超级电容器原理介绍及实验分析
五、结果与分析
1、实验过程总结与知识点查阅
○1超级电容器的结构：[1]
超级电容器主要由三部分组成：电极、电解液和隔膜，其中电极由集流体和电极材料组成。本实验中，集流体为泡沫镍，集流体起到降低电极内阻的作用，活性物质为三维石墨烯-Co3O4复合材料。
○2超级电容器的分类及原理
分为双电层电容器和赝电容器
双电层电容器：充电时，电解液中的带电粒子被吸附在电极表面，形成双电层结构，从而将能量储存起来。在双电层电容器工作的过程中，电解液中的粒子只发生电迁移、扩散、传质，完全是物理过程，不会和电极发生氧化还原反应。在充电时，接正极的电极集流体和活性物质带正电，活性物质吸附电解液中的负离子从而形成双电层结构。同样的，接负极的活性物质带负电，吸引电解液中的阳离子形成双电层结构。整个超级电容器相当于两个电容器串联。循环性能好，比电容较低。
赝电容器：由于电解液中粒子与电极材料发生高度可逆的氧化还原反应，形成不稳定的产物，将能量储存起来。在充电时，活性物质与电解液中的粒子在电极表面或者电极表面及内部发生高度可逆的化学吸附；在放电时则进行解吸附的过程。循环性能差，比电容高。
○3超级电容器的电极材料[2]：
（1）炭材料：活性炭、碳纳米管、石墨烯等。主要用于双电层电容器，比容量较低，而且能量密度与功率密度也较低。
( 2 )过渡金属氧化物和导电聚合物，主要用于赝电容器，比容量与能量密度较高，导电性能和循环稳定性相对活性炭较差。
（3）改进材料：制备碳材料与金属氧化物或导电聚合物的复合材料，同时拥有比电容高和循环性能好的优点，如本实验中的三维石墨烯-Co3O4复合材料。
○4循环伏安法测试及其原理
循环伏安法是指在工作电极和参比电极之间施加三角波扫描电压，记录工作电极上响应电流与施加电位之间的关系曲线，即循环伏安图。从伏安图的波形、氧化还原电流的数值及
其比值、峰电位等可以判断电极反应机理。而在本实验中运用循环伏安法，在得到CV 曲线后首先可以从曲线的对称性分析得到样品的循环性能，之后可以通过曲线围成的面积计算样品的电容大小。
（1）理想循环伏安图[3]
（2）计算比电容方法
其中，m为活性物质质量，g；v为扫描速度，v/s；
V1,V2为伏安曲线的积分限制，V；i为电流，A。
2、数据分析
用循环伏安法-0.2v到0.45v间扫描，扫描速度分别为：10mv/s,20mv/s,50mv/s,100mv/s，。
将所得数据用origin作图并用Polygon Area功能求闭合积分面积得：
（1）不同扫描速度各扫描三次
○
1由上图可以看出，CV 图的对称性较差，说明循环性能不是很好，可能制作过程中受到的干扰因素较多，活性物质与集流体结合效果不是很好，或是由于材料本身的问题，导致循环性能差。同时曲线与矩形形状有较大偏离，电容性能不是很好。
○
2由求得积分面积并通过上文已给出的比电容计算公式得：（思考题一）
由计算结果可知比电容值较小，原因是实验过程中的测量误差，尤其是质量测量，但是不影响得出一个结论：比电容值随扫描速度的增大而衰减。原因可能主要跟吸附有关，电解液为KOH 水溶液，根据前面介绍的原理，循环过程中发生K +的吸附和脱附，当扫描速度增大时，K+进入活性物质内部进行吸附的量变少，而是在其表面发生了吸附，也就是吸附更多发生在表面，导致比电容减小[4]。而当扫描速度继续增大，比电容减小的幅度变小，因为吸附几乎只发生在表面，扫描速度的影响力减小。
（2）相同扫描速度扫描25次循环（50mv/s）
○1图形分析
将其中的几次循环明显化，其余透明化，正向扫描时0.4V附近和负向扫描时0.3V附近进行放大处理得：
由25次循环的cv图可以看到，当电势在-0.2-0.1V范围内时，cv图具有较好矩形形状，且对称性较好，同理想模型相近，说明在该段电势范围内，电容特性较好。当电势超过这个范围，图形偏离矩形，对称性降低，说明电容特性降低，循环性能下降。同时，正向扫描时0.35-0.42v时电流急剧增大，一直增大到快0.04A，说明可能发生了氧化反应（显示部分的赝电容特性），随着扫描次数的增多，电流增大，但是增大的幅度越来越小。向负向扫描时，在0.3V附近出现了明显的低峰，可能是还原峰，同时随着扫描次数的增大，还原电流增大，cv曲线偏离矩形的程度增大，并且对称性不断降低，说明随着扫描次数的增多，电极在电解液中的浸泡时间增大，电极的电容特性降低。（思考题一）
○2计算每一次循环的比电容
对25次循环的图形进行闭合积分，并计算各比电容值的如下表：
用origin 作图得：
由图可知第一扫描时比电容较小，第二次扫描时电容发生突跃，可能是第一次扫描时没有快速建立双电层，离子吸附较少，电容容量较小。再继续扫描时，比电容仅于微弱趋势增长，后逐渐趋于稳定，说明电极的电容特性整体较好，并没有出现随时间的衰减趋势。也可能测量时间较短，没有很好地测量到衰减过程。随着扫描时间的往后推移，电极的比电容值应该要衰减。原因可能有：电极活性物质得脱落；电极表面发生不可逆化学反应，导致活性物质的晶型及表面特性发生变化；电极表面有沉积物，不易去除等。（思考题2）
3、课后总结
超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的储能器件,兼备了能量密度和功率密度,可以满足各个场合的使用要求。在今后的生产生活必将大有作为，所以有很大的研究价值，但是由于初次真正接触超级电容器，所以对机理及影响因素没有透彻的理解，在分析的时候可能存在很多错误，还需要今后继续学习，加深理解，减少错误。
