超级电容器材料电化学电容特性测试电子教案
电化学工作站测试超级电容器
电化学工作站测试超级电容器郑州世瑞思仪器科技有限公司RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法，如：“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法“交流阻抗谱”等，可对超级电容器进行深入的研究。
以前，人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。
随着超级电容器应用领域的不断扩展，特别是对快速充放电要求的提高，使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。
对超级电容器实施快速循环充放电，需要设立一个限压换流模块，属于反馈控制。
就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后，立即通知驱动单元改变电流方向。
限压换流的过程必须快速，否则就控制不住了。
在 RST5200E 电化学工作站中，限压换流功能由硬件实现，从而确保该反馈控制过程小于1mS。
下表列出了一些电化学测试仪器的指标：下面对RST5200E 电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。
1. 超级电容器的连接工作电极引线夹（绿蓝）接超级电容器正极。
参比电极引线夹（白黄）接超级电容器负极；辅助电极引线夹（红）接超级电容器负极。
运行中，请勿断开超级电容器。
2 .软件功能2.1 界面布局左上部为文本框，用于显示运行参数和测量数据。
左下部为操作面板，用于接受操作者的选择。
右边为图形框，用于显示被选中的循环，这些循环属于该曲线的一部分。
2.2 定位显示本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。
通过操作面板，可调整显示参数：起始循环、循环数量。
2.3 数据计算软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算，其结果显示于文本框中，有：充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。
2.4 删除多余的循环在菜单<数据处理>中，设有三个子菜单。
2.4.1 <删除最初一个循环>：通常，由于电容器测试前的初始储能状态不确定，使得第一个循环的充放电不完整，通过该菜单可以删除这个循环。
超级电容器的电化学性能分析
超级电容器的电化学性能分析超级电容器是一种高性能的电化学储能装置，其在电子、能源、交通等领域具有着重要的应用前景。
超级电容器的储能机制是通过静电场来储存电荷，相对于电池而言，其能够实现快速的充放电过程，并且可循环使用。
本文将从超级电容器的电化学性能方面进行分析，重点介绍超级电容器的电容量、电压稳定性、内阻、循环寿命等性能指标。
一、电容量电容量是超级电容器的重要性能指标之一，通常用单位面积（F/cm²）来表示。
电容量与电极材料的比表面积直接相关，比表面积越大，电容量越高。
在实际应用中，通常采用纳米级碳材料作为电极材料，其比表面积可以达到几千平方米/克以上，这使得超级电容器具有了很高的电容量。
二、电压稳定性电压稳定性是超级电容器的另一个重要性能指标，它反映了超级电容器在充放电过程中的电压变化情况。
一般来说，超级电容器的电压稳定性越好，其应用范围就越广。
在实际应用中，超级电容器的电压稳定性受到多种因素的影响，如电极材料、电解液、电极结构等，需要通过优化设计和材料选择来提高电压稳定性。
三、内阻内阻是超级电容器的另一个重要性能指标，它反映了超级电容器在充放电过程中的能量损耗情况。
内阻越小，超级电容器的能量损耗就越小，从而可以提高其充放电效率。
在实际应用中，内阻受到多种因素的影响，如电极材料、电解液、电极结构等，需要通过优化设计和材料选择来降低内阻。
四、循环寿命循环寿命是超级电容器的另一个重要性能指标，它反映了超级电容器在经历多次充放电过程后能够保持良好的性能。
循环寿命越高，超级电容器的使用寿命就越长，从而可以降低成本。
在实际应用中，循环寿命受到多种因素的影响，如电极材料的稳定性、电解液的稳定性、充放电过程中的温度等，需要通过优化设计和材料选择来提高循环寿命。
