扣式碳基电容器的组装及电容测试实验报告资料

扣式碳基电容器的组装及电容测试

申卓凡吉林大学化学学院14级9班

【实验目的】

1．掌握双电层的理论、基本模型及双电层电容器的工作原理。

2．了解扣式电容器的构造，组成材料，掌握电容器的组装工艺。

3．了解电容性能测试仪使用及数据分析方法，探索影响电容性能的因素。

【实验原理】

一、什么是超级电容器

超级电容器(Super Capacitor)，也叫电化学电容器(Electro Chemical Capacitor)，是性能介于传统电容器和电池之间的一种新型储能装置，兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的特点。其比容量是传统电容器的20～200倍，比功率一般大于1000 W/kg，远远大于二次电池，循环寿命也优于电池。此外，超级电容器还具有能瞬间大电流充放电、工作温度范围宽、安全、无污染等优点，因而在许多场合有着独特的应用优势和广阔的应用前景。

二、超级电容器的特点

超级电容器作为一种新型的储能元件，具有如下优点：

①较高的容量。超级电容器的容量范围为0.1～6000 F，比同体积的电解电容器容量大

2000～6000倍。

②超高功率密度。超级电容器能提供瞬时的大电流，在短时间内电流可以达到几百到几千

A，其功率密度是电池的10～100倍，可达到10×103 W/kg左右。

③高充放电效率，超长寿命。超级电容器的充放电过程通常不会对电极材料的结构产生影

响，材料的使用寿命不受循环次数的影响，充放电循环次数在105以上。

④放置时间长。长时间放置超级电容器的电压会下降，再次充电可以充到原来的电位，对

超级电容器的容量性能无影响。

⑤工作温度区间宽。超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大，可在-40～70℃的

温度范围内工作。

⑥免维护，环境友好。超级电容器用的材料是安全、无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池

用的材料具有毒性。

超级电容器的不足之处表现为能量密度偏低，漏电流较大，单体工作电压低。水系电解液超级电容器单体的工作电压只有1 V左右，要通过多个电容器单体的串联才能得到较高的工作电压。而多单体电容器串联对电容器单体的一致性要求很高。非水系电解液超级电容器单体的工作电压高一点，可以达到3.5 V。但非水系电解液要求有高纯度、无水等很苛刻的条件。

三、超级电容器的工作原理

超级电容器按储能机理不同可以分为双电层电容器和氧化还原准电容器两种类型。

1. 双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor, EDLC）

①双电层的结构

双电层的结构可以在物理化学课程中电动势产生的原理部分以及胶体与界面可以学习

到。当固体与液体接触时，可以是固体从液体中选择性吸附某种离子，也可以是由于固体本身的电离作用使离子进入溶液中，使固体与液体带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层结构。

经过长期深入研究，目前其主要模型有：

a)平板双电层模型：亥姆霍兹于1879年提出。将固体表面上的过量电荷与溶液中的反号电荷的分布状态视为平板电容器，该模型简单。

b)扩散双电层模型：古埃和查普曼在20世纪初修正了平板双电层模型，提出了扩散双电层模型，认为溶液中的反号电荷在静电作用、溶液中分子、离子的热运动和扩散作用的共同影响下，自固体表面上的过量电荷向溶液内部随距离增加而递减。此模型应用很普遍，可以解释很多界面方面的电性质，但是对于固体表面电荷的性质受环境电解质溶液的影响，不能合理解释溶液性质的改变可以影响表面电荷的数量甚至是电荷性质的转变。

c)斯特恩模型：该模型经进一步修正，较为实际地反映了双电层的真实结构，已经在浮选理论上得到了广泛的应用。双电层由内层和外层组成。固体表面的荷电层为双电层的内层，内层中决定固体表面电荷或电位的离子称为定位离子。溶液中被固体表面吸附的，起电平衡作用的反号离子称为配衡离子。配衡离子存在的液层称为配衡离子层，即双电层的外层。双电层的外层又分两层，即固体表面较近的紧密层和离矿物表面稍远的扩散层。三种模型参见下图：

②双电层电容器的原理

由于插入电解质溶液中的固体表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器。但是，由于电极材料的表面积大，紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器使用绝缘体隔开。这个绝缘层可以让电解液中的正负离子通过。该电解液本身不能传导电子。所以当充电结束后，电容器内部不会发生漏电（电子不会从一极流向另外一极）。当放电的时候，电极上电子通过外部电路从一极流向另外一极。结果是电极与电解液中的离子吸附显著降低。从而使电解液中的正负离子重新均匀分布开来。