查阅文献：
[1]邓梅根.电化学电容器-电极材料研究[M].合肥：中国科学技术大学出版社,2009.
[2]袁国辉.电化学电容器[M].化学工业出版社,2006:8-11.
[3]杨杨.超级电容器电极材料用二氧化锰的合成及其电化学性能的研究.吉林大学硕士论文，2013. [4]王福华，茆志友，姚秋实，吴翠，高云芳.活性炭/二氧化锰纳米复合材料的合成及超级电容性能[J].应用化工，2015年5月.
超级电容的充放电实验曲线测试(含答案)
超级电容器的充放电实验曲线测试 一、实验目的 了解超级电容器结构组成以及工作原理，理解超级电容器等效电路模型，学会绘制超级电容器充放电曲线。 二、超级电容器结构以及工作原理 超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔膜四个部件。超级电容器电极由多孔材料在金属薄膜（常用铝）上沉积而成，而活性炭则是常用的多孔材料。充电时，电荷存储于多孔材料和电解质之间的界面上。电解质的选择往往是电容器单体电压和离子导电性之间妥协的结果，追求离子导电性的最大化可能会导致所选择的电解质分解电压低至1V 。隔膜通常是纸，起绝缘作用，可以防止电极之间任何的导电接触。必须能够浸泡在电解质中，并且不影响电解质的离子导电性。 超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V 以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，
为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。 三、实验线路图 四、实验步骤 1、充电实验 按照实验线路图连接电路，将开关接到K端，使电源接入电路中，实现超级电容的充电过程，通过串口命令记录电流和电压。 2、放电实验 在超级电容器充电完成后，将开关接到另一端，将电源断开，实现超级电容的放电过程，通过串口命令记录电流和电压。 五、注意事项 1、超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。 2、超级电容器应在标称电压下使用。当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。 3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。 4、外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。 5、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。
超级电容器原理及电特性
超级电容器原理及电特性 Principle & Electric characteristics of Ultra capacitor 辽宁工学院陈永真孟丽囡宁武 Chen Yongzhen Liao Ning Institute of Technology 摘要：叙述了超级电容器的基本结构和工作原理，比较全面地介绍了超级电容器的特点和在特定测试条件下的电特性，分析了如较大的ESR、发热等特殊电特性产生的原因，提出一些注意事项。 关键词：超级电容器 ESR 放电电流 Abstract:Basic structure & principle of ultra-capacitor are described in this paper. The characteristics about ultra-capacitor and electric characteristics in special measuring conditions are also introduced in detail. Some reasons of special electric characteristics are analyzed, such as big ESR and heat, at last some attentions are also put forward. Key words: ultra-capacitor ESR Discharging current 超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。 1. 级电容器的原理及结构 1.1 超级电容器结构 图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界 面的表面面积。 由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸 附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一 特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更 少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。 这种超级电容器有几点比电池好的特色。 图1超级电容器结构框图 1.2 工作原理 超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到 超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 2.3 主要特点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：