总之，超级电容器是一种具有重要意义的电化学储能装置，其电容量、电压稳定性、内阻、循环寿命等性能指标对于其应用范围和实际效果具有重要影响。
因此，在超级电容器的研究与应用中，需要对其性能指标进行深入分析和研究，以便更好地了解其应用前景和发展方向。
超级电容器的制备与电化学性能的研究
实验报告超级电容器的制备与性能研究一、实验目的1、了解超级电容器的原理及应用2、掌握超级电容器的制备方法3、学习应用各种电化学方法研究超级电容器的电化学行为。
二、实验原理1、循环伏安测试对于双电层电容器，可以用平板电容器模型进行理想等效处理，根据平板电容容量计算公式：c=εS4πd（1）由上式可知，超级电容器的电容量与双电层的有效面积（S/m2）成正比，与双电层的厚度（d/m）成反比，对于活性炭电极，双电层有效面积与碳电极的比表面积及电极上的载碳量有关，双电层的厚度是受溶液中的离子的影响，因此，电极制备好以后，电解液确定，容量便基本确定了。
利用公式dQ=i d t和C=Q∕φ可得到：i=dQd t =C dφd t（2）因而，如果在电极上加上一个线性变化的电位信号时，得到的电流响应信号将会是一个不变的量，如果给定的电信号是一个三角波信号，电流信号将会是一个正电流信号或者一个负电流信号。
响应信号如图1（b）所示，响应信号在i-φ图中呈一个矩形。
由（2）式可知。
在扫描速度一定的情况下。
电极上通过的电流（i）是和电极容量（C）成正比关系的，也就是说对于一个给定的电极，通过对这个电极在一定扫描速率下进行循环伏安测试，研究电流变化就可以计算出电极的电容，继而进一步求出比电容：Cm=Cm =im dφd t=im V（3）2、恒电流充放电测试对于超级电容器，根据式（2）可知，采用恒电流进行充放电时，如果电容量C为恒电位，那么dφd t将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系，也就是说理想电容器的恒流充放电曲线是一条直线。
可以利用恒流冲放电曲线来计算电极活性物质的比容量：Cm=i tdmΔV（4）式中，t d是放电时间，ΔV是放电电压降的平均值。
式中的ΔV是可以利用放电曲线进行积分计算而得出：ΔV=1(t1−t2)V d t21(5)实际在计算比容量时，常采用t1和t2时电压的差值作为平均电压降，对于单电极比容量，式（4）中的m为单电极活性物质的质量，若计算的是双电极比容量，m则为两个电极上活性物质的质量总和。
超级电容器电化学测试方法课件
(a)实际循环伏安曲线RC较大(b)理想循环伏安曲线RC较小
考虑到过渡时间RC的电极材料比容量可用
Cm
m
i 1
1
e RC
＊在电容器电容不变的情况下，电流随着扫描 速度增大而成比例增大，过渡时间RC却不随 扫描速度发生变化，所以当以比容量为纵坐标 单位时，扫描速度越快曲线偏离矩形就越远。
对双电层电容器，CV曲线越接近矩形，说明电容性能越理想
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。
实验采用CHI760电化学工作站（包括循环伏 安法、恒电流电位法等），考察不同方法处理 后电极的电化学性能。
1.电化学体系三电极介绍
电化学体系借助于电极实现电能的输入或输出，电极是实施电 极反应的场所。
二电极体系
电化学体系
三电极体系： 三电极两回路
曲线关于零电流基线基本对称，说明材料在充放电过程中所发 生的氧化还原过程基本可逆。
当扫描电位方向改变时，电流表现出了快速响应特征，说明 电极在充放电过程中动力学可逆性良好。
由于界面可能会发生氧化还原反应，实际电容器的CV图总是会 略微偏离矩形。对于赝电容型电容器，从循环伏安图中所表现出的 氧化还原峰的位置，我们可以判断体系中发生了哪些氧化还原反应。
0.80 Oxidation
E2
0.40
Reduction
F
2.00E-5 1.00E-5 0.00E+0
potential vs. Ag/AgCl Current(A)
正向扫描
0.00
负向扫描
E1 A
循环1
K;A
-0.40 0.00
40.00
80.00 time(s)
120.00
电化学工作站测试超级电容器实验10.0汇总
漏电时间常数很大（十几天以上），-3dB特征频率小于1μHz。
因此，漏电阻更多表现出其直流特性，需用直流方法测量。
16
10F超级电容器 溶液电阻 高频电容 高频电阻
17
10F超级电容器 溶液电阻 高频电容 高频电阻
溶液电阻+极板电阻 Rs = 0.04331 Ω
