电化学工作站研究超级电容及其应用 v1.1
电化学工作站测试超级电容器
电化学工作站测试超级电容器郑州世瑞思仪器科技有限公司RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法，如：“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法“交流阻抗谱”等，可对超级电容器进行深入的研究。
以前，人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。
随着超级电容器应用领域的不断扩展，特别是对快速充放电要求的提高，使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。
对超级电容器实施快速循环充放电，需要设立一个限压换流模块，属于反馈控制。
就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后，立即通知驱动单元改变电流方向。
限压换流的过程必须快速，否则就控制不住了。
在 RST5200E 电化学工作站中，限压换流功能由硬件实现，从而确保该反馈控制过程小于1mS。
下表列出了一些电化学测试仪器的指标：下面对RST5200E 电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。
1. 超级电容器的连接工作电极引线夹（绿蓝）接超级电容器正极。
参比电极引线夹（白黄）接超级电容器负极；辅助电极引线夹（红）接超级电容器负极。
运行中，请勿断开超级电容器。
2 .软件功能2.1 界面布局左上部为文本框，用于显示运行参数和测量数据。
左下部为操作面板，用于接受操作者的选择。
右边为图形框，用于显示被选中的循环，这些循环属于该曲线的一部分。
2.2 定位显示本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。
通过操作面板，可调整显示参数：起始循环、循环数量。
2.3 数据计算软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算，其结果显示于文本框中，有：充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。
2.4 删除多余的循环在菜单<数据处理>中，设有三个子菜单。
2.4.1 <删除最初一个循环>：通常，由于电容器测试前的初始储能状态不确定，使得第一个循环的充放电不完整，通过该菜单可以删除这个循环。
超级电容器电化学测试方法
potential vs. Ag/AgCl Current(A)
正向扫描
0.00
负向扫描
E1 A
循环1
K;A
-0.40 0.00
40.00
80.00 time(s)
120.00
160.00
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
-1.00E-5
-2.00E-5
-3.00E-5 0.60
＊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
3、恒电流充放电测试
从恒电流充放电中可以计算出电极材料的比电容,其依据为公式
C
Q V
it V
其中I为充电电流, t为放〔充电时间,ΔV是放〔充电电势差,m是材料质量.
C
it
(V 2 iR V1 )
dV dt
任意电位处的电容
C
dQ idt i
dV
dV
可得：
任意电位窗口〔V1～ V2内的平均电容
V2 idV
C
V1
（V2
-
V1）
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.
Cm
C m
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V0-V,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.
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电化学工作站原理及的应用
电化学工作站原理及应用一、电化学工作站的概述电化学工作站是一种实验室仪器设备，用于研究电化学反应。
它通过控制电流和电压来实现电化学实验的自动化和精确控制。
电化学工作站具有高精度的电流和电压输出，同时还具备温度和气体流量控制等功能，用于研究电化学反应的机理、动力学和应用。
二、电化学工作站的原理电化学工作站基于电化学原理，通常由以下组成部分：1.电化学电池：用于产生电化学反应所需的电流和电势。
2.电解槽：用于容纳电解质溶液和电极，实现电化学反应的发生。
3.电极：通常分为工作电极、参比电极和对电极。
工作电极是进行电化学反应的主要电极，参比电极用于测量工作电极的电势，对电极用于校正电位差。
4.控制系统：用于控制电流和电压的输出，以及温度和气体流量的调节。
5.测量系统：用于测量电位、电流、电导率等参数。