镍氢电池制作实验报告
方形800mA镍氢电池的制备及其性能测试 1 引言 1.1实验背景 化学电源也就是通常所说的电池，是一类能够把化学能转化为电能的便携式移动电源系统，现已广泛应用在人们日常的生产和生活中。电池的种类和型号(包括圆柱状、方形、扣式等)很多，其中，对于常用的电池体系来说，通常根据电池能否重复充电使用，把它们分为一次（或原）电池和二次（或可充电）电池两大类，前者主要有锌锰电池和锂电池，后者有铅酸、镍氢、锂离子和镍镉电池等[1]。除此之外，近年来得到快速发展的燃料电池和电化学电容器（也称超级电容器）通常也被归入电池范畴，但由于它们所具有的特殊的工作方式，这些电化学储能系统需特殊对待。在这些电池的制备和使用方法上，有很多形似的地方，因此通过熟悉一种电池可以达到了解其它电池的目的。本实验即通过制备一种扣式可充电的镍氢电池，并通过测试电池的性能，使同学们在电池制备及其性能表征等方面得到训练。 1.2实验意义 随着市场的需求，新型绿色环保型镍氢电池正朝着高容量、小型化、高功率方向发展。镍氢电池产业将成为21世纪能源领域的重大产业之一。镍氢电池产业的发展有利于促进城市环境的改善，使国民经济可持续发展；有助于移动通讯，无污染电动车等的高新技术产业的发展；同时将带动上游原材料工业的发展……所以，研究镍氢电池是一个新的趋向。 1.3实验原理 镍氢电池的正极活性物质为Ni(OH)2，负极为贮氢合金，正负电极用隔膜分开，根据不同使用条件的要求，采用KOH 并加入LiOH 或NaOH的电解液。电池充电时，正极中Ni(OH)2被氧化为NiOOH，而负极则通过电解水生成金属氢化物，从而实现对电能的存储。放电时，正极中的NiOOH被还原为Ni(OH)2，负极中的氢被氧化为水，同时在这个反应过程中向外电路释放出电量。电极反应如下：(“?”表示充电；“?”表示放电) 正极：Ni(OH)2 + OH-? NiOOH + H2O + e-
超级电容器原理和应用
超级电容器原理和应用 分类:移动互联的基本知识或讲座 2007.6.13 20:14 作者：kimberye | 评论：0 | 阅读：5029 超级电容器简介(图) 作者：Maxwell Technologies Bobby Maher 随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。 电池技术的缺陷 Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。 超级电容器的特点和优势 超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。 除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。因此，必须采用恒流或恒压充电器。 １０年前，超级电容器每年只能卖出去很少的数量，而且价格很贵，大约１～２美元／法拉，现在，超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场，价格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。
超级电容器综述
题目超级电容器技术综述 学号 班级_____________ 学生 _______________ 扌旨导教师_______ 杨莺_________________ ______ 2014 _______ 年
超级电容器技术综述 摘要：近年来，随着经济的迅猛发展，人们在实际应用中对储能装置各项技术指标的需求不断提高，而当前电池的标准设计能力已经逐渐无法满足人们的要求，超级电容器应运而生。超级电容器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。作为一种新的储能元件,它填补了传统电容器和电池之间的空白, 能提供比普通电容器更高的能量和比二次电池更高的功率以及更长的循环寿命, 同时还具有比二次电池耐温和免维护的 优点。本文主要针对超级电容器的储能机理、超级电容器电极材料、超级电容器的发展动态以及未来应用的展望进行了简单的论述。 关键词：超级电容器；储能机理；活性炭；发展现状；应用展望。 A Review of the technology of super capacitor Abstract ：In recent years，With the rapid development of economy，People advance the need that can equip each technique index sign to continuously raise at practical application 。But the standard design ability of the current battery have already canned not satisfy people's request gradually ，The super capacitor emerges with the tide of the times 。