高频电容 Q1 = 0.008586 n1 = 0.8288
4
测试超级电容器参数
❖ 材料特性 ❖ 电容量频率 ❖ 电容量及等效串联电阻 ❖ 漏电流与自放电 ❖ 溶液电阻、高频电容、高频电阻
5
1F超级电容器材料特性
电化学方法：循环伏安法
定性分析： 材料纯度 法拉第反应 充放电速度 电容量压变特性
6
10F超级电容器材料特性
电化学方法：循环伏安法
13F
8F
10F
当减小到该电容标 称值的20%时，认 为寿命终结。
13
8F超级电容器漏电流特性
电化学方法：恒电位电解I-t曲线 单电位阶跃计时电流法
从曲线数据中 直接读取漏电流IL
10小时 60μA 24小时 21μA
漏电阻
RL = U / IL = 2.5 / 21E-6 = 119kΩ
漏电时间常数
τL = RL * C
高频电阻 R1 = 0.5565Ω
等效串阻 ≈ Rs + R1 = 0.59981Ω
Q = 4.575 n = 0.8408 R = 2.847E15Ω
18
四线制测量架构确保精确测量
超级电容器的充放电电流达到安培量级。 电流线上的电压降会达到几百mV或更大， 采用四线制测量架构后，该电压降被去除。
19
有效的保护体系
用电化学工作站测试超级电容器
用电化学工作站测试超级电容器郑州世瑞思仪器科技有限公司RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法，如：“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法“交流阻抗谱”等，可对超级电容器进行深入的研究。
以前，人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。
随着超级电容器应用领域的不断扩展，特别是对快速充放电要求的提高，使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。
对超级电容器实施快速循环充放电，需要设立一个限压换流模块，属于反馈控制。
就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后，立即通知驱动单元改变电流方向。
限压换流的过程必须快速，否则就控制不住了。
在 RST5200E 电化学工作站中，限压换流功能由硬件实现，从而确保该反馈控制过程小于1mS。
下表列出了一些电化学测试仪器的指标：下面对RST5200E 电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。
1. 超级电容器的连接工作电极引线夹（绿蓝）接超级电容器正极。
参比电极引线夹（白黄）接超级电容器负极；辅助电极引线夹（红）接超级电容器负极。
运行中，请勿断开超级电容器。
2 .软件功能2.1 界面布局左上部为文本框，用于显示运行参数和测量数据。
左下部为操作面板，用于接受操作者的选择。
右边为图形框，用于显示被选中的循环，这些循环属于该曲线的一部分。
2.2 定位显示本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。
通过操作面板，可调整显示参数：起始循环、循环数量。
2.3 数据计算软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算，其结果显示于文本框中，有：充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。
2.4 删除多余的循环在菜单<数据处理>中，设有三个子菜单。
2.4.1 <删除最初一个循环>：通常，由于电容器测试前的初始储能状态不确定，使得第一个循环的充放电不完整，通过该菜单可以删除这个循环。
电容器实验教案研究电容和电容器的特性与应用
电容器实验教案研究电容和电容器的特性与应用【电容器实验教案：研究电容和电容器的特性与应用】引言：电容器是电路中常用的元件之一，具有储存电荷和释放电荷的特性，广泛应用于各种电子设备中。
为了深入了解电容和电容器的特性以及其应用，我们设计了一套实验教案，旨在帮助学生掌握电容器的使用原理及相关实验操作方法。
一、实验目的：通过本实验，学生将能够：1. 了解电容器的基本定义、性质和分类；2. 掌握不同类型电容器的结构、原理及特点；3. 实验验证电容器的电容量和介质材料、极板面积及距离之间的关系；4. 理解电容和电容器在电路中的应用。
