毕业设计-新型超级电容器设计

-PAGEII--PAGEII-摘要超级电容器是性能介于电池与传统电容器之间的一种新型储能装置,具有比功率高、循环性能好、可快速充放电等优点,在电动汽车、UPS、航空航天、军事等领域有广阔的应用前景。根据储能原理，电化学超级电容器可以分为双电层电容器和法拉第赝电容器，其电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。在电化学超级电容器的研究中，其电极材料的研究更加引人注目，是因为电极材料是影响超级电容器性能的主要因素。目前，对超级电容器的研究主要集中在对高性能电极材料的制备上。本论文综述了电化学超级电容器及其电极材料的最新研究进展，并制备了复合电极材料,此外本文首先讨论了制备碳化钴/碳复合材料的碳前躯体,羧甲基纤维素比羧甲基纤维素钠更适合的前躯体,而后通过改变制备过程中无水碳酸钾的质量，来改变复合材料的比表面积，进而来改变超级电容器的比容量。以制备的碳化钴/碳复合材料为原料组装超级电容器，在1mol/L的KOH电解液、汞/氧化汞参比电极、以及铂片辅助电极的三电极体系中，采用恒电流充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等技术测试其电化学性能。关键词：超级电容器；碳；碳化钴；复合材料-PAGEIV-Novelelectrodematerialofsupercapacitor–cobaltcarbide/CcompositesAbstractSupercapacitorsarenewenergystoragedeviceswithintermediateperformancebetweenbatteriesanddielectriccapacitors,whichhavehighpowerdensity,longcycliclifeandshortcharge/dischargecapability,etc.Theyhavemultipleapplicationsincludingautomobiles,UPS,aeronauticsandastronautics,military,etc.Accordingtotheprincipleofenergy-storagetherearetwotypesofcapacitors:electricdouble-layercapacitorandfaradaypseudocapacitor.Generally,theelectrodematerialsofthesuper-capacitormainlyincludecarbonmaterials，metaloxidesandconductivepolymers.Itisconsideredthattheelectrode-materialsaretheimportantpartoftheelectrochemicalsuper-capacitor.Becauseofelectrodematerialsplayacrucialroleinsuper-capacitors.Nowadays，studiesonsupercapacitorsaremainlyfocusedonthepreparationofhighperformanceelectrodematerial.Inthisthesis,wehavereviewedthenewestdevelopmentinresearchofelectrodemate-rialsofelectrochemicalcapacitordevices，andpreparedcompositeelectrodematerials.Inaddition,wealsostudiedtheeffectofcarbonprecursorsusedinthepreparationofcobaltcarbide/carboncomposites.Carboxymethylcelluloseismuchmoresuitablethancarboxymethylcellulose.AcertainamountofK2CO3wasusedtoadjustthespecificareaofthecarboncompositeswiththegoalofobtaininghighcapacitance.Thecobaltcarbide/carboncompositeswasstudiedusingathreeelectrodessystem,inwhich1mol/LKOHwasusedaselectrolyte,HgO/Hgelectrodeasthereferenceelectrode,aplatinumplateasauxiliaryelectrode.Measurementofconstantcurrentcharge-discharge,cyclicvoltammetry(CV)andelectrochemicalimpedancespectroscopy(EIS)wereperformedtotesttheelectrochemicalpropertiesofthecobaltcarbide/carboncomposites.KeyWords：Supercapacitors;Carbon;Cobaltcarbide;Composites目录摘要 IIAbstract III引言 11综述 21.1概述 21.2超级电容器国内外研究状况 31.3超级点容器的性能指标 41.4超级电容器储能原理与分类 51.4.1双电层电容器 51.4.2法拉第赝电容器 71.5超级电容器的特点和应用 81.5.1超级电容器的特点 81.5.2超级电容器的应用 91.6超级电容器电极材料研究进展 101.6.1碳电极材料 101.6.2金属氧化物材料 131.6.3导电聚合物材料 141.7碳材料性质 141.7.1比表面积 151.7.2孔径分布 151.7.3表面化学性质 151.7.4导电性 161.7.5润湿性 162实验部分 172.1超级电容器的电极材料的制备 172.1.1实验药品以及仪器 172.1.2碳化钴/碳材料的制备过程 182.2超级电容器电极片的制备 182.2.1实验药品及实验仪器 182.2.2制片过程 193电化学性能测试方法以及电容的计算 193.1测试方法 203.1.1循环伏安法测试 203.1.2恒电流充电和放电测试 203.1.3交流阻抗测试 203.2电容的计算 213.2.1循环伏安曲线电容量的计算方法 213.2.2恒流充放电曲线比容量的计算 224实验结果及讨论 234.1电化学测试仪器及测试体系 234.1.1测试仪器 234.1.2测试体系 234.2碳化钴/碳复合材料电极的循环伏安特性 234.2.1不同的碳的前躯体对碳化钴/碳复合材料电极的循环伏安特性曲线的影响 244.2.2不同扫描速度对碳化钴/碳电极的循环伏安特性的影响 244.2.3不同质量的碳酸钾制备的碳化钴/碳复合材料电极的循环伏安特性曲 264.2.4酸洗后碳化钴/碳复合材料的循环伏安特性曲线 274.3碳化钴/碳复合材料电极的恒流充放电曲线 284.3.1碳化钴/碳复合材料电极的恒电流充放电曲线 284.3.2不同充放电流对碳化钴/碳超级电容器比容量的影响 284.3.3无水碳酸钾量对碳化钴/碳复合材料的恒电流充放电性能的影响 294.4碳化钴/碳复合材料超级电容器的交流阻抗图谱 30结论与前景展望 335.1结论 335.2前景展望 33参考文献 34主要符号表及说明 36致谢 37PAGE2–PAGE38–引言伴随人口的急剧增长和社会经济的快速发展，资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源。有的学者则更进一步认为21世纪将是以电池为基础的社会。近年来在许多储能装置应用方面对功率密度的要求越来越高，已超过了当前水平电池的标准设计能力。一般除要求成本低、寿命长外，更希望有更高的单位重量或单位体积的能量密度(Wh/kg)或更大的功率密度(W/kg)。传统的二次电池，如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等由于比功率密度较低，一般不超过500W·kg-1，很难满足高功率密度的储能要求，而传统的电解电容器由于极低的能量密度也不能满足要求，超级电容器(SC)正是在这样的背景下产生的。