The super capacitor is a kind of new energy storing device, it has many characteristics such as short refresh time, long service life, good temperature characteristic, energy conservation,Environment protecting.As a new kind energy storage element, it filled up traditional capacitor and the blank of battery.It can provide energy than the common capacitor higher and the power than secondary battery higher and the longer circulating life.Meanwhile it has the advantage of rating of temperature and no maintenance than secondary battery.The text mainly aims at the keeping of super capacitor development dynamic state of ability mechanism, super capacitor electrode material, super capacitor and in the future apply of the outlook carried on simple treatise. Key Words ：super capacitor; The energy storage mechanism; active carbon; development trend; Application trend . 引言近几年出现的超级电容器，它兼有物理电容和电池的特性，是人们未来探索的确定方向。超级电容器是比物理电容器更好的储能元件。目前，用于超级电容器的电极材料主要是炭材料，由于一些炭材料比如氧化锰低价高能，所以受到很多科学家的青睐。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。就目前的国际形势来看，超级电容器有着很大的应用前景。 1 超级电容器概述 1.1超级电容器的定义及特点
超级电容器的组装及性能测试实验指导书 (1)汇总
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，即在所施加的电位范围内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。
电磁炮及其相关材料技术--实验报告
电磁炮及其相关材料技术 物理学理论的不断发展与完善，促进了军事能源的不断变革，促进作战兵器的不断更新。枪、炮是作战的主要武器之一。随着作战空间的不断加大，火药对提高炮弹在炮口的发射速度的能力已很有限，很有必要另辟新径。 1985年，美国国防科学委员会在装甲/ 反装甲技术讨论会上就做出结论:“未来的高性能兵器必然以电能为基础。”电磁炮是利用电磁发射技术制成一种先进的杀伤武器，在未来战争中有着广阔的应用前景。 本次试验以电磁炮为切入点，通过对电磁炮原理和性能的分析讲解，引出电磁炮广阔的应用前景和发展阻碍，并提出解决相关问题的材料学途径，包括实验用的可控硅开关、超级电容器、超导材料、纳米技术等等，“一个实验，多项技术”是在设计整个试验时的思路。 实验目的 1、理解电磁炮的组成结构及工作原理； 2、熟悉增强电磁炮威力的相关技术手段； 3、理解可控硅开关控制电路通断和电容器的原理； 4、了解在实用化道路上电磁炮需要解决的诸多材料学难题及其解决方案； 5、了解电磁炮的优缺点及其在未来战争中的应用。 实验原理 1、电磁炮的简介及分类 电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击目标所需的动能，与传统的火药推动的大炮，电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。 根据加速方式，电磁炮分为线圈炮、轨道炮、电热炮和重接炮。本次试验重点演示的便是线圈炮。 2、基本原理 （1）线圈炮
图 1 B沿轴线方向的分布 线圈炮的主要部件是螺线管，它是线圈均匀地密绕在炮筒上，螺线管的单位长度的匝数为n，炮筒的内半径为R，螺线管的长度为l。螺线管通入电流i时，根据电磁学理论，螺线管沿轴的B - x 关系如图1，在螺线管中部磁场均匀，端口附近磁场发散。螺线管端口附近p点B的轴向分量为 （1） 式中μo为真空磁导率，x为p点坐标。 图 2 线圈炮简单电路图 线圈炮的简单电路图如图2所示：220V交流电经过整流器的整流之后变成直流电，K1接通后，电容C开始充电，等到电容充电完成后，断开K1。线圈相当于炮身,在线圈的合适部位装上弹丸，接通K2，在线圈处便会产生一个由脉冲电流产生的强大磁场，如公式（1）所示，磁场会驱动铁制弹丸前进，从而将弹丸发射出去。 （2）轨道炮
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
超级电容器的工作原理