二、实验器材：1. 电容器（包括电解电容器、金属箔电容器等）；2. 直流电源、万用表、电阻；3. 连线、开关等。
三、实验步骤及内容：1. 实验前准备：a. 详细了解电容器的结构和特点；b. 查阅相关资料，了解电容的定义和计算公式。
2. 实验一：电容器的电容量测量。
a. 将电容器依次连接到直流电源和电阻上，组成RC电路；b. 记录电容器充电过程中的电压变化，绘制电压随时间变化的曲线，并计算电容器的电容量。
3. 实验二：电容器的介质材料、极板面积和距离对电容量的影响。
a. 更换不同材料的电容器进行实验，记录电容量的变化；b. 改变极板面积和距离，观察电容量的变化曲线。
4. 实验三：电容器在电路中的应用。
a. 将电容器连接到直流电路中的不同位置，观察电路中电流和电压的变化；b. 分析电容器在电路中的作用，并探索电容器在各种电子设备中的应用。
四、实验数据记录与分析：1. 实验一：记录电容器充电过程中的电压变化数据并绘制曲线。
a. 电容器电压随时间变化的曲线图。
2. 实验二：记录不同材料、极板面积和距离下的电容器电容量数据。
a. 不同材料电容器的电容量比较图；b. 极板面积和距离对电容量的影响曲线图。
3. 实验三：观察电流和电压的变化情况，并分析电容器在电路中的作用。
五、实验总结与思考：1. 总结实验过程中的关键步骤和实验结果；2. 思考电容器的特性与应用，对实验中观察到的现象进行解释；3. 探讨电容器在电子设备中的具体应用场景和优势。
超级电容器材料的电化学性能研究
超级电容器材料的电化学性能研究超级电容器是一种高性能储能设备，具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点，因此被广泛应用于电子、能源领域。
而超级电容器的性能取决于其材料的电化学性能。
一、电化学性能是超级电容器性能的关键指标之一。
电化学性能包括电容量、电压稳定性、容量稳定性和能量密度等方面。
电容量指的是超级电容器存储电荷的能力，通常用电容量密度来描述，单位为F/cm²。
电压稳定性则体现了超级电容器在外加电压下的稳定性能，即在不同电压下电荷的保持能力。
容量稳定性表示超级电容器在循环充放电过程中，电容量变化的程度。
能量密度是指单位体积或质量的超级电容器的能量储存量。
二、超级电容器材料的电化学性能研究是为了寻找或设计合适的材料以提高超级电容器的性能。
目前，研究人员主要关注以下几个方面。
1. 电极材料的选择：电极材料是超级电容器储能的关键组成部分，直接影响到超级电容器的性能。
目前常用的电极材料有活性碳、金属氧化物和导电高分子等。
活性碳具有高比表面积和良好的电化学性能，可以提高电容量密度和电压稳定性。
而金属氧化物和导电高分子具有更高的电容量和更长的循环寿命。
2. 电解质的选择：电解质是经常被忽视的关键组分，它可以影响超级电容器的充放电性能和循环寿命。
目前常用的电解质有有机电解质和固态电解质两种。
有机电解质具有良好的溶解性和高离子迁移率，但存在蒸发、燃烧和腐蚀等问题。
固态电解质具有较好的热稳定性和化学稳定性，但离子迁移率较低，导致电容量和功率密度有所降低。
因此，研究人员正在努力寻找新型的电解质材料，以兼顾电容量和离子迁移率。
3. 界面特性的研究：电极与电解质之间的界面特性对超级电容器的性能影响巨大。
界面电化学现象如离子吸附、双电层形成和界面电荷转移等可以储存和释放能量。
因此，研究人员通过修饰电极材料和优化电解质来改变界面特性，以提高超级电容器的性能。
4. 循环寿命的研究：超级电容器的循环寿命直接影响其实际应用。
超级电容器需要做的电化学测试
1.循环伏安测试:系统默认是从高电位扫向低电位，例如在-0.4V~ 0.6V的电压范围内，正向扫描：高电位设为0.6V（相对参比电极），低电位设为-0.4V（相对参比电极），反向扫描，高电位设为-0.4V（相对参比电极），低电位设为0.6V（相对参比电极）。
扫描速率可以根据需要设置，注意扫描速率和采样频率的设置是对应的，若是扫描速率较高（100mV/s），则采样频率也应较高（100Hz），以保证较小的电位间隔（1mV）。
在电容性能测试中，在进行第一圈扫描时，可能电极表面没有达到平衡，因而CV曲线可能不能完全闭合，因此有必要多循环几次以便选取最佳的循环。
2.交流阻抗测试(测试循环前后比较，经过1000次循环后，PPy/TSA电极在低频区的直线比循环前的直线偏离纵轴更远，即循环后PPy/TSA电极的赝电容下降)：交流阻抗测试施加的交流幅值一般为5mV，测试频率范围为10-2~105，阻抗测量时“分析器设置”：欧姆补偿：信号去偏√，输出衰减：*0.01。
交流阻抗的结果可以Zview软件中处理，构建一个等效电路，通过全频段进行拟合，即可计算出与电容充放电相关的电化学参数。
交流阻抗法是指小幅度对称正弦波交流阻抗法。
就是控制电极交流电位（或控制电极的交流电流）按小幅度（一般小于10mV）正弦波规律变化，然后测量电极的交流阻抗，进而计算电极的电化学参数。
由于使用小幅度对称交流电对电极极化，当频率足够高时，以致没半周期所持续的时间很短，不致引起严重的浓差极化及表面变化。
而且在电极上交替地出现阳极过程和阴极过程，即使长时间测量，也不会导致极化现象阶段的积累性发展。
此法适于研究快速电极过程，双电层结构及吸附等，在金属腐蚀和电结晶等电化学研究中也得到广泛应用。
3.恒电流充放电测试充电电流：系统默认的是充电电流为负，放电电流为正，因此在设置的时候注意充电电流和放电电流是一对相反数。
充放电的时间也是一样的，只要将充放电时间设置的大于实际的充放电时间就行。
超级电容器的制备与电化学性能的研究
图 2 以活性炭为电极材料制备超级电容器的恒电流充放电曲线 四、结论 用活性炭作为电极材料制备超级电容器具有良好的循环性能，具有较大的比容量，为 370.11F/g，说明活性炭作为超级电容器电极材料具有优异的电化学性能。
实验报告
超级电容器的制备与性能研究 一、 实验目的 1、 了解超级电容器的原理及应用 2、 掌握超级电容器的制备方法 3、 学习应用各种电化学方法研究超级电容器的电化学行为。 二、 实验原理 1、循环伏安测试 对于双电层电容器， 可以用平板电容器模型进行理想等效处理， 根据平板电容容量计算 公式：
c=
Cm =
C m
=
i
������φ m ������t
=
i m ������
（3）
2、恒电流充放电测试 对于超级电容器，根据式（2）可知，采用恒电流进行充放电时，如果电容量 C 为恒电 位，那么 ������φ ������t 将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系，也就是说理想电容器 的恒流充放电曲线是一条直线。 可以利用恒流冲放电曲线来计算电极活性物质的比容量：
Cm =
i td mΔV
（4）
式中，td 是放电时间，ΔV是放电电压降的平均值。 式中的ΔV是可以利用放电曲线进行积分计算而得出：
ΔV =
2 V������t (t1−t2) 1 1
(5)
Hale Waihona Puke 实际在计算比容量时，常采用 t1 和 t2 时电压的差值作为平均电压降，对于单电极比容 量，式（4）中的 m 为单电极活性物质的质量，若计算的是双电极比容量，m 则为两个电
图 1 以活性炭为电极材料制备超级电容器在不同扫描速度下循环伏安曲线 图 2 给出了以活性炭为电极材料制备超级电容器在电压范围 0-1.1V 之间，电流密度为 -2 1.875mA/cm 的恒流冲放电曲线，从图中可以看出所有曲线为对称的三角形状，说明了材 料理想的电容性能。通过曲线形状看出没有明显的“IR 降”，表明在电极与电解液界面的内部 电阻小，说明活性炭电极材料具有良好的电化学性能。由式（4）可以计算出超级电容器的 比容量：电极活性物质的质量 m 为 1.5248g，电流 i 为 30mA，由第三个冲放电曲线可知放 电时间 td 为 16.93min，放电电压降的平均值∆V为 0.9v，则比容量 Cm 为 370.11F/g。
超级电容器电化学测试方法
超级电容器电化学测试方法武汉科思特仪器有限公司超级电容器 (Suepercapacitor)是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
超级电容器用途广泛。
用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车此外还可用于其他机电设备的储能能源。
用于超级电容器电极的材料有各种碳材料，金属氧化物和导电聚合物[1-4]，尤其是导电聚合物，自从1970年导电聚乙炔薄膜被成功合成出来后，科学家对导电聚合物就产生了浓厚的兴趣。
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。
