超级电容器电化学测试方法_图文
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。
新能源材料-超级电容器
8.1 超级电容器概述 8.2 碳材料系列 8.3 金属氧化物材料 8.4 导电聚合物材料 8.5 复合材料 8.6 其他材料
功能材料研究所
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8.1 超级电容器概述
超级电容器(Supercapacitors)是从上世纪七、八十年代 发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不 同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、 具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电 荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储 能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数 十万次。
(a) 碳气凝胶 (b) 花朵上的碳气凝胶
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8.2 碳材料系列
碳气凝胶的制备： 1）形成有机凝胶：有机凝胶的形成可得到具有三维空 间网络状的结构凝胶； 2）超临界干燥：超临界干燥可以维持凝胶的织构而把 孔隙内的溶剂脱除； 3）碳化：碳化使得凝胶织构强化，增加了机械性能， 并保持有机凝胶织构。 只有热固性有机气凝胶才能制备碳气凝胶，否则碳化将破坏 凝胶结构。碳气凝胶的原料一般采用间苯二酚和甲醛，二者 在碱催化剂作用下发生缩聚反应，形成间苯二酚甲醛 RF(resorcinol formaldehyde)凝胶。用超临界干燥法把孔隙 内的溶剂脱除形成RF气凝胶，RF气凝胶在惰性气体下碳化 得到保持其网络结构的碳气凝胶。
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8.1 超级电容器概述
双电层原理示意图
功能材料研究所
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双电层电容器充电状态电位分布曲线
Profile of the potential across electrochemical double 功能材料研究所 layer capacitor in the charged condition
《电化学测试方法》课件
05
电化学测试技术发展前景
新型电极材料的研发
总结词
随着科技的发展，新型电极材料在电化学测试领域的应用越 来越广泛，它们具有更高的电化学活性和稳定性，能够提高 电化学测试的精度和可靠性。
详细描述
新型电极材料如纳米材料、碳基材料、金属氧化物等，具有 优异的电化学性能和独特的物理化学性质，能够适应各种不 同的电化学测试需求。它们的研发和应用，将为电化学测试 技术的发展开辟新的道路。
03
恒电位法可以用于研究腐蚀电化学、电化学合成和 电镀等领域。
循环伏安法
循环伏安法是一种常用的电化 学测试方法，通过控制电极电 位在一定范围内循环变化来研 究电极反应。
该方法可以用于研究电极反应 的可逆性和不可逆性，以及电 化学反应的动力学参数和机理 。
循环伏安法在电化学分析、腐 蚀电化学和电化学合成等领域 有广泛应用。
电极反应与电池反应
总结词
电极反应是电化学中的基本单元，电池反应则是多个电极反应的组合。
详细描述
电极反应是指在电极上发生的化学反应，是电化学中的基本单元。电池反应则 是由一个或多个电极反应组合而成，是实现电能与化学能相互转化的整体反应 。
电极电位与电池电位
总结词
电极电位是电极与溶液之间的电势差，电池电位则是电池中正负极电位的代数和。
分类
根据电极反应类型，可分为阳极和阴极。
电解池的工作原理
电解过程
在电解池中，电流通过电极和电解质溶液，使电解质溶液中的离子 在电极上发生氧化还原反应，从而实现电能向化学能的转化。
电子转移
在电极上，电子通过外电路从阳极流向阴极，而电解质溶液中的离 子则通过扩散作用或对流作用迁移到电极表面。
电流分布
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。
电化学系统的性能测试方法
电化学系统的性能测试方法电化学系统是指在电化学领域中应用的各种设备、电池、传感器等与电化学现象有关的器材，其性能的好坏直接关系到电化学实验和应用的结果。
因此，对电化学系统的性能进行准确的测试和评价至关重要。
本文将介绍电化学系统性能测试的基本方法和常见的测试仪器。
1. 循环伏安法循环伏安法是一种常用的电化学性能测试方法，通过对电极的偏置电位进行连续的电位循环，使电化学反应过程在正反两个极限电位附近进行，从而绘制出电流-电位曲线，得出反应的动力学参数和体系的电化学特性。