“超级电容器”一词来自20世纪60年代末日本NEC公司生产的电容器产品“Super-capacitor”。它泛指具有很高功率和高能量密度的电容器。所谓“超级电容器”本质上是根据电化学原理设计、制造出来的，因此它又被称为电化学电容(ElectrochemicalCapacit-ors，EC)。超级电容器在功率特性方面具有独特的优势，尽管它们的能量密度比充电电池低，但其功率密度大，可作为功率脉冲能源，能大电流瞬时充放电，在电动汽车中可作为车辆的启动、加速、爬坡时提高功率和刹车时回收能量的重要器件;和电池组合使用时可防止电池的过量消耗和劣化。高能量密度的电池和高功率密度的电容器具有不同的功能，也有着不同的应用领域。日本在20世纪70年代末期首先开发了具有数法拉(F)容量并可快速充放电的双电层电容器(EDLCElectricDoubleLayerCapaci-tor)，作为小型后备电源使用，近年来随着超级电容器制备技术的不断进步和相关应用领域的发展，其潜在的应用前景已引起人们的高度重视，研究和开发工作也日益活跃。1综述1.1概述超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,其容量可达几百至上千法拉。与传统电容器相比,它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命;而与蓄电池相比,它又具有较高的比功率,且对环境无污染。因此可以说,超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。几种能量存储装置的性能比较如表1.1所示[1]。表1.1能量存储装置性能比较元器件比能量/Wh·kg-1比功率/W·kg-1充放电次数/次普通电容器<0.2104～106>106超级电容器0.2～20.0102～104>104充电电池20～200<500<104表1.2超级电容器主要应用领域应用领域典型应用性能要求RC时间常数静止同步补偿器、电力系统动态电压补偿器、高功率、高电ms～s分布式发电系统压、可靠记忆贮备消费电器、计算低功率、低电压s～min～h机、通信电动车、高功率、高电压<2min负载调节空间能量束高功率、高电压、可靠<5s电子枪、SDI、电军事子辅助装置、消声可靠ms～s装置工业工厂自动化、遥控<1s汽车辅助催化预热器、用装置回热器刹车、冷起动中功率、高电压s超级电容器的发展始于20世纪60年代,起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。但到了20世纪90年代,由于混合电动汽车的兴起,超级电容器才受到广泛的关注并开始迅速发展起来。现今,大功率的超级电容器被视作一种大功率物理二次电源,各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。目前,超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注,如基于双电层电容储能的静止同步补偿器和动态电压补偿器等,国内外对他的研究和应用正在如火如荼地进行。此外,超级电容器还活跃在电动汽车、消费类电子电源、军事、工业等高峰值功率场合。超级电容器主要应用领域如表1.2所示[1]。1.2超级电容器国内外研究状况超级电容器由于具备高比功率、长循环寿命等特点，在用于计算机备用电源、信号灯电源以及其它需要快速大电流充放电的电源系统时，具有独特的优势。此外，它在航空航天方面也有许多潜在的用途，因而超级电容器的研究与开发受到了各方的高度重视，例如，日本设立了新电容器研究会，美国设立有SupercapacitorSymposium，每年定期召开研讨会。国内也有许多学者从事这方面的研究。美国能源部对电动车用超级电容器的开发制定的目标为比功率达到1500W/kg，比能量达到15Wh/kg[2]。在超级电容器产业化方面，美国、日本、俄罗斯处于领先地位，几乎占据了整个超级电容器市场，这些国家的超级电容器产品在功率、容量、价格等方面各有自己的特点与优势。从目前的情况来看，实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容器。