝电容容型电容容器，从从循环伏伏安图中中所表现现出的氧氧化还原原峰的位位置，我我们可以以判断体体系中发发生了哪哪些氧化化还原反反应。图 SEQ 图 * ARABIC 7 NNi(OOH)

14、22电极的的循环伏伏安曲线线 REF _Ref310876103 h 图 7是NNi(OOH)22电极在不不同扫描描速度下下的伏安安特性曲曲线。从从伏安特特性曲线线可以明明显看出出，在电电极的工工作势窗窗内，随随着扫描描速度成成倍地增增加，同同一电压压下对应应的电流流也成倍倍增大，说说明电极极的容量量和扫描描速度无无关，这这从侧面面反映了了Ni(OH)2电极具有有良好的的可逆性性。从 REF _Ref310876103 h 图 4还还可以看看出，在在扫描电电势范围围内，出出现法拉拉第氧化化一还原原峰，说说明在扫扫描电势势范围内内，极化化电极发发生了法法拉第氧氧化一还还原反应应，氢氧氧化镍的的电

15、化学学反应如如式(44.1)所示。EC5000电化学学工作站站介绍 仪器与设备备EC5000电化学学工作站站，三电极极系统。图 SEQ 图 * ARABIC 7 循环伏伏安装置置图认识仪器电极插头 测量量电极线线的端口口，电极极线一端端为7 孔插头头，另一一端为44 个电电极夹。Scan 扫描指指示灯：工作状状态处于于扫描时时，指示示灯亮。Sampllingg 采样指指示灯：工作状状态处于于采样时时，指示示灯亮。Comm 通讯指指示灯：仪器进进行通讯讯时，指指示灯亮亮。Powerr 电源指示示灯：仪仪器电源源接通时时，指示示灯亮。电极安装在电极固定定夹三个个孔上分分别固定定工作电电极、反反电极

16、和和参比电电极。图 SEQ 图 * ARABIC 15 三电极极图三电极接法法如下：工作电极线线WE：连接研研究电极极。（绿绿色插头头电极夹夹）参比电极线线RE：连接参参比电极极（甘汞汞电极）。（黄色插头电极夹）辅助电极线线CE：连接对对电极（铂铂电极）。 （红色插头电极夹）开机并打开开电化学学分析系系统EC5000 电化化学工作作站采用用的是视视窗操作作，所有有的命令令都是通通过视窗窗中的菜菜单完成成的，更更容易上上手。设置菜单操操作方法选择：点击“设置”菜单下下的“方法选选择”按钮，打打开方法法选择界界面。EC5000 电化化学工作作站“方法选选择界面面”中共有有八大类类，四十十一种方方法

17、。选选择循环环伏安法法。参数设置：点击“参数设设置”按钮打打开参数数设置界界面。设置实验参参数：初始电电位，终终止电位位，采样样间隔，扫描速度，静止时间，电流极性，循环次数等；系统设置：点击“系统设设置”按钮可可以打开开系统设设置界面面。通讯测试：点击“通讯测测试”按钮可可以弹出出通讯测测试界面面。控制菜单点击“开始始、停止止”按钮，可可以运行行试验、停停止实验验。点击击“暂停”按钮，实实验会暂暂停，当当再次点点击“暂停”按钮时时实验会会继续进进行。开始测试后后扫描电电位和响响应电流流随时间间的变化化被实时时记录在在电化学学工作站站中，同同时循环环伏安曲曲线被显显示在电电脑显示示器上。然后根据

18、测测试结果果可以对对实验参参数进行行及时地地调整。文件菜单保存文件 点击“保存文文件”，可以以保持全全部的实实验数据据及图形形至目的的路径。读取文件 点击“读取文文件”，可以以在存储储路径内内读取全全部的实实验数据据及图。导出为TXXT 点击“导出为为TXTT”，可将将实验数数据导出出，形成成“txtt”格式的的纯文本本文件。打印图形 点击“打印图图形”，可将将实验图图形由打打印机打打印输出出。实验内容电解液的配配制7mol/L（w/ww 300%）KOHH 溶液液作电解解质，用用10mml小烧烧杯做电电解池。电解液不循循环使用用，注意意回收。电极的预处处理：铂电极用AAl2O3粉末（粒粒径0

19、.05 m）将将电极表表面抛光光。用重铬酸混混合液、热热硝酸、王王水等洗洗净，然然后用蒸蒸馏水清清洗。在与测定用用的电解解液相同同组成的的溶液中中做几遍遍电位扫扫描。循环伏安法法测定电电极性能能作图法处理理将文本文档档数据用用exssel软软件打开开选择第n条条曲线数数据复制制粘贴到到Oriiginn软件中中，在软软件表格格中左上上角空白白格中有有黑箭头头指向所所有数据据，即选选中所有有数据，点点左下面面绘图的的图标，第第一个斜斜线，即即可绘图图。注意事项使用电化学学工作站站应注意意工作电电极夹与与其余两两个（辅辅助电极极夹，参参比电极极夹）不不能短接接。平时时仪器不不用时， 可以用用模拟电电解池来来连接，或或者关掉掉电源。对于电化学学试验，国国际上规规定，当当电流为为负值时时，表示示是阴极极电流，电电流为正正值时是是阳极电电流。而而有时用