扣式碳基电容器的组装及电容测试实验报告

1、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20200倍，比功率一般大于1000 W/kg，远远大于二次电池，循环寿命也

2、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： 较高的容量。超级电容器的容量范围为0.16000 F，比同体积的电解电容器容量大20006000倍。 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10100倍，可达到10103 W/kg左右。 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。

3、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。 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-4070的温度范围内工作。 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

4、、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） 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到。当固体与液体接触时，可以是固体从液体中选择性吸附某种离子，也可以是由于固体本身的电离作用使离子进入溶液中，使固体与液体带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层结构。经过长期深入研究，目前其主要模型有：a)平板双电层模型：亥姆霍兹于1879年提出。将固体表面上的过量电荷与溶液中的反号电荷的分布状

5、态视为平板电容器，该模型简单。b)扩散双电层模型：古埃和查普曼在20世纪初修正了平板双电层模型，提出了扩散双电层模型，认为溶液中的反号电荷在静电作用、溶液中分子、离子的热运动和扩散作用的共同影响下，自固体表面上的过量电荷向溶液内部随距离增加而递减。此模型应用很普遍，可以解释很多界面方面的电性质，但是对于固体表面电荷的性质受环境电解质溶液的影响，不能合理解释溶液性质的改变可以影响表面电荷的数量甚至是电荷性质的转变。c)斯特恩模型：该模型经进一步修正，较为实际地反映了双电层的真实结构，已经在浮选理论上得到了广泛的应用。双电层由内层和外层组成。固体表面的荷电层为双电层的内层，内层中决定固体表面电荷或

6、电位的离子称为定位离子。溶液中被固体表面吸附的，起电平衡作用的反号离子称为配衡离子。配衡离子存在的液层称为配衡离子层，即双电层的外层。双电层的外层又分两层，即固体表面较近的紧密层和离矿物表面稍远的扩散层。三种模型参见下图： 双电层电容器的原理由于插入电解质溶液中的固体表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效

7、应，紧密的双电层近似于平板电容器。但是，由于电极材料的表面积大，紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器使用绝缘体隔开。这个绝缘层可以让电解液中的正负离子通过。该电解液本身不能传导电子。所以当充电结束后，电容器内部不会发生漏电（电子不会从一极流向另外一极）。当放电的时候，电极上电子通过外部电路从一极流向另外一极。结果是电极与电解液中的离子吸附显著降低。从而使电解液中的正负离子重新均匀分布开来。双电层电容器是基于碳电极和电解液界面之间形成的界面双电层电容来存储能量，其电极通常采用高比表面积的炭材料。充电时，电子通过外电源从正极传到负极，由于

8、静电作用电解液中的正负离子分别向负、正电极迁移并在其上定向排列形成双电层，在电极和电解液界面存储电荷；放电时电子通过负载从负极移至正极，正负离子则从电极表面释放并返回电解液本体，恢复到原来的无序状态。可见，双电层电容器的充放电过程是一个单纯的静电过程，没有电化学反应发生，因而可以瞬间大电流快速充放电，其循环充放电次数也没有理论上的限制。2. 氧化还原准电容器（Pseudo Capacitor）氧化还原准电容器也叫法拉第准电容器，是基于电极表面快速、高度可逆的化学吸附/脱附和法拉第氧化/还原反应产生的准电容来储存能量，其电极材料主要是金属氧化物和导电聚合物。在相同的电极面积情况下，准电容是双电层

9、电容的10倍100倍，但其瞬间大电流充放电的功率特性不及双电层电容器。并且由于材料的导电性能较差，材料发生氧化还原反应时结构容易被破坏，因此能量密度和循环性能相对较差。四、超级电容器的电极材料目前应用于电化学电容器的电极材料有炭材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料。一般认为炭材料则主要是双电层电容，再加上一些吸附假电容；而金属氧化物和导电聚合物主要是由于氧化还原反应而引起假电容。1. 碳材料电极碳材料作为已经商业化的超级电容器电极材料，研究已经非常深入，其包括活性炭（activated carbon，AC）、活性炭纤维（activated carbon fiber，ACF）、炭气凝胶（carb