超级电容器的工作原理 根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双电层电容器(Electric double layer capacitor, EDLC)和赝电容器(Pesudocapacitor)。 2.1 双电层电容器原理 双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件，当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双层。 双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纤维)、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常，孔隙率越高，电极材料的比表面积越大，双电层电容也越大。但不是孔隙率越高，电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在2,50 nm 之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提高双电层电容。 2.2 赝电容器原理 赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电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。由于反应在整个体相中进行，因而这种体系可实现的最大电容值比较大，如吸附型准电容为2 000×10–6 F/cm2。对氧化还原型电容器而言，可实现的最大容量值则非常大[9]，而碳材料的比容通常被认为是20×10–6 F/cm2，因而在相同的体积或重量的情况下，赝电容器的容量是双电层电容器容量的10,100 倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。
金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一些过渡金属氧化物， 如:MnO2、V2O5、 2、NiO、H3PMo12O40、WO 3、PbO2和Co3O4等[10]。金属氧化物作为超级电容器电RuO2、IrO 极材料研究最为成功的是RuO2，在H2SO4电解液中其比容能达到700,760 F/g。但RuO2稀有的资源及高昂的价格限制了它的应用。研究人员希望能从MnO2及NiO等贱金属氧化物中找到电化学性能优越的电极材料以代替RuO2。用导电聚合物作为超级电容器的电极材料是近年来发展起来的。聚合物产品具有良好的电子电导率，其典型的数值为1,100 S/cm。一般将共轭聚合物的电导性与掺杂半导体进行比较，采用术语“p掺杂”和“n掺杂”分别用于描述电化学氧化和还原的结果。导电聚合物借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物链上引入正电荷和负电荷中心，正、负电荷中心的充电程度取决于电极电势[9]。导电聚合物也是通过法拉第过程大量存储能量。目前仅有有限的导电聚合物可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学n型掺杂,如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。现阶段的研究工作主要集中在寻找具有优良的掺杂性能的导电聚合物，提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性等方面。 超级电容器作为一种新型的储能元件，具有如下优点: (1)超高的容量。超级电容器的容量范围为0.1,6 000 F，比同体积的电解电容器容量大2 000,6 000倍。 (2)功率密度高。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安培，其功率密度是电池的10,100倍，可达到10×103 W/kg左右。 (3)充放电效率高，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
实验七-实验报告
实验七：超声化学法制备纳米多孔氧化物及其电化学性能研究专业：材料物理姓名：许航学号：141190093 一、实验内容与目的 1、学习超声化学反应的基本原理，熟悉反应装置的构成； 2、通过与其他方法比较，了解超声化学法在多孔纳米材料制备方面的优缺点； 3、学习超声化学法制备多孔金属氧化物的实验步骤，了解多孔纳米材料的表征方法； 4、学习电化学工作原理，掌握电容测试方法，熟悉超级电容器常用的金属氧化物材料。 二、实验原理 超声化学主要源于声空化导致液体中微小气泡形成、振荡、生长收缩与崩裂及其引起的物理、化学效应。液体声空化是集中声场能量并迅速释放的过程，空化泡崩裂时，在极短时间和空化极小空间内，产生5000K以上的高温和约5.05×108Pa的高压，速度变化率高达1010K/s，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km的微射流生成，使碰撞密度高达1.5kg/s；空化气泡的寿命约0.1μs，它在爆炸时释放出巨大的能量，冷却速率可达109K/s。这为一般条件下难以或不能实现的化学反应提供了一种特殊的环境。这些极端条件足以使有机物、无机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧和热分解条件，促进非均相界面之间搅动和相界面的更新，极大提高非均相反应的速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的生成，并控制颗粒的尺寸和分布。通过将超声探头浸入反应溶液中就可将超声波引入到一个有良好控温范围的反应系统。利用超声来使反应体系中的物质得到充分的反应，从而制备出颗粒分布、大小尺寸均匀的纳米多孔氧化物。
