超级电容器的组装及性能测试试验参考指导书

超级电容器组装及性能测试指导书试验名称：超级电容器组装及性能测试课程名称：电化学原理和方法一、试验目标1．掌握超级电容器基础原理及特点；2．掌握电极片制备及电容器组装；3．掌握电容器测试方法及充放电过程特点。二、试验原理电容器分类电容器是一个电荷存放器件，按其储存电荷原理可分为三种：传统静电电容器，双电层电容器和法拉第准电容器。传统静电电容器关键是经过电介质极化来储存电荷，它载流子为电子。双电层电容器和法拉第准电容储存电荷关键是经过电解质离子在电极/溶液界面聚集或发生氧化还原反应，它们含有比传统静电电容器大得多比电容量，载流子为电子和离子，所以它们二者全部被称为超级电容器，也称为电化学电容器。2．双电层电容器双电层理论由19世纪末Helmhotz等提出。Helmhotz模型认为金属表面上净电荷将从溶液中吸收部分不规则分配离子，使它们在电极/溶液界面溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量和电极表面剩下电荷数量相等而符号相反界面层。于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，即双电层。双电层电容器基础组成图1，它是由一对可极化电极和电解液组成。双电层由一对理想极化电极组成，即在所施加电位范围内并不产生法拉第反应，全部聚集电荷均用来在电极溶液界面建立双电层。这里极化过程包含两种:（1）电荷传输极化（2）欧姆电阻极化。当在两个电极上施加电场后，溶液中阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上正负电荷和溶液中相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定电位差。当将两极和外电路连通时，电极上电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中离子迁移到溶液中成电中性，这便是双电层电容充放电原理。（a）非充电状态下电位（b）充电状态下电位（c）超级电容器内部结构图1双电层电容器工作原理及结构示意图3．法拉第准电容器对于法拉第准电容器而言，其储存电荷过程不仅包含双电层上存放，还包含电解液中离子在电极活性物质中因为氧化还原反应而将电荷储存于电极中。对于其双电层电容器中电荷存放和上述类似，对于化学吸脱附机理来说，通常过程为：电解液中离子(通常为H+或OH-)在外加电场作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面，以后经过界面电化学反应：MOx+H+(OH-)+(-)e-→MO(OH)(1)进入到电极表面活性氧化物体相中，因为电极材料采取是含有较大比表面积氧化物，这么就会有相当多这么电化学反应发生，大量电荷就被存放在电极中。依据(1)式，放电时这些进入氧化物中离子又会重新返回到电解液中，同时所存放电荷经过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容器充放电机理。在电活性物质中，伴随存在法拉第电荷传输化学改变电化学过程进行，极化电极上发生欠电位沉积或发生氧化还原反应，充放电行为类似于电容器，而不一样于二次电池，不一样之处为：（1）极化电极上电压和电量几乎呈线性关系；（2）当电压和时间呈线性关系时，电容器充放电电流为恒定值。(2)4．循环伏安法循环伏安法(CyclicVoltammetry)是一个常见电化学研究方法。该法控制电极电势以不一样速率，随时间以三角波形一次或数次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不一样还原和氧化反应，并统计电流-电势曲线。在研究电化学反应特征时,能够依据循环伏安图谱中峰出现位置和个数粗略判定电极表面所发生反应情况，峰电位正负和峰电流大小可反应电极表面上进行反应难易快慢，为电极过程研究提供丰富信息；氧化、还原峰面积改变，宏观上表现为氧化、还原电量改变，可用来判定不一样原因对电极反应影响。图4-1所表示是对所研究电极相对于参比电极施加三角波电位波形，图4-2统计体系电流随电位改变曲线。图2循环伏安法中电位-时间曲线图3单次循环取得循环伏安曲线5．恒电流充放电比容量及容量保持率对于超级电容器双电层电容能够用平板电容器模型进行理想等效处理。依据平板电容模型，电容量计算公式为：(3)其中C为电容（F）；为介电常数；S为电极板正对面积，等效双电层有效面积（m2）；d为电容器两极板之间距离，等效双电层厚度（m）。利用公式和得(4)式中，为电流（A）；是电量微分（C）；是时间微分（s）；为电位微分（V）。采取恒流充放电测试方法时，对于超级电容，依据公式(4)可知，假如电容量C为恒定值，那么将会是一个常数，即电位随时间是线性改变关系。也就是说，理想电容器恒流充放电曲线是一个直线，图2-1所表示。我们能够利用恒流充放电曲线来计算电极活性物质比容量：(5)其中为充/放电时间(s)；为充/放电电压升高/降低平均值，能够利用充放电曲线进行积分计算而得到：(6)在实际求比电容量时，为了方便计算，常采取和时电压差值，即：(7)对于单电极比容量，式(5)中m为单电极上活性物质质量。若计算是电容器比容量，m则为两个电极上活性物质质量总和。在实际情况中，因为电容器存在一定内阻，充放电转换瞬间会有一个电位突变，图2-2所表示。利用这一突变可计算电极或电容器等效串联电阻：(8)其中R为等效串联电阻（）,为充放电电流（A），为电位突变值（V）。等效串联电阻是影响电容器功率特征最直接原因之一，也是评价电容器大电流充放电性能一个直接指标。理想充放电曲线实际充放电曲线图4恒流充放电曲线5交流阻抗法交流阻抗法是一个以小振幅正弦波电位（或电流）为扰动信号，益加在外加直流电压上，并作用于电解池，经过测试系统在较宽频率范围阻抗谱，取得研究体系相关动力学信息及电极界面结构信息电化学测量方法。复数阻抗测量是以复数形式给出电极在一系列频率下阻抗，不仅能给出阻抗绝对值，还可给出相位角，可为研究电极提供较丰富信息。对于一个纯粹电化学控制电极体系，可等效成图2一1所表示电路。图5测试电池等效电路 图3一1中，Re为溶液电阻，CP为电极/溶液双电层电容,RP为电极电阻。此等效电路总阻抗为:其中，实部是虚部是对于每一个w值，全部有对应Z’和Z’’，在复数阻抗平面内表示为一个点连接各w阻抗点，得到一条曲线，成为复数阻抗曲线，图3一2所表示。当w→∞时，半圆和Z’轴交点即为电解质溶液电阻Re；当W→0时，半圆和Z，轴交点即为Re十Rp。通常情况下，电解质溶液电阻Re，可忽略，所以，依据半圆和Z’轴交点即可求得电极体系电阻Rp；当w=wxax为半圆最高点角频率)时，据公式q可求得电极/溶液双电层电容Cp。 四、试验（设计）仪器设备和药品清单仪器设备：电子天平、真空干燥箱、Land电池测试系统、压片机、扣式电池封装机、扣式电池钢壳等药品：酚醛树脂、KOH、泡沫镍、乙炔黑、聚四氟乙烯、隔膜、去离子水等。五、试验内容和试验步骤电极材料制备洗涤镍丝和镍片，用0.5mol/LH2SO4超声洗涤30min，丙酮超声洗涤10min，双蒸水超声洗涤3min（两遍）。80℃真空干燥1h工作电极材料合成碳粉/乙炔黑/聚四氟乙烯18:1:1(质量比），丙三醇1滴或0.5滴。研末混匀5min（碳粉乙炔黑丙三醇）。将聚四氟乙烯加入上述混合物中研磨30min。得到终样，80℃干燥12h。压片称取10mg活性物质（碳粉质量）干燥（真空80℃12h），按18:1:1（wt%）称取活性物质炭化酚醛泡沫、导电剂乙炔黑和粘结剂聚四氟乙烯，加入适量去离子水，调成浆状。将浆料均匀涂敷于Φ=10mm泡沫镍上（已称重）。真空120°C干燥1h、压片、称重，备用。炭化酚醛泡沫炭化酚醛泡沫泡沫镍剪片电容器极片乙炔黑涂片真空烘干干压片聚四氟乙烯调配充足混合均匀称量图3电化学电容器极片制备步骤