10、on aerogels，CAGs）、碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）、石墨等，在这些电极材料表面主要发生的是离子的吸附/脱吸附（adsorption/desorption，a/d）。 活性炭（AC）通过不同工艺炭化、活化制备的AC 有很高的比表面积（10003000 m2/g），高的孔隙率，生产工艺简单且价格低廉，一直受到人们的青睐，是目前已经商品化的电极材料之一。对于活性炭，双电层的容量主要取决于电极中炭材料的比表面积和电导率。a. 活性炭的比表面积与活化理论上说, 活性炭材料的比表面积越高，比容量应该越大，但实际的情况却很复杂，通常测量得到的容量和表面积之间并不成线性

11、关系。实际上，有些表面积较小的炭材料的电容却比表面积较大炭材料的电容大。人们可以获得高的比表面积，但由此而计算的理论值与实际值相差较大。这种理论与实际的差别主要原因在于：由于电极微结构限制了电解液对电极内表面的润湿，使得炭电极的高表面积并没有被完全利用到。活性炭有很大一部分微孔（ 2 nm的中孔对于形成双电层电容比较有利，而孔径 2 nm的微孔则几乎没有双电层形成。对于非水电解液则该孔径值为5 nm。孔径太小，溶液不容易进入浸润这些微孔，而且在孔径尺寸与双电层大小相近的区域也不易形成双电层，因而那些有较大部分微孔的电极将会有很低的利用率。未经活化处理的AC 微孔过多，不利于电解液的浸润，不利于

12、双电层的形成，因此，开发高中孔率的AC是目前的研究重点。活化的方法有物理活化和化学活化两种。物理活化主要是在水蒸气、CO2和空气的存在下， 于7001000进行热处理。这些氧化性气氛的存在，能极大地增加材料的比表面积和多孔性，从而增大材料的比电容。化学活化是利用某些酸（如HNO3）或碱（如KOH）进行化学腐蚀，以增加材料的比表面积和表面官能团，或用表面活性剂（如油酸钠）对材料进行化学改性， 以提高电解液在材料中的浸润性，从而提高比电容。b. 活性炭的电导率由于活性炭或活性炭纤维的导电性不好, 通常需添加石墨、炭纤维等增大炭电极导电能力的材料, 并且作极化电极时要将它们装入金属壳内加压以便增加粉

13、末间或纤维间的导电性。为增加炭电极的导电性，有几种方法：一是烧结金属纤维的高导电基体和活性炭纤维紧密结合的电极技术, 用活性炭和镍纤维复合物作为电极, 这样电流可通过高导电性的金属相来传递, 可大大减少炭-炭接触的数目。二是研制高比表面积固体活性炭来制作电极, 这就是炭-活性炭复合物技术。在活性炭粉末中加入酚醛树脂或聚甲基丙烯酸甲酯等, 再经过固化、炭化制成炭-活性炭复合物。 活性炭纤维（ACF）活性炭纤维（ACF）是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料，高比表面积的活性炭纤维布是已商品化的电极材料之一。ACF 的制备一般是将有机前驱体纤维在低温（200400）下进行稳定化处理， 随

14、后进行炭化活化（7001000）。ACF 具有比表面积高、孔径分布窄、导电性好及比电容高的特点。 炭气凝胶（CAGs）炭气凝胶（CAGs）是唯一具有导电性的气凝胶，具有导电性好、比表面积大、密度变化范围广等特点，且轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。它的孔隙率高达80%98，典型的孔隙尺寸小于50 nm，网络胶体颗粒直径320 nm，比表面积高达6001100 m2/g，是制备双电层电容器理想的电极材料。CAGs 制备一般可分为三个步骤：即形成有机凝胶、超临界干燥和炭化。其中有机凝胶的形成可得到具有三维空间网络状的结构凝胶；超临界干燥可以维持凝胶的织

15、构而把孔隙内的溶剂脱除；炭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。目前影响CAGs 商业化应用的主要问题是其原材料昂贵、制备工艺复杂、生产周期长、规模化生产难度大等原因，导致炭气凝胶产品产量低、成本高，市场难以接受。目前CAGs 还未能实现产业化，不过具有相当大的应用前景。 碳纳米管（CNTs）从电容器的储电原理来看, 碳纳米管是理想的电极材料。首先碳纳米管是中空管，比表面积大，特别是单壁纳米管，有利于双电层电容的形成。另外，形成碳纳米管中碳为sp3杂化，用三个杂化轨道成环连在一起，一般形成六元环，还剩一个杂化键，这个杂化键可以接上能发生法拉第反应的官能团（如羟基、羧基等）。因