美国Powerstor、Maxell、Evans公司和LosAlamosNationalLab、PifinacleResearchInstitute均在超级电容器的研制开发方面作了大量工作，尤其Maxen公司，开发的超级电容器已在各种类型电动车上都得到良好应用，其PC系列产品体积小、内阻低长方体形结构，产品一致性好，串并联容易，但价格较高[3]。日本NEC、松下、EPCOS、本田公司、Tokin公司等在超级电容器方面的研究也很活跃，并已开始积极推向市场，其产品多为圆柱体形，规格较为齐全，适用范围广，在超级电容器领域占有较大市场份额。本田公司在其开发出的燃料电池电动汽车中，在第一代和第二代电动车中使用可充电池提供峰值功率，而在其第三代和第四代燃料电池电动车FCXZV3和FCXZV4中则分别使用了本田自己开发的超级电容器来取代蓄电池，一方面可以降低汽车的质量和体积，电容器也不需要电压控制器，使整个系统效率增加;另一方面电容器的瞬时充放电能力优于蓄电池，在刹车期间可以回收更高的能量。本田的测试结果表明，使用电容器时燃料效率和加速性能均得到明显提高[4]。俄罗斯ECOND公司对超级电容器已有25年的研究历史，该公司代表着俄罗斯的先进水平，其产品以大功率超级电容器产品为主，适用于作动力电源，且有价格优势;早在1996年俄罗斯Eltran公司就已研制出了采用纯电容器作电源的电动汽车样品，采用300个电容串联，可载20人，充电一次可行驶12km，时速25km[3]。此外，法国SAFT公司、澳大利亚Cap-xx公司、韩国NESE等也都在加紧电动车用超级电容器的开发应用。在我国，大庆华隆电子有限公司是首家实现超级电容器产业化的公司，其产品有5.5V、3.5V、11V等系列;2000年7月，北京金正平科技有限公司和石家庄开发区高达科技开发有限公司共同研究开发成功大功率超级电容器产品，并已开始批量生产，其技术水平已与俄罗斯相近。另外，锦州电力电容器有限责任公司、北京有色金属研究总院、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、解放军防化院、哈尔滨巨容公司、上海奥威公司等在电动车用超级电容器的开发方面也开展了系列工作，国家十五计划“863”电动汽车重大专项攻关中已将电动车用超级电容器的开发列入发展计划。但从整体来看，我国在超级电容器领域仍明显落后于世界先进水平，预计超级电容器将在近期得到迅速发展。表1.3列出了世界范围内超级电容器的研究概况[1]。表1.3世界范围内超级电容器的研究概况国家机构产品性能能量密度功率密度日本松下3V/800-2000F3-4200-400法国/美国Saft/Alcatel3V/130F3500澳大利亚Cap-xx3V/120F6300日本NEC5-11V/1-2F0.55-10俄罗斯ELIT450V/250F1900-1000美国Maxwell3V/1000-2700F3-5400-600瑞典Superfarad40V/250F5200-300美国Powerstor3V/7.5F0.4250美国LANL2.8V/0.8F1.22000美国Pinnacle100V/15F0.5-0.6200美国Evans28V/0.02F0.130000俄罗斯ESMA17V/20Ah8-1080-1001.3超级点容器的性能指标目前,对超级电容器性能描述的指标有[5]:(1)额定容量。指按规定的恒定电流(如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A,200F以下的为3A)充电到额定电压后保持2～3min,在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值,单位为法拉,F(2)额定电压。即可以使用的最高安全端电压。此外还有浪涌电压,通常为额定电压的105%;击穿电压,其值远高于额定电压,约为额定电压的1.5～3倍,单位为伏特(V)。(3)额定电流。指5s内放电到额定电压一半的电流,单位为安培(A)。(4)最大存储能量。指额定电压下放电到零所释放的能量,单位为焦耳(J)或瓦时(Wh)。(5)能量密度,也称比能量。指单位质量或单位体积的电容器所给出的能量,单位为Wh/kg或Wh/L。