三、实验数据及处理 1.循环伏安曲线 在恒定扫描速率下，伏安特性曲线为闭合曲线，且扫描速率越快，围成的图形面积越大。 2.恒流充放电电压-时间曲线 曲线包括充电和放电两个过程，设定电压从0V充到0.6V，再放电到0V。随着充电电流的增加，充放电总时间增长，曲线的峰点向时间增加的方向移动。
超级电容器实验报告
实验报告 题目C,MnO2的电化学电容特性实验姓名许树茂 学号20104016005 所在学院化学与环境学院 年级专业新能源材料与器件创新班 指导教师舒东老师 完成时间2012 年 4 月
1.【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。 2. 【实验原理】 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
超级电容器工作原理
超级电容器工作原理 超级电容器既拥有与传统电容器一样较高的放电功率，又拥有与电池一样较大的储存电荷的能力。但因其放电特性仍与传统电容器更为相似，所以仍可称之为“电容”。到现在为止，对于超级电容器的名称还没有统一的说法，有的称之为“超电容器”，有的称之为“电化学电容器”“双电层电容器”，有的还称之为“超级电容器”，总之名称还不统一。但是有人提出根据其储能机理，分为双电层电容器（靠电极 -电解质界面形成双电层）和赝电容器（靠快速可逆的化学吸-脱附或氧化-还原反应产生赝电容）两类。 （一）双电层电容器的基本原理 双电层电容器是利用电极材料与电解质之间形成的界面双电层 来存储能量的一种新型储能元件。当电极材料与电解液接触时，由于界面间存在着分子间力、库仑力或者原子间力的相互作用，会在固液界面处出现界面双电层，是一种符号相反的、稳定的双层电荷。对于一个电极-溶液体系来说，体系会因电极的电子导电和电解质溶液的离子导电而在固液界面上形成双电层。当外加电场施加在两个电极上后，溶液中的阴、阳离子会在电场的作用下分别向正、负电极迁移，而在电极表面形成所谓的双电层；当外加电场撤销后，电极上具有的正、负电荷与溶液中具有相反电荷的离子会互相吸引而使双电层变得更加稳定，这样就会在正、负极间产生稳定的电位差。 在体系中对于某一电极来说，会在电极表面一定距离内产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，来使其保持电中性；当将两极和外
电源连接时，由于电极上的电荷迁移作用而在外电路中产生相应的电流，而溶液中离子迁移到溶液中会呈现出电中性，这就是双电层电容器的充放电原理。 从理论上说，双电层中存在的离子浓度要大于溶液本体中离子浓度，这些浓度较高的离子受到固相体系中异性电荷吸引的同时，还会有一个扩散回溶液本体浓度较低区域的趋势。电容器的这种储能过程是可逆的，因为它是通过将电解质溶液进行电化学极化实现的，整个过程并没有产生电化学反应。双电层电容器的工作原理如下图所示： （二）法拉第准电容器的基本原理 法拉第准电容器是在双电层电容器后发展起来的，有人将其简称为准电容。这种电容的产生是因为电极活性物质在其表面或者体相中
缩减讲稿超级电容器电极的制备及性能测试
超级电容器电极的制备及性能测试 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。 本实验采用EC500系列电化学工作站三电极法（包括循环伏安法、交流阻抗等），考察不同活化方法处理后电极的电化学性能。 1.循环伏安法 1.1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。 一般电化学体系分为二电极体系和三电极体系，循环伏安法通常采用三电极系统。相应的三个电极为工作电极（研究电极W）、参比电极(R)和辅助电极（对电极C）。 三电极组成两个回路： 研究电极和参比电极组成的回路构成一个不通或基本少通电的体系，利用参比电极电位的稳定性来测量工作电极的电极电位。 研究电极和辅助电极组成另一个回路构成一个通电的体系，用来测量工作电极通过的电流。这就是所谓的“三电极两回路”，也就是测试中常用的三电极体系。利用三电极体系，来同时研究工作电极的电位和电流的关系。 图 1 三电极系统原理图 对于三电极测试系统，之所以要有一个参比电极，是因为有些时候工作电极和辅助电极的电极电位在测试过程中都会发生变化，为了确切的知道其中某一个电极的电位（通常是工作电极的电极电位），就必须有一个在测试过程中电极电位恒定且已知的电极作为参比来进行测量，以为研究电极提供一个电位标准。 但是，仅仅使用三电极体系还不够，因为，随着电化学反应的进行，研究电极表面的反应物质的浓度不断减少，电极电位也随之发生或正或负的变化，也就是说随着电化学反应的进行，研究电极的电位会发生变化。为了使电极电位保持稳定，即将研究电极对参比电极的电位保持在设定的电位上，通常使用恒电位电解装置（恒电位仪），这样，便用了恒电位仪的三电极体系，可以为我们提供用以解释电化学反应的电流—电位曲线，这种测定电流—电位曲线的方法叫做伏安法。