16、此CNTs不仅能形成双电层电容，而且还是能充分利用假电容储能原理的理想材料。除此之外，CNTs还具有化学稳定性好、导电性好和密度小等优点。然而，仅用CNTs 作ECs 的电极材料时，性能还不是很好，有可逆比电容不很高、充放电效率低、自放电现象严重和易团聚等不足，加之成本较高，暂时还不能很好地满足实际需要。 石墨烯（graphene）石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构碳材料，具有很大的比表面积（2675 m2 /g）、优异的导电性和导热性、很高的力学强度，符合高能量密度和高功率密度的超级电容器对电极材料的要求，是理想的超级电容器电极材料。2. 过渡金属氧化物电极过渡金属氧化物材料，如氧化钴、

17、氧化锰、氧化镍等，相对于碳材料具有很高的比电容，有着良好的电化学性能，其作为超级电容器电极材料显现出来的电容包括两个部分：双电层电容和法拉第电容，但是以法拉第电容为主。在电极表面主要包括两个过程， 离子的吸附/脱吸附（adsorption/desorption，a/d）和插入/脱出（insertion/extraction，i/e），尤其是纳米级别的过渡金属氧化物，有着良好的电化学性能，作为超级电容器电极材料的研究已有很多报道。3. 导电聚合物电极导电聚合物作为超级电容器电极材料具有良好的电子导电性, 且比容量大，通常比活性炭材料高23倍。在充放电过程中，电极内具有高电化学活性的导电聚合物进行

18、可逆的p型或n型掺杂或去掺杂，从而使导电聚合物电极存储高密度的电荷，产生大的法拉第电容。导电聚合物的p型掺杂过程是指外电路从聚合物骨架中吸取电子，从而使聚合物分子链上分布正电荷，溶液中的阴离子位于聚合物骨架附近，从而保持电荷平衡（如聚苯胺）；而n型掺杂过程是从外电路传递过来的电子分布在聚合物分子链上，溶液中的阳离子则位于聚合物骨架附近保持电荷平衡（如聚乙炔）。目前应用于超级电容器的导电聚合物主要有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANi）、聚噻吩（PIH）及其相对应的衍生物和聚对苯（PPP）、聚并苯（PAS）等。目前导电聚合物电极材料还存在着多次循环充放电以后离子传输较慢、直接用其作为电极材料的电容

19、器内阻较大等缺点。不断开发新型导电聚合物，改进导电聚合物电极材料的性能，优化超级电容器阴、阳极上聚合物的电化学匹配性是导电聚合物超级电容器研究的主要方向。4. 复合材料电极 和金属氧化物电极材料相比，碳材料单独作为超级电容器电极材料比电容较小，而过渡金属氧化物单独作为超级电容器电极材料结构致密，不利于电解液的浸润，导电性能较差。用导电性能较好的碳材料复合比电容较大的金属氧化物，如此一来很好地解决了问题。 碳材料中的多孔碳材料和碳纳米管均具有高比表面积、高导电率和化学稳定等优点，若能以多孔碳材料或碳纳米管为载体复合适当的导电聚合物，势必会大大改善电极材料的性能。 金属氧化物与导电聚合物的复合可以

20、将导电聚合物作为载体，通过模板（软模板和硬模板）、无模板等方法将其制备成相应的纳米结构，然后与纳米的金属氧化物进行复合。 有机-无机材料的复合能体现两种材料的协同作用，可以通过复合充分发挥两类材料的各自优势，改善电极的综合性能。五、对称与非对称超级电容器超级电容器按照正负电极是否为同一种物质可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。双电层电容器是最早出现的对称型超级电容器，两极主要由具有高比表面积的活性炭电极材料组成。非对称型超级电容器中，一极采用具有法拉第赝电容或传统电池的电极材料通过电化学反应来储存能量，另一极则采用具有双电层电容的电极材料来储存能量。非对称型电容器具有比常规电容器更高的

