新能源存储超级电容器的组装及性能测试

实验名称：新能源存储超级电容器的组装及性能测试

所涉及课程：新能源材料与器件

计划学时：3+3学时

一、实验目的

1. 掌握超级电容器的原理；了解超级电容器双电层储能机理的特点；

2. 了解超级电容器的组装；

3. 了解利用恒流充放电及循环伏安法的超级电容器的测试方法。

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. 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。其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。

 (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。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，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。

(3) 电容量及等效串连内阻的计算

对于超级电容器的双电层电容可以用平板电容器模型进行理想等效处理。电容量为：

                           (1)

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的距离，等效双电层厚度（m）。

                        (2)

式中，为电流（A）；是电量微分（C）；是时间微分（s）；为电位的微分（V）。

采用恒流充放电测试方法时，对于超级电容，根据公式(2)可知，如果电容量C为恒定值，那么将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系。也就是说，理想电容器的恒流充放电曲线是一个直线。我们可以利用恒流充放电曲线来计算电极活性物质的比容量：

                          (3)

其中为充/放电时间(s)；为充/放电电压升高/降低平均值，可以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，常采用和时的电压差值，即：

                          (7)

    对于单电极比容量，式(3)中的m为单电极上活性物质的质量。若计算的是电容器的比容量，m则为两个电极上活性物质质量的总和。

三、实验仪器和材料

1.  仪器设备

(1) 武汉科思特仪器有限公司CS310电化学工作站

(2) 电热恒温鼓风干燥箱

(3) 饱和甘汞参比电极, Pt电极

(4) 烧杯、玻璃棒、容量瓶

2.  药品

活性材料（如C材料，不定形二氧化锰）、导电剂、粘结剂等

四、实验内容与实验步骤

1．超级电容器电极片的制备

(1)         按75:15:10（wt%）称取活性物质、乙炔黑和粘结剂，加入适量去离子水，调成浆状。

(2)         将浆料均匀涂敷于面积为1cm²的钛片表面.

(3)         真空600°C干燥5h、压片、称重，备用。

2. 电化学测试

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Pt电极作为对电极，以甘汞电极作为参比电极，电解质为0.1mol?L-1Na₂SO₄溶液。

(1) 循环伏安法

(2) 恒流充放电

五、注意事项

1．必须严格按照操作规程进行实验；

2．遵守实验室的规章制度，保持实验室及实验台清洁。

六、实验报告要求

1．实验目的；

2．实验内容；

3．实验基本原理；

4．实验设备和材料；

5．实验结果分析；

6．实验中存在的问题和建议。

思考题

1．超级电容器与传统电容器的区别；