三、电化学工作站的应用电化学工作站广泛应用于以下领域：1. 腐蚀研究电化学工作站可用于腐蚀行为的研究。
通过控制电流和电压，可以模拟不同条件下的腐蚀环境，研究材料的耐腐蚀性能和腐蚀机理。
同时，可以进行电化学腐蚀测试，评估材料的耐蚀性能。
2. 电化学储能电化学工作站可用于电化学储能器件的研究与开发，如锂离子电池、超级电容器等。
通过控制电流和电压，可以研究电极材料的电化学性能、电解质的传输性能等，以提高电化学储能器件的性能和循环寿命。
3. 电沉积与电镀电化学工作站可用于金属电沉积和电镀研究。
通过控制电流和电压，可以控制金属的沉积速率和沉积形貌，研究电化学沉积机理，优化电镀工艺。
4. 电析与电解电化学工作站可用于电析和电解实验。
通过控制电流和电压，可以实现电解质中的物质分离，研究电析和电解的机理和影响因素，以及应用于废水处理和金属回收等领域。
5. 电催化电化学工作站可用于电催化反应的研究。
通过控制电流和电压，可以调节催化剂表面的电位和电荷状态，研究电催化反应的机理和催化剂的活性。
6. 生物电化学电化学工作站可用于生物电化学研究，如酶电极、生物燃料电池等。
超级电容原理及应用简介课件
随着超级电容的应用领域不断扩大 ，需要制定相应的法规和标准以确 保其安全可靠地应用。
未来发展前景
技术创新
随着科研技术的不断进步，未来超级 电容有望在能量密度、循环寿命等方 面取得突破性进展。
应用领域拓展
产业链完善
未来超级电容的产业链将进一步完善 ，包括材料、制造、应用等方面，这 将有助于推动其大规模应用和商业化 进程。
超级电容的发展历程
01 20世纪60年代
超级电容的初步研究和发展。
02 20世纪90年代
随着电子技术和新能源产业的发展，超级电容的 应用逐渐广泛。
03 21世纪初
超级电容在电动汽车、混合动力汽车、能源存储 系统等领域得到广泛应用。
02
超级电容的工作原理
电化学双电层理论
总结词
电化学双电层理论是超级电容工作原理的基础，它解释了超级电容如何通过电极表面的双电层 来储存电荷。
5. 重复实验步骤，多次测 量以获得更准确的数据。
4. 当超级电容充满电后， 使用数字万用表测量电容 器的放电电压和电流。
结果分析与讨论
• 通过实验数据，分析超级电容的充电和放电特性，包括充电时间、电压变化、电流变化等。 讨论超级电容的储能原理以及在储能技术领域的应用前景。
• · 通过实验数据，分析超级电容的充电和放电特性，包括充电时间、电压变化、电流变化等。 讨论超级电容的储能原理以及在储能技术领域的应用前景。
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详细描述
法拉第准电容器理论认为，超级电容的电极表面存在可逆的氧化还原反应，这些反应与双电层的形成和电荷的储 存释放有关。在充电过程中，电解液中的离子在电极表面发生氧化或还原反应，将电荷储存于双电层中；在放电 过程中，这些反应发生逆向反应，电荷被释放出来。
电化学工作站研究超级电容及其应用
C
1 2 f Z
"
式(5)
"
其中，f：频率； Z ：阻抗的虚部。Cs 被定义为 C/S，其中 C 为电容，S 为电极 表面积。 随着频率的降低， Cs 从 240 增加到 325μF·cm-2。 120Hz 时电容为 397μF， 电阻为 3.4Ω， RC 为 1.35ms。 如此短的 RC 时间常数表明 ErGO-DLC 可用于 120Hz 过滤。 另外， 120Hz 时 Cs 为 283μF·cm-2， 是基于石墨烯纳米片的 DLC 的 3.2 倍。 结果表明，Cs 主要作用于 ErGO-DLC 电极的离子穿插。图 7(d)是电容的实部和 虚部随频率的变化。小的弛豫时间常数(τ0)导致了快速离子扩散。τ0 是效率超过 50%的设备释放能量的最小时间。ErGO-DLC 的 τ0 为 238μs，这比其他类型的 DLC 时间都要短。
。电流从 150~600 mA· g-1，67%的电容或 42.8 F· g-1 可被维持。E 和 P 可通过式
(7)和(8)来计算：
1 2Cm E P t E
1
V
2 2
V 1
2
式(7) 式(8)
由图 10(c)可以明确看出， PbO2/AC 混合超级电容器的高性能。 比功率为 152W· kg，E 为 27.3 W· kg-1，P 为 691 W· kg-1，特定功率能保持在 18.4 W· kg-1。PbO2 沉
2 超级电容器的定义及特点
2.1 定义 超级电容器(Super capacitors)，又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)。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，也正如此超级电容器可以反复充放电数十万次。 图 1 是超级电容的原理图[1]，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。
用电化学工作站测试超级电容器