21、比能量和比二次电池更高的比功率。六、双电层电容器的电解液双电层电容器常用的电解液有两类：一是水溶液系电解液，一般为硫酸或氢氧化钾溶液，特点是有较低的内阻和较小的能量密度，但功率密度较大；二是有机电解液，种类较多，比如(C2H5)4NBF4、(C2H5)4PBF4、(C2H5)4PCF3SO3 等，溶剂有碳酸丙烯酯等。其特点是具有较高的分解电压和较大的内阻，同时能量密度也较高。近年来，又有关于使用聚合物电解液和凝胶电解液的报道。1. 水溶液电解质电容器双电层电容器用水溶液系溶液作为电解液时，操作技术简单，制作时不需要复杂的控制手段，而且无机电解液的离子较小，可以比较容易地进入炭电极的微孔形成双电

22、层，有较大的功率密度。水溶液系电解液一个比较明显的缺点就是水的击穿电压太低，影响电容器的能量储存。在标准热力学条件下，水的击穿电压为1.27 V；但是，其在实际溶液中的表观电压接近于1 V。一旦到达击穿电压，另一个电极将会有气体产生。为阻止气体反应发生，所有的商业电容器的操作电压都小于1 V，并且在双极式装置中考虑到不同电极组之间可能存在的不平衡，因此每一组电极的操作电压为0.67 V。低操作电压大大限制了双电层电容器储存能量的能力。此外，这些电解质具有腐蚀性，碳材料会出现缓慢氧化，这使得碳材料在用于长寿命器件制造方面受到限制。2. 有机电解质电容器与水溶液电解液相比，有机电解液的电导率比水溶

23、液电解液电导至少小一个数量级。但在实际器件中有机电解液的工作电压高达3.5 V，根据电容器的能量密度公式E = 1/2 CU2，比能量和电压的平方成正比，故有机电解液会大大地提高比能量。许多商业器件已使用了有机电解液。七、碳基扣式电容器的组装和测试扣式电容器的组成，包括封闭的壳体，壳体内的电极和电解液，电极包括正极集流体、正极导电涂层、隔膜、负极导电涂层、负极集流体组成。传统常用测量电容的方法两种：一是利用多谐震荡产生脉冲宽度与电容值成正比信号，仪器通过低通滤波后测量输出电压实现；二是采用电桥法，80年代后数字自动电桥的问世使电桥在内部微机的控制下自动平衡，直读得到最终结果。目前国内外对电容量

24、的测试常用积分法或斜率法测试电容。其原理是测试RC积分时间或以恒流源对被测电容充电，用充电时间或充电终止电压来计算被测电容的电容量。此法可以达到比较高的测试精度，测量范围广，读数方便，而且能够实现量程自动转换，方便可靠。扣式电电容器组装成型后，静置6小时，即可进行充放电实验。用电流方式对电容进行充放电。通过调节不同充放电的电流倍率以及不同的充放电电压来测量电容器的首次充放电容量和循环稳定性能。【实验用品】1. 试剂NaOH，KOH，乙醇，蒸馏水，泡沫镍，活性炭，未知炭，乙炔黑，聚四氟乙烯溶液，锡箔，扣式电池壳。2. 仪器各种玻璃仪器，分析天平，压片机，扣式电池封装机，电化学工作站，电池性能测试

25、仪。【实验步骤】一、扣式电容器的制备1. 泡沫镍的处理将泡沫镍剪成片状，依次在0.51 molL-1 H2SO4溶液、蒸馏水、0.51molL-1 NaOH溶液、蒸馏水中超声，再水洗至中性。将泡沫镍在50烘干，作为集流体备用。2. 炭材料的制备将多孔炭和未知炭与导电剂乙炔黑、聚四氟乙烯乳液粘结剂（15wt%）按8: 1: 1、7: 2: 1、6: 3: 1、5: 4: 1的质量比混和，并加入适量无水乙醇后调至浆状。3. 炭材料电极片的制备将炭材料均匀地涂在处理过的泡沫镍上，干燥后用铝片夹住，切成圆片状炭材料电极，在压片机上以15 MPa压力压成厚度均匀的薄片，然后在45下真空干燥12 h。将炭

