实验二超级电容器的组装及性能测试实验指导书

实验二超级电容器的组装及性能测试实验名称：超级电容器的组装及性能测试所涉及课程：工程化学打算学时：4学时一、实验目的1．把握超级电容器的大体原理及特点；2．把握电极片的制备及电容器的组装；3．把握电容器的测试方式及充放电进程特点。二、实验原理1．电容器的分类电容器是一种电荷存储器件，按其贮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。传统静电电容器主若是通过电介质的极化来贮存电荷，它的载流子为电子。双电层电容器和法拉第准电容贮存电荷主若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映，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，因此它们二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模型以为金属表面上的净电荷将从溶液中吸收部份不规那么的分派离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧，离电极必然距离排成一排，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。双电层电容器的大体组成如图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非产生法拉第反映，所有聚集的电荷均用来在电极的溶液界面成立双电层。那个地址极化进程包括两种:（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、阳离子别离向正、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固，在正负极间产生相对稳固的电位差。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，这即是双电层电容的充放电原理。3．法拉第准电容器关于法拉第准电容器而言，其贮存电荷的进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映而将电荷贮存于电极中。关于其双电层电容器中的电荷存储与上述类似，关于化学吸脱附机理来说，一样进程为：电解液中的离子(一样为H+或0H-)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反映：MO+H+(OH-)+(-)e-fMO(OH) (1)x进入到电极表面活性氧化物的体相中，由于电极材料采纳的是具有较大比表面积的氧化物，如此就会有相当多的如此的电化学反映发生，大量的电荷就被存储在电极中。依照(1)式，放电时这些进入氧化物中的离子又会从头返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这确实是法拉第准电容器的充放电机理。在电活性物质中，随着存在法拉第电荷传递化学转变的电化学进程的进行，极化电极上发生欠电位沉积或发生氧化还原反映，充放电行为类似于电容器，而不同于二次电池，不同的地方为：(1)极化电极上的电压与电量几乎呈线性关系；当电压与时刻呈线性关系dv/dt€k时，电容器的充放电电流为恒定值。I€dv/dt€Ck (2)4．电容量及等效串联内阻的计算关于超级电容器的双电层电容能够用平板电容器模型进行理想等效处置。依照平板电容模型，电容量计算公式为：照平板电容模型，电容量计算公式为：(3),S(3)4兀d其中C为电容(F)；,为介电常数；S为电极板正对面积，等效双电层有效面积(m2)；d为电容器两极板之间的距离，等效双电层厚度(m)。利用公式dQ€idt和C€Q/申得TOC\o"1-5"\h\z•_dQ dqi— —C-dt dt式中，i为电流(A)；dQ是电量微分(C)；dt是时刻微分(s)；dq为电位的微分(V)。采纳恒流充放电测试方式时，关于超级电容，依照公式(4)可知，若是电容量C为恒定值，那么d€/dt将会是一个常数，即电位随时刻是线性转变的关系。也确实是说，理想电容器的恒流充放电曲线是一个直线，如图(a)所示。咱们能够利用恒流充放电曲线来计算电极活性物质的比容量：C二-X (5)mm•AV其中t为充/放电时刻(s)；AV为充/放电电压升高/降低平均值，能够利用充放电d曲线进行积分计算而取得：AV=—^„2Vdt (6)t—t121在实际求比电容量时，为了方便计算，常采纳t和t时的电压差值，即：21AV=V—V (7)21关于单电极比容量，式(5)中的m为单电极上活性物质的质量。假设计算的是电容器的比容量，m那么为两个电极上活性物质质量的总和。在实际情形中，由于电容器存在必然的内阻，充放电转换的刹时会有一个电位的突变A€，如图2(b)所示。利用这一突变可计算电极或电容器的等效串联电阻：R=A€/2i (8)其中R为等效串联电阻(0),i为充放电电流(A),A€为电位突变的值(V)。等效串联电阻是阻碍电容器功率特性最直接的因素之一，也是评判电容器大电流充放电性能的一个直接指标。四、实验(设计)仪器设备和药品清单仪器设备：电子天平、真空干燥箱、Land电池测试系统、压片机、扣式电池封装机、扣式电池钢壳等药品：MnO2、KOH、泡沫镍、乙炔黑、粘结剂(HPMC)、隔膜、去离子水等。五、实验内容与实验步骤1．超级电容器电极片的制备按75:15:10(wt%)称取活性物质MnO2、导电剂乙炔黑和粘结剂HPMC，加入适量去离子水，调成浆状。将浆料均匀涂敷于①=10mm的泡沫镍上(已称重)。真空120°C干燥1h、压片、称重，备用。制备工艺流程如图1所示。2．扣式超级电容器的组装将1中制备好的电极片作为电容器的正负极正负极之间用隔膜隔离；

(3)电解液为3mol・L-1的KOH；在电极片与电容外壳之间垫一层泡沫镍，使得电极片与电容外壳接触良好用封装机把扣式壳封好；具体组装方式如图2、图3所示。3．电化学性能检测(1)把组装好的扣式超级电容器连接到Land电池测试仪上；2)测试在室温下进行；采纳恒电流充放电的方式，设定充放电流均为5mA,充放电截止电压为4)计算电容器的比电容量及内阻。正极二-绝缘隔膜负极r正极二-绝缘隔膜负极r■泡沫棵片图2组装扣式电化学电容器的层次图黔壳正极负极外壳黔壳正极负极外壳六、注意事项1．必需严格依照操作规程进行实验；2．遵守实验室的规章制度，维持实验室及