(6)功率密度,也称比功率。指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能承受电流的能力,单位为kW/kg或kW/L。(7)等效串联电阻(ESR)。其值与超级电容器电解液和电极材料、制备工艺等因素有关。通常交流ESR比直流ESR小,且随温度上升而减小。单位为欧姆(Ω)。(8)漏电流。指超级电容器保持静态储能状态时,内部等效并联阻抗导致的静态损耗,通常为加额定电压72h后测得的电流,单位安培(A)。(9)使用寿命。是指超级电容器的电容量低于额定容量的20%或ESR增大到额定值的1.5倍时的时间长度。因为此时可判断为其寿命终了。(10)循环寿命。超级电容器经历1次充电和放电,称为1次循环或叫1个周期。超级电容器的循环寿命很长,可达10万次以上。1.4超级电容器储能原理与分类超级电容器（surpercapacitor,ultacapcitor）的学名为电化学电容器（electr-ochenicalcapacitor），也称超大容量电容器、金电容器等[6]。根据储存静电能量机理的不同，可以分为双电层电容器和法拉第赝电容器两大类。一般将碳基材料为电极的电容器为双电层电容器，其储能机理为双电层储能；而将在充放电过程中发生氧化还原反应，能形成法拉第赝电容的电容器称为法拉第赝电容器或法拉第准电容器，以贵金属氧化物RuO2为电极材料制备的电容器最具代表性；近几年又出现了导电聚合物为电极材料的电容器，同样也属于法拉第赝电容器的范畴。实际上超级电容器的电容同时包含了双电层电容和法拉第赝电容，只不过两者所占的比例不同。1.4.1双电层电容器传统电容器是在相向的金属平板电极间夹持介电常数高的物质(如云母)，当两极间施加电压时可存储符号相反的电荷，并能很快地放出，即以纳秒脉冲方式操作，其存储电荷容量很小，每平方厘米仅为皮(Pico-，10-12)至纳(Nano-，10-9，)法拉(farads)级，是一种物理电容器。EDLC与传统电容器相比，其物理现象和组成材料明显不同，双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的。一对固体电极浸在电解质溶液中，当施加低于溶液的分解电压时，在固体电极与电解质溶液的不同两相间，电荷会在极短距离内分布、排列。作为补偿，带正电荷的正极会吸引溶液中的负离子，相反，负极就会吸引正离子，从而形成紧密电双层(ElectricDoubleLayers)，在电极和电解液界面存储电荷，由于界面上存在于位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，过程中的电流基本上是由电荷重排而产生的位移电流，伴随双电层的形成，在电极界面形成的电容被称为双电层电容。能量以电荷或浓缩的电子存储在电极材料的表面，充电时电子通过外电源从正极传到负极，同时电解质本体中的正负离子分开并移动至电极表面;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移动返回电解质本体中。为形成稳定的双电层，必须采用不和电解液发生反应且导电性能良好的电极材料，还应施加直流电压，促使电极和电解液界面发生“极化”。图1.1双电层电容器原理示意图EDLC可用最简单的平行板电容器模型(Helmholtz模型)来表示如图1.1所示[7]，其静电容量C与电极面积S成正比，与平板电极间距离成反比。在EDLC中电极表面至离子中心的距离δ即所谓电双层厚度，它取决于电解液的浓度以及离子的大小，对于高浓度电解液则在0.5nm-1.0nm范围。若电解质溶液的介电常数为ε，则其静电容量为式(1.1):C=由于每一单元电容器有两个电极，可视为两个串联的电容器，因此电双层电容器所存储的电量q与施加电极间电压V静电容量C如式(1.2):q=显然，为了使EDLC有效地存储更多电荷，要求极化电极应该有尽可能大的比表面积且电解液中的离子能完全接近，从而形成更大面积的电双层。正因为如此采用高表面积活性炭作电极的EDLC比一般陶瓷或铝电解电容器储存的电荷多得多，所积存的电量也比后者大10万至100万倍。