超级电容器基本原理及性能特点
聚焦超级电容选型与应用 上网时间：2010-05-27 作者：Zoro 来源：电子元件技术网 超级电容和电池都是能量的存储载体，但二者有不同的特点。超级电容通过介质分离正负电荷的方式储存能量，是物理方法储能，电池是通过化学反应的方法来储能。超级电容充放电次数可达百万次，而电池只有1000次，显然超级电容寿命要远大于电池，降低维护成本且有利于环保。 超级电容充放电速度快，能够在机车启动时提供能量，刹车时捕获能量，因为超级电容充放电的时间在1秒左右，正好与机车刹车或启动的时间匹配。其他设备比如风力发电中，风轮机变桨的时候要提供能量也是在这个时间段。而电池的充放电大概在1小时到10个小时左右，而传统用于滤波的电容，充放电为0.03秒。 超级电容放电速度快，而且容量大，能够瞬间释放巨大的能量，能够用作备用电源，在系统突然断电时，在极短时间内为系统提供能量。超级电容也可以用作发动机或动力电池的辅助，提高发动机的运行效率和能量利用效率。在系统启动时，超级电容将捕获的能量释放，满足峰值功率要求，从而减轻电池或发动机的负担。 除此之外，超级电容还能用于自动抄表系统中的智能电表（水表，燃气表）、相机闪光灯、混合动力汽车。超级电容节能、环保、高效的特点迎合了当下节能减碳的设计诉求。本期半月谈聚焦超级电容，通过以下三个方面介绍超级电容：
超级电容器基本原理及性能特点 超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 超级电容与电池的比较 相对铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池，超级电容具有节能、超长使用寿命、安全、环保、宽温度范围、充电快速、无需人工维护等优点。本文通过图表来对比各种不同储能产品的特点。 超级电容的典型应用与选型 超级电容容量大，充放电速度快，而且充放电循环可达百万次，非常适合用作备用电源和提供峰值功率。本文介绍超级电容的工作原理，并着重介绍在集装箱龙门吊车和智能电表上的应用。
太阳能电池对储能装置两种方式充电实验(实验报告)
光伏工程实验报告 实验名称：太阳能电池对储能装置两种方式充电实验学院：材料科学与工程学院 专业：应用物理 指导教师： 报告人：学号：1班级： 实验时间：2015/1/5 实验报告提交时间：2014/12/
一、实验目的 1. 了解超级电容放电的实验； 2. 了解太阳能组件直接对超级电容充电的实验； 3. 了解太阳能组件加DC-DC模块后对超级电容充电实验； 4. 熟悉恒压和恒定功率计算充电效率的方法； 5. 通过对两组实验结果进行比较，找出实现最佳充电效率的方法。 二、实验原理 1．DC-DC模块 DC-DC为直流电压变换电路，能将直流电压 转换为直流电压，相当于交流电路中的变压器，就 是相当于我们平常使用的电源充电器，最基本的 DC-DC变换电路如图1所示。 图1中，Ui为电源，T为晶体闸流管，uC为 晶闸管驱动脉冲，L为滤波电感，C为电容，D为 续流二极管，RL为负载，uo为负载电压。调节晶 闸管驱动脉冲的占空比，即驱动脉冲高电平持续时 间与脉冲周期的比值，即可调节负载端电压。 DC-DC的作用： 当电源电压与负载电压不匹配时，通过 DC-DC调节负载端电压，使负载能正常工作。本实 验的太阳能组件输出电压可以超过10V，而超级电 容器的额定电压为3V左右，因此需要用到DC-DC 模块进行电压的转换。 通过改变负载端电压，改变了折算到电源端的等效负载电阻，当等效负载电阻与电源内阻相等时，电源能最大限度输出能量。 在本实验中，DC-DC模块用于控制太阳能电池，使其始终以最大限度输出能量，保证以恒定功率输出。 2.超级电容 超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形
超级电容器电极制备实验前言
1超级电容器 1.1电池技术的缺陷 Li电池等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。 1.2超级电容器的简介 超级电容器(又称电化学电容器、电双层电容器)是一种能量存储装置，属新一代绿色能源。它主要依靠在电极与电解液界面形成电双层贮存电能，性能介于普通电容器和可充电电池之问，在较宽的温度范围内(—40～60。C)工作，可以在大电流(10～1000A)下充放电。与可充电电池(包括镍氢电池和锂电池)相比，超级电容器具有更高的功率密度和更长的循环寿命。与普通电容器相比，超级电容器的能量密度要高出100倍以上。可见，超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电或快速充电长时间放电等特点。超级电容器可用于大电流瞬时供给、中电流短时问后备电源、小电流长时间后备电源和低频微波吸收等。 超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。超级电容器有如下特点： （1）电容量大。超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。
超级电容器原理介绍及实验分析