而CS350系列电化学工作站专门为超级电容器的性能评价设计了恒电流充放电测试方法，可以非常方便地评估电容器的循环寿命。
下面逐一介绍基于CS350工作站的超级电容器性能评价方法。
1. 循环伏安测试:基于CV 曲线的电容器容量计算，可以根据公式（1）计算。
q t C i i /V V∆===ν∆∆(ν为扫速，单位V/s) （1） 从式（1）来看，对于一个电容器来说，在一定的扫速ν下做CV 测试。
充电状态下，通过电容器的电流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。
由于界面可能会发生氧化还原反应，实际电容器的CV 图总是会略微偏离矩形。
因此，CV 曲线的形状可以反映所制备材料的电容性能。
对双电层电容器，CV 曲线越接近矩形，说明电容性能越理想；而对于赝电容型电容器，从循环伏安图中所表现出的氧化还原峰的位置，我们可以判断体系中发生了哪些氧化还原反应。
CV 测试步骤：从corrtest 软件中选择“测试方法”→“循环伏安”→“线性循环伏安”1.1. 参数设置：系统默认是从高电位扫向低电位，例如在-0.4V~ 0.6V的电压范围内，正向扫描：高电位设为0.6V（相对参比电极），低电位设为-0.4V（相对参比电极），反向扫描，高电位设为-0.4V（相对参比电极），低电位设为0.6V（相对参比电极）。
超级电容器的组装及性能测试实验指导书-(1)
超级电容器的组装及性能测试指导书实验名称：超级电容器的组装及性能测试课程名称：电化学原理与方法一、实验目的1．掌握超级电容器的基本原理及特点；2．掌握电极片的制备及电容器的组装；3．掌握电容器的测试方法及充放电过程特点。
二、实验原理1．电容器的分类电容器是一种电荷存储器件，按其储存电荷的原理可分为三种：传统静电电容器，双电层电容器和法拉第准电容器。
传统静电电容器主要是通过电介质的极化来储存电荷，它的载流子为电子。
双电层电容器和法拉第准电容储存电荷主要是通过电解质离子在电极/溶液界面的聚集或发生氧化还原反应，它们具有比传统静电电容器大得多的比电容量，载流子为电子和离子，因此它们两者都被称为超级电容器，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的净电荷将从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。
于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，即双电层。
双电层电容器的基本构成如图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，即在所施加的电位围并不产生法拉第反应，所有聚集的电荷均用来在电极的溶液界面建立双电层。
这里极化过程包括两种:（1）电荷传递极化（2）欧姆电阻极化。
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。
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。
（a）非充电状态下的电位（b）充电状态下的电位（c）超级电容器的部结构图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，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，还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。
电化学工作站测试超级电容器实验
sfsf
19
有效的保护体系
❖ 硬件过压保护，防止静电高压等传入仪器。 ❖ 硬件过流保护，防止过载损毁仪器。 ❖ 软件限压、限流、限时保护，以及计算机死机
断链保护，有效防止测量高能被测体系的超越 极限状况。
sfsf
20
sfsf
3
新功能：恒流限压快速循环充放电
指标 仪器
普通电化学工作站 普通电池循环充放电仪 高档电池循环充放电仪 RST5200F电化学工作站
循环 充放电 功能
无
有
有
有（快速）
循环 次数
1000次 1000次 10000次
限压 换流 时间
-
1S
0.1S
0.001S
最小 充放电 周期
-
100S
10S
0.1S
Q = 0.02682 n = 0.4717 R = 8.801E10 Ω
漏电时间常数很大（十几天以上），-3dB特征频率小于1μHz。