26、材料均匀地涂在处理过的1cm 2cm泡沫镍上，填涂面积为泡沫镍面积的一半。干燥后用铝片夹住，在压片机上以15 MPa压力压成厚度均匀的薄片，然后在45下真空干燥12 h。将泡沫镍没有涂多孔炭的部分（包括背面）涂上绝缘胶，露出1cm 1cm的活性炭电极，晾干。4. 扣式电容器的组装 正极壳开口面向上，平放于玻璃板上。 用镊子小心夹取电容电极片，将涂布层向上，平整的放于正极壳的正中间。 用极细的玻璃滴管酌量吸取电解液，浸润正极片表面。 用镊子夹取隔膜，覆盖正极片。 吸取电解液润湿隔膜表面。可以用滴管前端轻轻触碰隔膜，使其平整、均匀，边缘与电池壳接触严密，避免褶皱。 夹取电容电极片置于隔膜正中。 夹

27、取垫片和弹片置于电极片上，严格对齐。 用镊子夹取负极壳覆盖。用镊子夹紧完成的电容器，在不发生漏液、内部滑移等现象的前提下置于压片机前，用纸巾擦净电容器表面，正极朝上置入压片槽。采用16 MPa的压强压制电容器。5 s后松开压片机油阀，取出成品电容器。将电容器在室温下贮存6-12 h，以备电容器测试。 称量电容器质量。二、扣式电容器的电化学性能测试三电极测试系统中电容的测试和计算方法：在电容测试实验中，以6molL-1 KOH溶液为电解液，工作电极为制备好的多孔炭电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，利用电化学工作站进行循环伏安或恒流充放电测试，获得材料的比电容数值。 循环伏安测试电压

28、范围设为-1.1 -0.1 V，扫描速率为10-50 mVs-1，得到循环伏安曲线。由公式 计算得到多孔炭的质量比电容值。其中C为质量比电容，单位：Fg-1；A为曲线的积分面积；S为扫描速率，单位：Vs-1；m 是质量，g；V为扫描电压范围，单位：V。 恒电流充放电测试通过新威电池性能测试系统，对电容器进行充电-放电测试。电压范围为-1.1 -0.1V，电流密度为1050 Acm-2，得到电容器的恒电流充放电曲线。由公式 计算得到多孔炭的质量比电容值。其中C为质量比电容，Fg-1；为电流密度，单位：Acm-2；t为充电或者放电时间，单位s；m 为质量，单位：g；V为电压范围，单位：V。 充电-

29、放电测试对电容器进行充电-放电测试。容量性能测试一般在不同电流密度下进行充放电循环；循环性能测试一般看循环100次后的保留容量与首次放电容量的比值，一般不应低于95%。根据测试报告分析获取三电极测试系统与扣式恒电流方法测试电容性能数据的差异。【数据处理与结果讨论】一、 循环伏安测试1. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 5: 4: 1A = 1.70656 * 10-4S = 0.002 V/sV = 0.20 Vm = 0.051375 gC = = 4.152 Fg-12. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 6: 3: 1A = 1.87228 * 10-4S = 0.001 V/sV = 0

30、.20 Vm = 0.065175 gC = = 7.182 Fg-13. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 7: 2: 1A = 3.62564 * 10-4S = 0.001 V/sV = 0.20 Vm = 0.066075gC = = 13.72 Fg-14. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 8: 1: 1A = 0.00102516S = 0.001 V/sV = 0.20 Vm = 0.092675gC = = 27.65 Fg-15. 未知炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 8: 1: 1A = 0.00252495S = 0.002 V/sV = 0.20 Vm = 0.082875 g

31、C = = 38.08 Fg-1将实验结果汇总如下：材料比例5: 4: 16: 3: 17: 2: 18: 1: 18: 1: 1(未知炭)C(Fg-1)4.1527.18213.7227.6538.08由上表的实验结果可得： 多孔炭与乙炔黑的比例越大，炭材料的比电容越大。并且，多孔炭的比例每增大10%，比电容增大50%； 在同样的炭与乙炔黑比例下，未知炭制成电容器的比电容比多孔炭更大。二、 恒电流充放电测试1. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 6: 3: 1垫片1 mm= 0.002Acm-2t = 65.0 sm = 3.7972 gV = 0.6 V = 0.0571 Fg-1= 0.0

32、1 Acm-2t = 11.0 sm = 3.8052 gV = 0.6 V = 0.0482 Fg-12. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 6: 3: 1垫片0.8 mm= 0.01 Acm-2t = 1.1 sm = 3.2055 gV = 0.2 V = 0.0172 Fg-1= 0.01 Acm-2t = 3.7 sm = 3.2055 gV = 0.6 V = 0.0192 Fg-13. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 6: 3: 1垫片0.5 mm= 0.01 Acm-2t = 1.6 sm = 2.9674 gV = 0.2 V = 0.0270 Fg-1= 0.01 Acm-2