1.4.2法拉第赝电容器法拉第赝电容器和双电层电容器的储能机理是不同的，从本质上说，双电层电容属于静电电容，而法拉第赝电容则是在电极表面或内部的二维或准二维空间内，由于电活性物质进行欠电位沉积，或发生快速可逆的氧化还原反应，使电极存储高密度的电荷形成的。法拉第赝电容器的特点是:l)极化电极的电压几乎与电量呈线性关系;2)当电压随着时间呈线性变化时，电容器的充放电流为一恒定值;3)与双电层电容器在充电过程中会消耗电解液不同，法拉第赝电容器在整个充放电过程中电解液浓度保持相对稳定。法拉第赝电容器主要有两种类型:金属氧化物电容器和导电聚合物电容器。法拉第赝电容器按电极材料的不同可分为金属氧化物电化学电容器和导电性高分子聚合物电化学电容器,即法拉第赝电容[8]。对于电化学电容器,其存储电荷的过程不仅包括双电层上的存储,而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应导致的电荷在电极中的储存。与双电层超级电容器的静电容相比,相同表面积下的电化学电容器的容量要大10～100倍。由于贵金属氧化物RuO2制作的电极具有典型的法拉第赝电容器特征，其储能是相同比表面积活性炭的10—100倍，而电阻却低2个数量级，所以在双电层电容器发展的同时赝电容电容器也受到了广泛的关注。其中水合氧化钌因其高达863F·g-1的比容量而集聚发展潜力。以RuO2为电极材料的超级电容器首先在美国研制出来，并应用于激光武器和导弹导向系统中。虽然RuO2超级电容器已实现商品化，但由于RuO2资源稀少，价格昂贵，限制了它的民用化，目前仅在军事及航天领域应用。将RuO2和其它物质如活性炭组合，形成复合电机的研究很多;用过渡金属代替贵金属氧化物RuO2也是该领域的一大研究热点。现在研究较多的过渡金属有：钴、镍、锰、钼、钒等，但还停留在实验室阶段，因为其性能还还难以达到期望值，距离商品化还有很大差距。在法拉第电荷传递的电化学变化过程中，H或一些碱金属(Pb，Bi，Cu)在Pt或Au上发生单层欠电势沉积或多孔过渡金属氧化物(如RuO2，IrO2)发生氧化还原反应时，其放电和充电过程有如下现象:l)两极电压与电极上施加或释放的电荷几乎呈线性关系;2)如果该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K，则产生恒定或几乎恒定的电流I=CdV/dt=CK。此过程高度可逆，具有电容特征，但又和界面双电层电容形成过程不同，反应伴随有电荷的转移，进而实现电荷与能量的储存。为了与双电层电容相区别，称这样得到的电容为法拉第准电容。1.5超级电容器的特点和应用1.5.1超级电容器的特点超级电容器与电钽容、铝电解电容相比较，电容量大得多;与充电电池相比，可作为功率辅助器，供给大电流。超级电容器最适合用于要求能量持续时间仅为10-2s—102s的情况，其电量的储存是通过离子的吸脱附而不是化学反应，故能快速充放电，并可用来回收能量。充电电池在反复充放电时电极的结晶结构会变差甚至最终不能再充电，即寿命问题，而超级电容器在充放电时仅产生离子的吸脱附，电极结构不会发生变化，因此其充电次数原理上没有限制，且充电效率高，不需要维护，对过充电或过放电有一定的承受能力，可稳定地反复充放电。另外，在毫秒到秒的数量级内短时间过压一般不会使装置产生严重影响，但长时间过压也会使超级电容器的寿命降低，因为电解液分解的气体可能引起泄漏，甚至使装置破裂。在低温时电池中化学反应速度极慢而超级电容器中离子的吸脱附速度变化不大，故其容量变化也比充电电池小得多。单元电容器的电压在放电过程中直线下降，故易于检测其残留的电量。同时，它也不用贵金属，故环境污染小，适用于作为保护环境的新型辅助电源。用碳电极的超级电容器有更长的自身寿命和循环寿命，多数充电电池如果几个月不用则由于自放电和腐蚀，其性能将明显降低，甚至基本不能再用，超级电容器超过一定时间会自放电到低压，但仍能保持其容量，且能充电到原来的状态，即使几年不用仍可保留原有的性能指标。超级电容器在几秒钟高速深度循环50万-100万次，其特性变化很小，容量仅降低10%-20%，而电池即使在放电深度很小(仅为10%一20%时)也不可能如此[9]。大容量的超级电容器的能量密度可达10Wh/kg-10wh/kg，功率密度也能保持在102w/kg-103w/kg，它们可与太阳能、风能等洁净能源配套使用，在电动汽车中作为功率脉冲能源。