實驗名稱：超級電容器的組裝及效能測試
所涉及課程：工程化學
計畫學時：4學時
一、實驗目的
1．掌握超級電容器的基本原理及特點；
2．掌握電極片的製備及電容器的組裝；
3．掌握電容器的測試方法及充放電過程特點。
二、實驗原理
1． 電容器的分類
電容器是一種電荷儲存器件，按其儲存電荷的原理可分為三種：傳統靜電電容器，雙電層電容器和法拉第準電容器。
傳統靜電電容器主要是通過電介質的極化來儲存電荷，它的載流子為電子。
雙電層電容器和法拉第準電容儲存電荷主要是通過電解質離子在電極/溶液介面的聚集或發生氧化還原反應，它們具有比傳統靜電電容器大得多的比電容量，載流子為電子和離子，因此它們兩者都被稱為超級電容器，也稱為電化學電容器。
2．雙電層電容器
雙電層理論由19世紀末helmhotz等提出。helmhotz模型認為金屬表面上的淨電荷將從溶液中吸收部分不規則的分配離子，使它們在電極/溶液介面的溶液一側，離電極一定距離排成一排，形成乙個電荷數量與電極表面剩餘電荷數量相等而符號相反的介面層。於是，在電極上和溶液中就形成了兩個電荷層，即雙電層。
雙電層電容器的基本構成如圖1，它是由一對可極化電極和電解液組成。
雙電層由一對理想極化電極組成，即在所施加的電位範圍內並不產生法拉第反應，所有聚集的電荷均用來在電極的溶液介面建立雙電層。
這裡極化過程包括兩種:
（1）電荷傳遞極化（2）歐姆電阻極化。
當在兩個電極上施加電場後，溶液中的陰、陽離子分別向正、負電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場後，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩定，在正負極間產生相對穩定的電位差。當將兩極與外電路連通時，電極上的電荷遷移而在外電路中產生電流，溶液中的離子遷移到溶液中成電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。
（a）非充電狀態下的電位 （b）充電狀態下的電位 （c）超級電容器的內部結構
圖1 雙電層電容器工作原理及結構示意圖
3．法拉第準電容器
對於法拉第準電容器而言，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的儲存，還包括電解液中離子在電極活性物質中由於氧化還原反應而將電荷儲存於電極中。對於其雙電層電容器中的電荷儲存與上述類似，對於化學吸脫附機理來說，一般過程為：電解液中的離子(一般為h+或oh-)在外加電場的作用下由溶液中擴散到電極/溶液介面，而後通過介面的電化學反應：
mox+h+(oh-)+(-)e-→mo(oh1)
進入到電極表面活性氧化物的體相中，由於電極材料採用的是具有較大比表面積的氧化物，這樣就會有相當多的這樣的電化學反應發生，大量的電荷就被儲存在電極中。根據(1)式，放電時這些進入氧化物中的離子又會重新返回到電解液中，同時所儲存的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準電容器的充放電機理。
在電活性物質中，隨著存在法拉第電荷傳遞化學變化的電化學過程的進行，
極化電極上發生欠電位沉積或發生氧化還原反應，充放電行為類似於電容器，而不同於二次電池，不同之處為：
（1）極化電極上的電壓與電量幾乎呈線性關係；
（2）當電壓與時間呈線性關係時，電容器的充放電電流為恆定值。
2)4．電容量及等效串連內阻的計算
對於超級電容器的雙電層電容可以用平板電容器模型進行理想等效處理。根據平板電容模型，電容量計算公式為：
