超级电容器实验室测试工艺

超级电容器实验室测试工艺

工作电极的制作（合肥工业大学李学良老师）电化学超级电容器（Electrochemical Supercapacitors, 缩写为ES），也叫电化学电容器（Electrochemical Capacitors），或简称为超级电容器（Supercapacitors or Ultracapacitors），是上世纪60、70年代率先在美国出现，并于80年代随着电动车行业的发展而迅速发展起来的一类新兴的储能器件[1]。超级电容器的能量密度是传统电容器的几百倍，功率密度高出电池两个数量级，很好地弥补了电池功率低、大电流充放电性能差和传统电容器能量密度小的缺点。此外，超级电容器具有温度适应范围宽、循环寿命长（大于100000次）、充放电速度快（几毫秒）、循环效率高（大于99 %）、无污染等优良特性，因此，超级电容器有望成为本世纪新型的绿色能源[2]。

一、实验步骤

1）极片制备

称取活性碳粉末，与乙炔黑、PTFE按质量比80:10:10混合均匀，加入一定量无水乙醇，搅拌至膏状浆料，于90 ℃下干燥至半干状态。采用辊压法，以不锈钢网作为集流体，将其压成10 mm×10 mm的电极片，于120 ℃下干燥至恒重，即制得本研究所需的电极极片。未压片之前在电子天平上称出镍网集流体的质量，压片并干燥后再次称量，从而算得单电极活性物质质量。

图1 电容器电极的制备工艺

2）电化学性能检测

三电极体系测试要求：（备注：要求测试体系稳定，故借助参比电极）

以自制的碳电极为研究电极，氧化汞电极(Hg/HgO)为参比电极，2 cm×2 cm

铂片为辅助电极，组装成三电极体系。在-0.6 ~0.15 V (vs. Hg/HgO)电位范围内对体系进行循环伏安测试，测试循环伏安特性；在0.001~100000 Hz 频率范围进行交流阻抗测试，交流信号振幅为5 mV 。

图2 电化学电容器测试装置

充放电性能一般采用两电极体系，测试仪可以是电化学工作站（若要求测试精度很高，获得精确的电化学动力学参数，强烈建议采用电化学工作站测试），对自制电极进行恒流充放电测试，考查其放电比容量、循环寿命等性能。

图3为采用三电极体系，使用RST5200电化学工作站测试的充放电曲线：

图3 充放电曲线

图4是两电极体系测试的充放电曲线（RST5200工作站）：

20

40

60

80

100

-0.2

-0.10.00.10.20.3

V / v

t/ s

5300

5400

5500

5600

5700

5800

5900

-0.2

0.0

0.20.40.60.81.01.2

电压（V ）

时间（s)

图4 充放电曲线

由充放电曲线可估计超级电容器的比电容，使用的公式：

式中，C—电容器的比电容，F/g；

m—正负极质量总和，mg；

Q—电荷量，C；

△V—放电电压范围，V；

I—放电电流，mA；

△t—放电时间，S。

本文实验数据处理和采集由计算机完成，软件采用Land 4.2版。

电池测试仪累计积分计算电容器通过外电路的电量(mAh)，记录电容器性能指标为电容(mAh)，因此需要将其转换计算：

其中，C2E为电容器的电容，F；

Q为电容器在充放电过程中储存或释放的电量，C；

Q1为电池测试仪记录的电容器电容，mAh；

V为电容器的工作电压，V。

如果正极负极质量相等则单电极比电容：

C E=4C2E

式中，C E为单电极的比电容，F/g；

C2E为电容器的电容，F/g。

实际功率密度：

(2-4)

式中，P real为电容器的实际功率密度，W/kg；

E max为充电终止电压，V；

E min为放电终止电压，V；

I为放电电流，A；

m 为电容器正负极质量和，kg 。 实际能量密度： E real =P real t

式中，E real 为电容器实际能量密度，Wh/kg ； t 为放电时间，h 。

图5为采用三电极体系，使用RST5200电化学工作站测试的阻抗：

图5 电化学阻抗

图6为采用三电极体系，使用RST5200电化学工作站测试的阻抗：

图6 循环伏安

-Z "/Ω