双电层电容器是基于碳电极和电解液界面之间形成的界面双电层电容来存储能量，其电极通常采用高比表面积的炭材料。充电时，电子通过外电源从正极传到负极，由于静电作用电解液中的正负离子分别向负、正电极迁移并在其上定向排列形成双电层，在电极和电解液界面存储电荷；放电时电子通过负载从负极移至正极，正负离子则从电极表面释放并返回电解液本体，恢复到原来的无序状态。可见，双电层电容器的充放电过程是一个单纯的静电过

程，没有电化学反应发生，因而可以瞬间大电流快速充放电，其循环充放电次数也没有理论上的限制。

2. 氧化还原准电容器（Pseudo Capacitor）

氧化还原准电容器也叫法拉第准电容器，是基于电极表面快速、高度可逆的化学吸附/脱附和法拉第氧化/还原反应产生的准电容来储存能量，其电极材料主要是金属氧化物和导电聚合物。在相同的电极面积情况下，准电容是双电层电容的10倍～100倍，但其瞬间大电流充放电的功率特性不及双电层电容器。并且由于材料的导电性能较差，材料发生氧化还原反应时结构容易被破坏，因此能量密度和循环性能相对较差。

四、超级电容器的电极材料

目前应用于电化学电容器的电极材料有炭材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料。一般认为炭材料则主要是双电层电容，再加上一些吸附假电容；而金属氧化物和导电聚合物主要是由于氧化还原反应而引起假电容。

1. 碳材料电极

碳材料作为已经商业化的超级电容器电极材料，研究已经非常深入，其包括活性炭（activated carbon，AC）、活性炭纤维（activated carbon fiber，ACF）、炭气凝胶（carbon aerogels，CAGs）、碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）、石墨等，在这些电极材料表面主要发生的是离子的吸附/脱吸附（adsorption/desorption，a/d）。

①活性炭（AC）

通过不同工艺炭化、活化制备的AC 有很高的比表面积（1000～3000 m2/g），高的孔隙率，生产工艺简单且价格低廉，一直受到人们的青睐，是目前已经商品化的电极材料之一。对于活性炭，双电层的容量主要取决于电极中炭材料的比表面积和电导率。

a. 活性炭的比表面积与活化

理论上说, 活性炭材料的比表面积越高，比容量应该越大，但实际的情况却很复杂，通常测量得到的容量和表面积之间并不成线性关系。实际上，有些表面积较小的炭材料的电容却比表面积较大炭材料的电容大。人们可以获得高的比表面积，但由此而计算的理论值与实际值相差较大。这种理论与实际的差别主要原因在于：由于电极微结构限制了电解液对电极内表面的润湿，使得炭电极的高表面积并没有被完全利用到。活性炭有很大一部分微孔（< 2 nm）。一般认为在水溶液中，炭材料中孔径> 2 nm的中孔对于形成双电层电容比较有利，而孔径< 2 nm的微孔则几乎没有双电层形成。对于非水电解液则该孔径值为5 nm。孔径太小，溶液不容易进入浸润这些微孔，而且在孔径尺寸与双电层大小相近的区域也不易形成双电层，因而那些有较大部分微孔的电极将会有很低的利用率。

未经活化处理的AC 微孔过多，不利于电解液的浸润，不利于双电层的形成，因此，开发高中孔率的AC是目前的研究重点。活化的方法有物理活化和化学活化两种。物理活化主要是在水蒸气、CO2和空气的存在下，于700～1000℃进行热处理。这些氧化性气氛的存在，能极大地增加材料的比表面积和多孔性，从而增大材料的比电容。化学活化是利用某些酸（如HNO3）或碱（如KOH）进行化学腐蚀，以增加材料的比表面积和表面官能团，或用表面活性剂（如油酸钠）对材料进行化学改性，以提高电解液在材料中的浸润性，从而提高比电容。

b. 活性炭的电导率

由于活性炭或活性炭纤维的导电性不好, 通常需添加石墨、炭纤维等增大炭电极导电能力的材料, 并且作极化电极时要将它们装入金属壳内加压以便增加粉末间或纤维间的导电性。为增加炭电极的导电性，有几种方法：一是烧结金属纤维的高导电基体和活性炭纤维紧密结合的电极技术, 用活性炭和镍纤维复合物作为电极, 这样电流可通过高导电性的金属