用电化学工作站测试超级电容器郑州世瑞思仪器科技有限公司RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法，如：“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法“交流阻抗谱”等，可对超级电容器进行深入的研究。
以前，人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。
随着超级电容器应用领域的不断扩展，特别是对快速充放电要求的提高，使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。
对超级电容器实施快速循环充放电，需要设立一个限压换流模块，属于反馈控制。
就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后，立即通知驱动单元改变电流方向。
限压换流的过程必须快速，否则就控制不住了。
在 RST5200E 电化学工作站中，限压换流功能由硬件实现，从而确保该反馈控制过程小于1mS。
下表列出了一些电化学测试仪器的指标：下面对RST5200E 电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。
1. 超级电容器的连接工作电极引线夹（绿蓝）接超级电容器正极。
参比电极引线夹（白黄）接超级电容器负极；辅助电极引线夹（红）接超级电容器负极。
运行中，请勿断开超级电容器。
2 .软件功能2.1 界面布局左上部为文本框，用于显示运行参数和测量数据。
左下部为操作面板，用于接受操作者的选择。
右边为图形框，用于显示被选中的循环，这些循环属于该曲线的一部分。
2.2 定位显示本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。
通过操作面板，可调整显示参数：起始循环、循环数量。
2.3 数据计算软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算，其结果显示于文本框中，有：充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。
2.4 删除多余的循环在菜单<数据处理>中，设有三个子菜单。
2.4.1 <删除最初一个循环>：通常，由于电容器测试前的初始储能状态不确定，使得第一个循环的充放电不完整，通过该菜单可以删除这个循环。
化学电源原理和应用(PPT)_电化学超级电容器
微粒子,涂在镍箔上,容量达到了64 F/ g。H Y Lee 等
将KMnO4 在550 ℃热分解获得的KxMnO 2 – d nH2O 制成电极,在2 mol/ L的KCl水溶液(pH = 10. 6) 中,单 电极比容量达240 F/ g。C Lin 等用醇盐水解溶胶凝 胶方法制备了超细Co2O3 电极活性物质,单电极比 容量达291 F/ g。还有关于MoNx 、V2O5· nH2O与 无定形MnO2 的报道。
Doping 机理
§6 SEC 的主要应用领域
1 用于电子电路或小型用电器
目前国内的超级电容器商品基本都是应用于电子电路中，例如作为
存储设备的后备电源或滤波用低压低频电容元件。很多电子器件中都有 存储元件，电容器常用于内存的后备电源。例如，电脑中常用大容量的
钽电解电容器，以保证突然断电时电容器能提供足够的电量让内存的资
纳米碳管等。对于碳材料,采用高比表面积可得到大
电容。根据双电层理论,电极表面的双电层电容平均
约为25μF/ cm2 , 如果比表面积为1 000 m2/ g ,则 电容器比容量为250 F/ g。目前碳的比表面积可达2 000 m2/ g , 水系和非水系的比电容分别可达280 F/ g 和120 F/ g。
料主要有三种! 碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物
材料。
§2 原理
1. 1 双电层电容
双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的。双电层理
论19 世纪由Helmhotz 等提出。Helmhotz 模型认为电极表面的 静电荷从溶液中吸附离子,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 。由于界面上存在位垒,两层电
超级电容器的研究及应用
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电化学工作站研究超级电容及其应用德国Zahner电化学工作站电化学工作站研究超级电容及其应用1 前言超级电容器是介于普通电容器和化学电池之间的储能器件，兼备两者的优点，如功率密度高、能量密度高、循环寿命长等，并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性。