3)其中c為電容（f）；為介電常數；s為電極板正對面積，等效雙電層有效面積（m2）；d為電容器兩極板之間的距離，等效雙電層厚度（m）。
利用公式和得
4)式中，為電流（a）；是電量微分（c）；是時間微分（s）；為電位的微分（v）。
採用恆流充放電測試方法時，對於超級電容，根據公式(4)可知，如果電容量c為恆定值，那麼將會是乙個常數，即電位隨時間是線性變化的關係。也就是說，理想電容器的恆流充放電曲線是乙個直線，如圖2.3(a)所示。
我們可以利用恆流充放電曲線來計算電極活性物質的比容量：
5)其中為充/放電時間(s)；為充/放電電壓公升高/降低平均值，可以利用充放電曲線進行積分計算而得到：
6)在實際求比電容量時，為了方便計算，常採用和時的電壓差值，即：
7) 對於單電極比容量，式(5)中的m為單電極上活性物質的質量。若計算的是電容器的比容量，m則為兩個電極上活性物質質量的總和。
在實際情況中，由於電容器存在一定的內阻，充放電轉換的瞬間會有乙個電位的突變，如圖2 (b)所示。
利用這一突變可計算電極或者電容器的等效串聯電阻：
8)其中r為等效串聯電阻（）,為充放電電流（a），為電位突變的值（v）。
等效串聯電阻是影響電容器功率特性最直接的因素之一，也是評價電容器大電流充放電效能的乙個直接指標。
（a）理想充放電曲線b）實際充放電曲線
圖2 恆流充放電曲線
四、實驗（設計）儀器裝置和藥品清單
儀器裝置：電子天平、真空乾燥箱、land電池測試系統、壓片機、扣式電池封裝機、扣式電池鋼殼等
藥品：mno2、koh、泡沫鎳、乙炔黑、粘結劑（hpmc）、隔膜、去離子水等。
五、實驗內容與實驗步驟
1． 超級電容器電極片的製備
（1） 按75:15:10（wt%）稱取活性物質mno2、導電劑乙炔黑和粘結劑hpmc，加入適量去離子水，調成漿狀。
（2） 將漿料均勻塗敷於φ=10mm的泡沫鎳上（已稱重）。
（3） 真空120°c乾燥1h、壓片、稱重，備用。
製備工藝流程如圖1所示。
圖3 電化學電容器極片的製備流程
2． 扣式超級電容器的組裝
（1） 將1中製備好的電極片作為電容器的正負極；
（2） 正負極之間用隔膜隔離；
（3） 電解液為3mol·l-1的koh；
（4） 在電極片與電容外殼之間墊一層泡沫鎳，使得電極片與電容外殼接觸良好。
（5） 用封裝機把扣式殼封好；
（6） 具體組裝方法如圖2、圖3所示。
3． 電化學效能檢測
（1） 把組裝好的扣式超級電容器連線到land電池測試儀上；
（2） 測試在室溫下進行；
（3） 採用恆電流充放電的方式，設定充放電流均為5ma，充放電截止電壓為
0-0.8v；
（4） 計算電容器的比電容量及內阻。
圖2 組裝扣式電化學電容器的層次圖
圖3 組裝扣式電化學電容器的實物圖
六、注意事項
1． 必須嚴格按照操作規程進行實驗；
2． 遵守實驗室的規章制度，保持實驗室及實驗台清潔。
七、實驗報告要求
1． 實驗目的；
2． 實驗內容；
3． 實驗基本原理；
4． 實驗裝置和材料；
5． 實驗結果分析；
6． 實驗中存在的問題和建議。
八、考核型式
書面實驗報告及實際操作相結合。
思考題1．超級電容器與傳統電容器的區別；
2．影響超級電容器效能的因素；
3．如何降低超級電容器的內阻。
超級電容器的組裝及效能測試實驗指導書1
實驗名稱 超級電容器的組裝及效能測試 課程名稱 電化學原理與方法 一 實驗目的 1 掌握超級電容器的基本原理及特點 2 掌握電極片的製備及電容器的組裝 3 掌握電容器的測試方法及充放電過程特點。二 實驗原理 1 電容器的分類 電容器是一種電荷儲存器件，按其儲存電荷的原理可分為三種 傳統靜電電容器，雙...
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