33、t = 5.1 sm = 2.9674 gV = 0.6 V = 0.0286 Fg-1= 0.01 Acm-2t = 1.1 sm = 2.9674 gV = 0.2 V = 0.0185 Fg-14. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 7: 2: 1垫片1 mm= 0.01 Acm-2t = 10.8 sm = 3.7529 gV = 0.6 V = 0.0480 Fg-1= 0.01 Acm-2t = 3.8 sm = 3.7529 gV = 0.2 V = 0.0506 Fg-15. 多孔炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 7: 2: 1垫片0.5 mm= 0.01Acm-2t = 14.5 s

34、m = 3.0333 gV = 0.6 V = 0.0797 Fg-16. 未知炭: 乙炔黑: 粘结剂 = 8: 1: 1垫片1 mm= 0.01 Acm-2t = 29.1 sm = 3.8996 gV = 0.2 V = 0.373 Fg-1将实验结果汇总如下：序号比例垫片/mm质量/g电流/A/cm2t/sV/VC/Fg-116:3:113.79720.00265.00.65.71E-226:3:113.80520.0111.00.64.82E-236:3:10.83.20550.011.10.21.72E-246:3:10.83.20550.013.70.61.92E-256:3:10

35、.52.96740.011.60.22.70E-266:3:10.52.96740.015.10.62.86E-276:3:10.52.96740.011.10.21.85E-287:2:113.75290.0110.80.64.80E-297:2:113.75290.013.80.25.06E-2107:2:10.53.03330.0114.50.67.97E-2118:1:1(未知炭)13.89920.0129.10.237.8E-2由上表的实验结果可得： 多孔炭与乙炔黑的比例越大，炭材料的比电容越大； 垫片厚度为1mm时质量比电容更大； 同样的炭与乙炔黑比例，未知炭比多孔炭的比电容更大。

36、三、 电池性能（充放电次数）测试各个比例的电容器基本数据如下：序号比例垫片厚度/mm电流/A质量/gV/V16:3:10.510E-32.96740.626:3:1110E-33.80520.636:3:112E-33.79720.647:2:10.510E-33.03330.657:2:115E-33.75290.668:1:1未知炭110E-33.89920.2为了观察电容器的充放电寿命，下面，我将分开分析1-6组。1. 对第一组进行分析（序号1，比例6:3:1）电压&电流-时间图（500次循环）电压&电流-时间图（20-50次循环）第一组（序号1）电容分析：循环次数11002003004

37、00500电容/F17.2E-321.2E-319.5E-320.1E-320E-319.5E-3质量比电容/Fg-15.80E-37.14E-36.57E-36.77E-36.74E-36.57E-3效率/%100100100100100100注：电容器质量为2.9674g，效率由蓝电数据分析软件得出。可以看出，该扣式电容器五百次循环寿命无衰减并且质量比电容比用恒电流分析得出的要大。2. 对第二组进行分析（序号2，比例6:3:1）电压&电流-时间图（398次循环）电压&电流-时间图（20-50次循环）第二组（序号2）电容分析：循环次数2100200300397电容/F45E-340E-340

38、E-340E-340E-3质量比电容/Fg-111.83E-310.51E-310.51E-310.51E-310.51E-3效率/%100100100100100注：电容器质量为3.8052g，效率由蓝电数据分析软件得出。可以看出，该扣式电容器五百次循环寿命无衰减并且质量比电容比用恒电流分析得出的要大。3. 对第三组进行分析（序号3，比例6:3:1）电压&电流-时间图（56次循环）第三组（序号3）电容分析：循环次数216304455电容/F65E-370E-370E-370E-370E-3质量比电容/Fg-117.12E-318.43E-318.43E-318.43E-318.43E-3效率

39、/%100100100100100注：电容器质量为3.7972g，效率由蓝电数据分析软件得出。可以看出，该扣式电容器五十五次循环寿命无衰减并且质量比电容比用恒电流分析得出的要大。除此之外，该电容器的质量比电容比前两个的要大。4. 对第四组进行分析（序号4，比例7:2:1）电压&电流-时间图（344次循环）电压&电流-时间图（20-50次循环）第四组（序号4）电容分析：循环次数280160240340电容/F60E-340E-350E-350E-350E-3质量比电容/Fg-119.78E-313.19E-316.48E-316.48E-316.48E-3效率/%100100100100100注