双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的。
1879年，Helmholz 发现了电化学界面的双电层电容性质；1957年，Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作为电极材料的电化学电容器方面的专利；1962年，标准石油公司生产了以活性炭为电极材料的、硫酸水溶液作为电解质的超级电容器；1979年，NEC公司使超级电容器商业化。
作为一种绿色环保、性能优异的新型储能器件，超级电容器在众多领域有广泛的应用。
近年来，我国的科研人员和相关部门对此也极度关注。
2 超级电容器的定义及特点2.1 定义超级电容器(Super capacitors)，又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)。
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，也正如此超级电容器可以反复充放电数十万次。
图1是超级电容的原理图[1]，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。
图1 超级电容原理图2.2 分类根据储能机理不同，超级电容可以分为两类：双电层电容和法拉第准电容。
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而产生的。
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呈电中性，这是双电层电容的充放电原理。
法拉第准电容是在电极表面和近表面或体相中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脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。
当电解液中的离子在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。
放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应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。
2.3 超级电容器的特性(1) 高功率密度[2]超级电容器的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而输出功率密度高达数kW/kg，是任何一个化学电源无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。
(2) 长充放电循环寿命超级电容器在充、放电过程中没发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。
蓄电池的充放电循环寿命只有数百次，只有超级电容器的几十分之一。
(3) 充电时间短超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，而蓄电池则需要8～12h才能充电完毕。
(4) 妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾比能量高的贮能体系其比功率不高，而一个贮能体系的比功率高，则其比能量就不一定很高，许多电池体系就是如此。
超级电容器在可以提供1~5kW/kg 高比功率的同时，其比能量可以达到5~20wh/kg。
将它与蓄电池组结合起来，可构成一个兼有高比能量和高比功率输出的贮能系统。
(5) 贮存寿命长超级电容器充电之后，虽然也有微小的漏电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质，且所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。
(6) 高可靠性超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因而超级电容器的可靠性非常高。
3 超级电容器的应用3.1 超级电容器在无机方面的应用A.M. PUSCAS 和M.C. CARP 等人[3]通过直流充放电(DC charge/discharge)和电化学阻抗(EIS)技术研究了无机超级电容器的电热性能进而探讨其内部参数。
为了研究直流充放电特性，电压和放电电流随温度而变化。
电压选择14V ，并在50mA/F ，100 mA/F 和300 mA/F 阈值电流下放电。
等效串联内阻(ESR)通过式(1)计算：21cap mean meanESR U U U I I -==∆ 式(1) 其中，1()mean t i d t I ττ∆=∆⎰式(2) ()()12k k mean k i i t I ττττ+∆+⎛⎫=∆ ⎪∆⎝⎭∑ 式(3) Δτ：放电过程的采样周期。