循环伏安测试1．电势窗口探测为了找到最优电势窗口分别对-1.2-0.4、-1.2-0.3、-1-0.1做了电势窗口探测。经过数次测量和对比，当电势窗口为-1.0-0.3V时，可使测量结果达成最优。2.比电容测定确定最好电势窗口后，分别以0.005、0.001、0.02、0.05和0.1mv/s扫速进行扫描，以下图。

利用origin算出这个闭合曲线面积，依据公式C=S/2mvΔU即算出该电容器比电容C。0.005、0.001、0.02、0.05和0.1mv/s扫速对应比电容分别为80.16F/g、73.57F/g、65.56F/g、58.16F/g、47.23F/g。

从图中我们能够看出CV曲线表现为一个近似矩形无氧化还原峰电流响应。高扫速下比在低扫速含有更低比电容。这是因为：高扫速伴随高速率充放电过程，这将阻止离子在电极上靠近和转移，造成电极上活性物质降低。同时，伴随扫速增加，离子和电极间有效接触将减小。扫速越小，两平台之间差就越小，极化就越小，且曲线图越靠近矩形。

恒电流充放电测试对电极材料分别以不一样电流密度下充放电循环性能做出对比，用以深入评价电极材料电化学性能。此次测试采取电流密度分别为0.1、0.2、0.5、1、5A/g，以下图。这些经典三角形充放电曲线表明在不一样电流密度所展现出良好对称性和线性，深入证实该电极材料含有理想电容性能。起始电压即使在高电流密度下也很小，表明了超级电容器快速I-V响应和低内电阻。1.比电容测定依据origin软件，算出各电流密度图中斜率(Slope)，再依据公式：比电容=电流密度/斜率，即可算出它比电容。电流密度为0.1、0.2、0.5、1、5A/g所对应比电容分别为113.17F/g、105.26F/g、94.34F/g、94.34F/g、72.10F/g。交流阻抗测试经过EIS图能够看出在高频区出现半圆括弧标志着电极上