40、：电容器质量为3.0333g，效率由蓝电数据分析软件得出。可以看出，该扣式电容器三百四十次循环寿命无衰减并且质量比电容比用恒电流分析得出的要大，前期因为电容器需要活化，所以比电容时高时低，到后边开始稳定。5. 对第五组进行分析（序号5，比例7:2:1）第五组（序号5）电容分析：循环次数260120180240电容/F45E-335E-340E-340E-340E-3质量比电容/Fg-111.99E-39.33E-310.66E-310.66E-310.66E-3效率/%100100100100100注：电容器质量为3.7529g，效率由蓝电数据分析软件得出。可以看出，该扣式电容器五百次循环寿命

41、无衰减并且质量比电容比用恒电流分析得出的要大，但是该电容器在这两百四十次循环中容量并不稳定。电压&电流-时间图（241次循环）电压&电流-时间图（20-50次循环）6. 对第六组进行分析（序号6，未知炭，比例8:1:1）电压&电流-时间图（198次循环）电压&电流-时间图（20-50次循环）第六组（序号6）电容分析：循环次数250100150196电容/F150E-390E-395E-395E-3100E-3质量比电容/Fg-138.47E-323.08E-324.36E-324.36E-325.65E-3效率/%100100100100100注：电容器质量为3.8992g。效率由蓝电数据分析

42、软件得出。可以看出，该扣式电容器五百次循环寿命无衰减但质量比电容比用恒电流分析得出的要小，这一点和活性炭有些不同。综合以上六组的分析，发现它们的共同规律有以下两点： 其质量比电容一开始不稳定，经过一定的循环次数后，逐渐趋于稳定数值； 循环寿命长，经过几百次循环后，其质量比电容值几乎不变，效率为100%，说明本次电容器制作工艺比较精良。不同点在于，活性炭制作的电容器其质量比电容值大于用恒电流分析法计算所得，而未知炭的质量比电容值小于用恒电流分析法所得。并且有的电容器开始时比电容值高，有的开始时低，因为数据有限，并且影响因素很多，所以很难分析原因，具体原因我猜测可能是冲放电时间、仪器等有影响。【实

43、验总结】经过这次自主设计实验，我的收获很多。同时，这次实验也有一些进行得不甚完美的地方，我总结出了几点可以改进之处： 同一项操作最好让一个人来做。控制无关变量后，比较不同条件下的数据才会有意义； 由于这个实验中，影响电容器性能的因素比较多，如炭材料比例，电解液成分，垫片厚度等。如果每个可能条件都做实验筛选，那么理论上需要做的实验数目将会非常多。所以，我认为可以用正交试验来设计实验方案。这样既可大大减少需要进行的实验数目，又可保证筛选条件的代表性。例如，恒电流充放电测试的实验方案可以这样设计：【思考题】1、如何提高电容器容量（比容量）？答：在超级电容器中, 有较高比容量(Cp)的电极材料是关键,

44、 它决定着电容器的主要性能指标。目前, 大多数商业化的电容器都是利用贮存在电极/电解液界面的双电层的能量。电化学双电层的容量通常约为10-40 F/cm2, 其电压受电解液的化学稳定性限制。提高电化学双电层电容器所贮存能量的方法之一就是利用高表面积材料如活性炭；另一方法就是利用法拉第假电容(电吸附或氧化还原过程)。另外，相同规格或不同规格的多个电容并联后的容量是它们各自容量之和。但要注意所在电路的电压，电容耐压必需大于该电压，不然会烧掉。2、封装材料中活性多孔炭与导电石墨的比例对扣式电容器容量的影响？答：炭电极具有有利于电荷积累的大表面和便于电解液润湿及离子快速运动的孔结构，是双电层能够迅速、顺利进行工作的理想电极材料。因此封装材料中活性多孔炭比例增加有利于提高扣式电容器的容量。炭结构和表面对电容量和放电速度也有一定的影响。炭电极材料孔径分布影响其比电容和充、放电速率。3、两种测试方法获得多孔炭电容比容量的差异性分析？答： 循环伏