五、结果与分析 1、实验过程总结与知识点查阅 ○1超级电容器的结构：[1] 超级电容器主要由三部分组成：电极、电解液和隔膜，其中电极由集流体和电极材料组成。本实验中，集流体为泡沫镍，集流体起到降低电极内阻的作用，活性物质为三维石墨烯-Co3O4复合材料。 ○2超级电容器的分类及原理 分为双电层电容器和赝电容器 双电层电容器：充电时，电解液中的带电粒子被吸附在电极表面，形成双电层结构，从而将能量储存起来。在双电层电容器工作的过程中，电解液中的粒子只发生电迁移、扩散、传质，完全是物理过程，不会和电极发生氧化还原反应。在充电时，接正极的电极集流体和活性物质带正电，活性物质吸附电解液中的负离子从而形成双电层结构。同样的，接负极的活性物质带负电，吸引电解液中的阳离子形成双电层结构。整个超级电容器相当于两个电容器串联。循环性能好，比电容较低。 赝电容器：由于电解液中粒子与电极材料发生高度可逆的氧化还原反应，形成不稳定的产物，将能量储存起来。在充电时，活性物质与电解液中的粒子在电极表面或者电极表面及内部发生高度可逆的化学吸附；在放电时则进行解吸附的过程。循环性能差，比电容高。 ○3超级电容器的电极材料[2]： （1）炭材料：活性炭、碳纳米管、石墨烯等。主要用于双电层电容器，比容量较低，而且能量密度与功率密度也较低。 ( 2 )过渡金属氧化物和导电聚合物，主要用于赝电容器，比容量与能量密度较高，导电性能和循环稳定性相对活性炭较差。 （3）改进材料：制备碳材料与金属氧化物或导电聚合物的复合材料，同时拥有比电容高和循环性能好的优点，如本实验中的三维石墨烯-Co3O4复合材料。 ○4循环伏安法测试及其原理 循环伏安法是指在工作电极和参比电极之间施加三角波扫描电压，记录工作电极上响应电流与施加电位之间的关系曲线，即循环伏安图。从伏安图的波形、氧化还原电流的数值及
超级电容器综述解析
电子技术查新训练文献综述报告 题目超级电容器技术综述 学号3130434055 班级微电132 学生赵思哲 指导教师杨莺 2014 年
超级电容器技术综述 摘要：近年来，随着经济的迅猛发展，人们在实际应用中对储能装置各项技术指标的需求不断提高，而当前电池的标准设计能力已经逐渐无法满足人们的要求，超级电容器应运而生。超级电容器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。作为一种新的储能元件,它填补了传统电容器和电池之间的空白,能提供比普通电容器更高的能量和比二次电池更高的功率以及更长的循环寿命,同时还具有比二次电池耐温和免维护的优点。本文主要针对超级电容器的储能机理、超级电容器电极材料、超级电容器的发展动态以及未来应用的展望进行了简单的论述。 关键词：超级电容器；储能机理；活性炭；发展现状；应用展望。 A Review of the technology of super capacitor Abstract：In recent years，With the rapid development of economy，People advance the need that can equip each technique index sign to continuously raise at practical application。But the standard design ability of the current battery have already canned not satisfy people's request gradually，The super capacitor emerges with the tide of the times。The super capacitor is a kind of new energy storing device, it has many characteristics such as short refresh time, long service life, good temperature characteristic, energy conservation,Environment protecting.As a new kind energy storage element, it filled up traditional capacitor and the blank of battery.It can provide energy than the common capacitor higher and the power than secondary battery higher and the longer circulating life.Meanwhile it has the advantage of rating of temperature and no maintenance than secondary battery.The text mainly aims at the keeping of super capacitor development dynamic state of ability mechanism, super capacitor electrode material, super capacitor and in the future apply of the outlook carried on simple treatise. Key Words：super capacitor; The energy storage mechanism; active carbon; development trend; Application trend .