sfsf 因此，漏电阻更多表现出其直流特性，需用直流方法测量。
16
10F超级电容器 溶液电阻 高频电容 高频电阻
sfsf
17
10F超级电容器 溶液电阻 高频电容 高频电阻
单位电容漏电流
sfsf
IL
=
du/dt
=
2.825
μA/F
(约10天) 15
0.47F超级电容器 溶液电阻 高频电容 高频电阻
电化学方法：交流阻抗谱
溶液电阻+极板电阻 Rs = 22.4 Ω
高频电容
Q1 = 2.049E-6 n1 = 0.7873 高频电阻
R1 = 22.12Ω
等效串阻≈ R1 + R1 = 44.52Ω
超级电容器材料电化学电容特性测试
华南师X大学实验报告学生XX:蓝中舜学号：专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源课程名称：化学电源实验实验项目：超级电容器材料电化学电容特性测试实验类型：验证设计综合实验时间：2014年5月19日-26日实验指导老师：易芬云组员：吕俊、郭金海、余启鹏一、实验目的1、了解超级电容器的原理；2、了解超级电容器的比电容的测试原理及方法；3、了解超级电容器双电层储能机理的特点；4、掌握超级电容器电极材料的制备方法；5、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。
二、实验原理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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
超级电容器材料电化学电容特性测试华南师范大学实验报告学生姓名:蓝中舜学号：20120010027专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源课程名称：化学电源实验实验项目：超级电容器材料电化学电容特性测试实验类型：验证设计综合实验时间：2014年5月19日-26日实验指导老师：易芬云组员：吕俊、郭金海、余启鹏一、实验目的1、了解超级电容器的原理；2、了解超级电容器的比电容的测试原理及方法；3、了解超级电容器双电层储能机理的特点；4、掌握超级电容器电极材料的制备方法；5、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。
二、实验原理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) 法拉第鹰电容的工作原理法拉第鹰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。
法拉第鹰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赝电容机理储能。
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（cyclic voltammogram），如图2-2所示。
这一测量方法称为循环伏安法（cyclic voltammetry）。
图2-1三角波扫描图2-2循环伏安曲线Fig. 2-1 Triangular wave scanning Fig. 2-2 Cyclic voltammetry curve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。
3、恒流充放电法（CP）恒流充放电法是计时电势技术的一种，其激励信号和响应信号见图2-3所示。
向体系输入一定大小的正向电流+i，经过时间t1，改变电流方向，待时间为t2时，再将电流反向，输入如此连续的电流信号，所得到的就是电极电势随着电流的变化而变化的响应信号。
图2-3 恒流充放电激励信号及电位时间响应Fig. 2-3 Charge and discharge curves对于电化学超级电容器来说，在一定的电流密度(+i)下对其进行正向充电，随着充电过程的进行，电压从E1不断上升至E2；随着电流反向变成-i，电容器开始放电过程，随着放电过程的进行，电压又开始从最高的E2不断下降到E1，如此反复进行充放电循环，所得的电势-时间曲线就是超级电容器充放电曲线。
从超级电容器的恒电流充放电实验结果中，可以得到充电时间、放电时间的数据，并可以由这些数据来计算充放电过程的库仑效率、超级电容器的放电容量。
