超级电容器.doc

实验名称活性炭材料电化学电容特性测试

1.【实验目的】
了解超级电容器的原理；
了解超级电容器的比电容的测试原理及方法；
了解超级电容器双电层储能机理的特点；
掌握超级电容器电极材料的制备方法；
掌握利用循环伏安法及恒流充放电的测定材料比电容的测试方法。

2.【实验原理】
2.1超级电容器的原理
超级电容器是由两个电极插入电解质中构成。超级电容与电解电容相比,具有非常高的功率密度和实质的能量密度。尽管超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,但是超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似。

图1超级电容器的结构图
从图中可看出,超级电容器与电解电容或者电池的结构非常相似,主要差别是用到的电极材料不一样。在超级电容器里,电极基于碳材料技术,可提供非常大的表面面积。表面面积大且电荷间隔很小,使超级电容器具有很高的能量密度。大多数超级电容器的容量用法拉(F)标定,通常在1F到5,000F之间。
(1)双电层超级电容器的工作原理
双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。对一个电极/溶液体系,会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后,溶液中的阴、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,电极上的正负电荷与溶液中的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的电位差。这时对某一电极而言,会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷,使其保持电中性;当将两极与外电路连通时,电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流,溶液中的离子迁移到溶液中成电中性,这便是双电层电容的充放电原理。根据双电层理论,双电层的微分电容约为20µF/cm2,采用具有很大比表面积的碳材料可获得较大的容量。双电层电容具有响应速度快，放电倍率高的特点，但储能比电容较小。
(2)法拉第准电容的工作原理
法拉第准电容器是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电极活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容,其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。对于其双电层中的电荷存储与上述类似,对于化学吸脱附机理来说,一般过程为电解液中的离子一般为或在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极溶液界面,而后通过界面的电化学反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中若电极材料具有较大比表面积的氧化物,就会有相当多的这样的电化学反应发生,大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中,同时所存储的电荷通过外电路而释放出来,这就是法拉第准电容的充放电机理。法拉第准电容可以产生高的比电容，但因为法拉第反应的限制，倍率性能比双电层电容小。
目前使用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料，其中碳材料以双电层机理储能，而后两种材料以法拉第准电容机理储能。
2.2循环伏安法（CV）测定材料的比电容
循环伏安法是电化学测量中经常使用的一种重要方法，它一方面能较快的观测到较宽电位范围内发生的电极过程，为电极过程研究提供丰富的信息；另一方面又能通过扫描曲线形状的分析、估算电极反应参数，由此来判断不同因素对电极反应的影响。
控制研究电极的电势以速率ν从起始电位Ei开始向电势负方向扫描，到电势为Em时（时间为λ），电势改变扫描方向，以相同的速率回扫至起始电势，然后再次换向，反复扫描，即采用的电势控制信号为连续三角波信号，如图2-1所示。记录i-E曲线，称为循环伏安曲线（cyclicvoltammogram），如图2-2所示。这一测量方法称为循环伏安法（cyclicvoltammetry）。

图2-1三角波扫描图2-2循环伏安曲线
Fig.2-1TriangularwavescanningFig.2-2Cyclicvoltammetrycurve

对于一个电化学反应O+ne-===R，正向扫描（即电势负方向扫描）时发生阴极反应O+ne-→R；反向扫描时，则发生正向扫描过程中生成的反应产物R的重新氧化的反应R→O+ne-，这样反向扫描时也会得到峰状的i-E曲线。一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，其电流-电压曲线称为循环伏安图。如果电活性物质可逆性差，则氧化波与还原波的高度就不同，对称性也较差。循环伏安法中电压扫描速度可从每秒种数毫伏到1伏。
循环伏安法测定电极比电容计算公式如下：
SC(CV)=Q/mΔV
式中，SC是超级电容器的比电容，单位为F/g；Q为放电电量，单位为A，可以通过电流时间曲线积分获得；△V扫描区间电压差，单位为V，m为电极质量，单位g。
2.1.2恒