电容通过式(4)来计算：meancapt C I U ∙∆=∆ 式(4)(a)(b)(c)图2 DC放电测试，(a) 40A，(b) 80A，(c) 240A图3 ESR随温度的变化曲线图4 电容随温度的变化图2是DC放电测试，放电过程、驰豫过程和内部参数都取决于温度。
图3和图4分别为ESR和电容随温度的变化曲线，高温时超级电容器的性能比低温时变化更快。
ESR低温时增加，高温时降低。
电容随着温度的升高而增大。
综上所述，直流充放电实验表明无机超级电容的性能在高温时展现出更好的性能。
EIS可得出阻抗的实部和虚部值，以及频率和温度的依赖性。
EIS使用的测试仪器为德国Zahner公司的IM6电化学工作站、PP211外置恒电位仪等，如图5。
Thales软件维持实验过程的电压，图6为EIS测试结果。
图5 EIS实验装置示意图图6 EIS测试结果3.2 超高速超级电容器通过电化学阻抗谱、循环伏安法以及充放电等实验方法，可以研究和改进超高速高级电容器。
Kaixuan Sheng和Yiqing Sun[4]等人研究了电化学方法降低交流线路滤波器的氧化石墨烯来提高超高速超级电容器的性能。
图7 ErGO-DLC 的交流阻抗特性，(a) 相位角随频率的变化；(b) 阻抗的复平面图；(c) 电容随频率的变化；(d) 电容的实部和虚部随频率的变化图7是ErGO-DLC 的交流阻抗谱图。
图7(a)是相位角随频率的变化，相位角接近-90°，更接近电容器行为。
-45°时，电容器的阻抗和感抗有相同量级，所以这一点的频率是易于比较的。
120Hz 时的相位角可作为测试交流线路滤波器性能的质量因子。
图7(b)是阻抗的Nyquist 图，几乎是一条垂直线，说明其高电导率和速率。
高频没有半圆弧，ErGO 电极有更快的离子扩散速率。
ESR 的ErGO-DLC 约为0.1Ω，比基于石墨烯膜或单层石墨的DLC 的阻抗要小。
图7(c)是电容随频率的变化曲线，电容通过下面的公式来计算："12C f Z π-= 式(5)其中，f ：频率；"Z ：阻抗的虚部。
C s 被定义为C/S ，其中C 为电容，S 为电极表面积。
随着频率的降低，C s 从240增加到325μF·cm -2。
120Hz 时电容为397μF ，电阻为3.4Ω，RC 为1.35ms 。
如此短的RC 时间常数表明ErGO-DLC 可用于120Hz 过滤。
另外，120Hz 时C s 为283μF·cm -2，是基于石墨烯纳米片的DLC 的3.2倍。
结果表明，C s 主要作用于ErGO-DLC 电极的离子穿插。
图7(d)是电容的实部和虚部随频率的变化。
小的弛豫时间常数(τ0)导致了快速离子扩散。
τ0是效率超过50%的设备释放能量的最小时间。
ErGO-DLC 的τ0为238μs ，这比其他类型的DLC 时间都要短。
图8 ErGO-DLC的循环伏安特征，(a) 25% KOH电解液中不同扫描速率，(b) 放电电流密度随扫描速率的变化图8(a)是ErGO-DLC的循环伏安曲线，扫描速率100V·s-1曲线为矩形状，说明了有效的EDLs和快速的电荷传播。
扫描速率400V·s-1曲线仍为类矩形。
由图8(b)可以看出，扫描速率1~350 V·s-1时，放电电流密度与扫描速率成线性关系，350 V·s-1是线性关系的临界值，这比典型的DLCs高两倍，比空洋葱-碳DLCs高三倍。
图9 恒电流模式下ErGO-DLC的充放电特性，(a) 放电曲线，(b) ErGO-DLC的寿命曲线图9(a)是ErGO-DLC在恒电流模式下的放电曲线，在40~700μA·cm-2的范围内放电曲线为直线，类似于理想双电层电容的行为。
而且在放电初期没有压降，说明ErGO-DLC的ESR很低。
与图7(b)和(d)中的阻抗结果相关联，当电流密度为40、80、400及700μA·cm-2时，C s分别为487、480、462及457μF·cm-2。
ErGO-DLC也有很好的电化学稳定性，在700μA·cm-2高电流密度下充放10000次以后仍没有发生变化，如图9(b)。
3.3 混合超级电容器Jiangfeng Ni, Haibo Wang[5]等人对以金属氧化物作为阳极，活性炭作为阴极的混合超级电容器进行了研究。
通过循环伏安、阻抗测试以及恒电流充放电测试研究PbO2薄膜和AC电极的混合超级电容器在H2SO4溶液中的电化学性能。
CV 和EIS测试通过德国Zahner公司的IM6ex进行实验。
图10 PbO2/AC 混合超级电容器的电化学性能，(a) CV曲线，扫描速率10mV·s-1，(b) 不同电流速率时的充放电特性，(c) 基于比电容的电流密度；(d) 300mA·g-1时循环特性图10(a)是5.3mol·l-1 H2SO4溶液中，10mV·s-1扫描速率时电沉积PbO2膜的CV曲线。
前进扫描时两个阳极峰出现在1.4V和1.7V处，1.4V对应于PbO氧化成PbO2，1.7V对应于PbSO4氧化成PbO2。
回扫过程中，阴极峰出现在1.2V 处，这对应于PbO2转变成PbSO4。
作为比较从AC电极的CV曲线可以看出，曲线为理想矩形，这是双电层电容的特性。