超级电容器恒电流放电比电容计算公式如下：SC = I△t /m△V式中，SC是超级电容器的比电容，单位为F/g；I为放电电流，单位为A；△t为放电时间，单位为s；△V为放电过程的电压差，单位为V，m为电极质量，单位g。
另外，从超级电容器恒流充放电曲线中还可以初步判断其充放电过程的可逆性。
理想的完全可逆的充放电过程的曲线呈现等腰三角形，其充放电半支是对称的。
但是在实际的电化学超级电容器充放电过程中，由于不可避免的电极极化过程的发生，或者受到电极反应可逆性的影响，而使得其充放电曲线不完全对称。
三、仪器与试剂仪器：CHI, 620C,上海辰华仪器公司、电热恒温鼓风干燥箱、饱和甘汞参比电极, 232型, 上海精密科学仪器有限公司、烧杯、玻璃棒、容量瓶试剂：石墨粉、乙炔黑、PVDF、石墨棒、N-甲基-2-吡咯烷酮, 化学纯（CP）、无水硫酸钠, 分析纯（AR）四、实验步骤1、工作电极的制备工作电极的制备采用涂覆法，将所制得的活性电极材料（MnO2和活性炭）分别与乙炔黑和PVDF 按85:10:5质量比例在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入溶剂NMP（N,N-二甲基吡咯烷酮），将混合物调成糊状，再将所得糊状物涂覆到面积为1cm2的钛片表面，并于60℃真空干燥5小时，即得工作电极。
电极上活性物质的质量通过涂片前后钛片的质量差而求得。
2、电容器活性材料的比电容的测试电化学测试包括循环伏安、恒流充放电，所有的电化学都是在电化学三电极体系中进行的。
三电极体系中，以涂覆了活性电极材料的钛片作为工作电极，以钛片作为对电极，以甘汞电极作为参比电极，电解质为0.1mol·L-1Na2SO4溶液。
所有的电化学测试均在上海辰华CHI660a型电化学工作站和EcoEchemie B.V公司的Autolab PGATAT30电化学分析仪上进行。
循环伏安法实验，0.1~0.9V，扫描速度分别为2mV s-1 (400s，9C)、10mV s-1(80s，45C)、50mV s -1(16s ，225C)。
恒流充放电区间为0.1~0.9V ，先采用恒流充放电电流进行充放电，通过比电容计算比电容，保持和循环伏安下相同倍率进行充放电实验。
五、数据记录与处理 1、实验数据记录循环伏安法实验中记录循环伏安曲线i-V 图，恒流充放电记录V-t 图。
（1）循环伏安曲线： A 、活性炭材料C u r r e n t (A )E/V vs. Hg/Hg 2Cl 2B 、MnO 2材料C u r r e n t (A )E/V vs. Hg/Hg 2Cl 2（2）恒流充放电 A 、活性炭材料E /VTime/sB 、MnO 2材料E /VTime/s2、 实验数据处理（1）分别从循环伏安曲线计算两种材料的比电容； A 、活性炭材料2mV ：从最后一个循环中可得出两个端点的电量值相减为0.03515C ，所以电容值为0.03515/0.8=0.04394F 。
由于所涂上的活性物质的质量为4.0×10-3g ，所以比电容为0.04394/4.0×10-3=10.985F/g 。
10mV ：从最后一个循环中可得出两个端点的电量值相减为0.02058C ，所以电容值为0.02058/0.8=0.02572F 。
由于所涂上的活性物质的质量为4.0×10-3g ，所以比电容为0.02572/4.0×10-3=6.43F/g 。
50mV ：从最后一个循环中可得出两个端点的电量值相减为0.01895C ，所以电容值为0.01895/0.8=0.02369F 。
由于所涂上的活性物质的质量为4.0×10-3g ，所以比电容为0.02369/4.0×10-3=5.923F/g 。
B 、MnO 2材料2mV ：从最后一个循环中可得出两个端点的电量值相减为0.121C ，所以电容值为0.121/0.8=0.15125F 。
由于所涂上的活性物质的质量为2.55×10-3，所以比电容为0.15125/2.55×10-3=59.314F/g 。
10mV ：从最后一个循环中可得出两个端点的电量值相减为0.09437C ，所以电容值为0.09437/0.8=0.1180F 。
由于所涂上的活性物质的质量为2.55×10-3，所以比电容为0.1180/2.55×10-3=46.275F/g 。
50mV ：从最后一个循环中可得出两个端点的电量值相减为0.03462C ，所以电容值为0.03462/0.8=0.04328F 。