该方法常用于电极材料的电化学储能性能研究和电解质的电化学稳定性测试。
2. 恒流充放电法恒流充放电法是一种测试电化学储能材料性能的常用方法，它通过在电解液中施加固定的电压或电流，使材料充放电，观察并记录充放电过程中的电位变化和电容变化，从而得出电化学储能材料的容量、循环寿命等性能指标。
该方法常用于锂离子电池、超级电容器等电化学储能领域。
3. 交流阻抗法交流阻抗法是一种非破坏性电化学测试方法，该方法通过施加交流电位，测量电化学系统的交流阻抗谱，从而得出体系中各种电化学反应的动力学参数，以及氧化物和还原物的介电特性等信息。
该方法常用于电解质、气体传感器、腐蚀研究等领域。
4. 原位红外光谱法原位红外光谱法是一种非破坏性电化学测试方法，该方法通过在电极表面施加外场（如电压、电流等），同时使用红外光谱仪监测体系中的反应产物，从而实现体系反应的原位红外光谱测试。
该方法可广泛应用于电极催化反应、电化学合成等领域。
在进行电化学系统性能测试时，还需要注意以下几点：1. 选择合适的测试方法和测试仪器，根据具体实验目的和样品特性选择合适的测试方法和测试仪器。
2. 严格控制实验参数，如电极材料的制备、电解液的配制等，都应该按照严格的实验标准进行操作。
3. 进行数据分析和处理，对测试结果进行必要的数据处理和统计分析，从而获得可靠的检测结果。
4. 根据测试结果进行进一步的优化和改进，如优化电解液组分、改进电极材料结构等，以提高电化学系统的性能。
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。
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。
（a）非充电状态下的电位（b）充电状态下的电位（c）超级电容器的内部结构图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。
超级电容 测试标准
超级电容的测试标准主要包括以下几个方面：
电性能测试：主要包括电容大小、内阻大小、电流特性、功率密度等指标。
这些参数直接反映了超级电容的性能水平。
外观测试：检查超级电容的外观，包括防爆阀膨胀、破裂、夹伤，或者外板或铝壳损坏等情况。
简单判断：通过施加直流电压，观察电容电压是否升高来判断短路情况。
模拟万用表测试：通过万用表测量电容的电阻值，判断其是否符合要求。
在选择超级电容时，建议选择大品牌，因为大品牌的超级电容质量更可靠，使用寿命更长。
同时，也需要注意使用环境和使用寿命等因素，以确保超级电容能够安全、稳定地工作。
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循环伏安法的典型激发信号 三角波电位，转换电位为E1V和E2V
循环伏安法一般用于研究电极过程，它是一个十分有用的方 法。它能迅速提供电活性物质电极反应的可逆性，化学反应 历程，电活性物质的吸附以及电极有效表面积的计算等许多 信息。
＊扫描速度增加时为何电容值下降？ 化学 – 离子的吸附脱附和表面活性面积的减少 物理 –膨胀和收缩
(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
＊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
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
超级电容器电化学测试方法_图文.ppt
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。
＊循环伏安测试超级电容器比容量
对于双电层ห้องสมุดไป่ตู้容器，我们可以用平板电容器模型进行理想等效处理: 其电容值为：
由公式：
任意电位处的电容
、 dQ=idt
可得：
任意电位窗口（V1～V2 ）内的平均电容
然后按照电极上活性物质的质量就可以求算出这种 电极材料的比容量。
式中:m一电极上活性材料的质量，g
应该从中间红线开始积分，因为那是电流零点。从公式来看，积分区间为V0V，即正扫或反扫的那一段，如果用origin积分的话，也应该只用其中正扫或反扫 的那一段进行积分；也有文献中公式为循环积分，但分母中有个2倍，这样用 origin积分时应该用循环的两段进行积分，面积近似为上述公式积分的两倍，但由 于除了一个2倍，因而计算结果仍为实际的电容。
二电极体系
电化学体系
三电极体系： 三电极两回路
三电极组成两个回路：
研究电极和参比电极：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：构成一个通电的体系， 用来测量工作电极通过的电流。
2、循环伏安法
伏安分析法是以被分析溶液中电极的电位-电 流行为为基础的一类电化学分析方法。