然而，超级电容器的能量密度在原理上难以超过充电电池，另外，它们在充放电时电压会变化，为了充分发挥其性能特征，整个电路系统要作适当的配置[10]。1.5.2超级电容器的应用超级电容器的用途根据其放电量、放电时间以及电容量大小，主要用作后备电源、替代电源和主电源等:(1)作后备电源:目前超级电容器应用最大的部分是电子产品领域，主要是充当记忆器、电脑、计时器等的后备电源。当主电源中断、由于振动产生接触不良或由于其它的重载引起系统电压降低时，超级电容器就能够起后备补充作用。其电量通常在微安或毫安级。一些典型的应用是:录像机、TV卫星接受器、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波接受器、出租计费器、闹钟、控制器、家用面包机、咖啡机、照相机和电视机、计数器、移动电话、寻呼机等。在这些应用中，超级电容器的价格比可充电电池低。其最大好处是寿命长、循环次数多、充电快以及环境适应性强。(2)作替代电源:由于超级电容器具有高充放电次数、寿命长、使用温度范围宽、循环效率高以及低自放电，故很适合这种应用。例如白昼—黑夜的转换。白天太阳能提供电源并对超级电容器充电，晚上则由超级电容器提供电源。典型的应用是:太阳能手表、太阳能灯、路标灯、公共汽车停车站时间表灯、汽车停放收费计时灯、交通信号灯等，它们能长时间使用，不需要任何维护。(3)作主电源:通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几秒的大电流。放电之后，超级电容器再由低功率的电源充电。其典型的应用是:带有充电10s后可提供几十秒功率超级电容器的玩具车，其体积小、重量轻，故能很快跑动;即使当故障发生时，超级电容器也能自动防止故障，而过去通常用的是弹簧系统。另外，带有超级电容器的传动器不仅小巧、而且便宜和快捷，例如:由铅酸电池充电不到一分钟的超级电容器启动器可使柴油发动机在很低的温度下也能启动，从而使电池系统体积缩减50%，电池寿命将增加两倍。(4)新领域中的应用:低价格、高容量和高使用电压的超级电容器将激发一个巨大的新市场。例如，在电动车(EV)、混用动力车(HEV)以及燃料电池车的应用中，可作为一个具有高功率、短时间存储能量的装置，并且可回收刹车时得到的能量使之再次用在车辆的加速和支持加速中。使主电源(电池[EV]、内部燃烧发动机[HEV]、燃料电池等)的大小缩减并在优化的状态下运行。此外，医院、仓库或工厂的搬运车、飞机场的公共汽车、轮椅、小孩及娱乐微型车等也为超级电容器提供了用武之地，与前述的玩具车类似，当人或货物上载和下载时，超级电容器在停车的过程中可迅速再充电。在现代通讯领域，电池和超级电容器的混用可大大提高功率输出和延长电池寿命，超级电容器释放脉冲功率的最大部分，在脉冲之间，电池又给超级电容器充电。一些工业过程(如半导体、化学、制药、造纸、纺织工业)对电源的短暂中止和混乱非常敏感，并且会引起昂贵的生产损失。从几秒到几分钟的UPS(不间断能量系统)装置可以保护这些敏感负载。超级电容器对于这些应用能提供更好的能量对功率的比率，并且缩减这类系统的大小和成本，使得它们更加可靠。军事和空间应用中都使用各种各样的传动器，如潜艇系统中的排水控制、海军航行器的发射、坦克和卡车在很冷或很热情况下的启动、运载火箭上强行引导控制传动器、雷管、脉冲激光等等以及燃料电池的动力响应也都可以用超级电容器来激发。如果仅仅需要部分燃料电池的能量(如晚上)，那么超级电容器就能提供基本负载，燃料电池其它的辅助系统(泵、压缩机)就可关闭，这将提高效率。超级电容器还可与电池或传统电容器组合成多动力系统，电池提供基本的负载电力或在低功率给超级电容器充电，这种组合系统应能与仅有电池的系统相抗衡。同样，如果所需的能量仅仅在很短的时间，那么传统电容器与超级电容器也可以组合。在这种情况下，电介质电容器释放峰功率。1.6超级电容器电极材料研究进展为开发出性能优良的超级电容器，从材料角度而言，至关重要的就是适合超级电容器应用的在不同电解液中具有较高比容量的电极材料的开发，所选电极材料必须容易在电极/电解质界面上形成较高的双电层电容或法拉第赝电容，并具有适当的力学稳定性，以及良好的离子、电子导电性。目前主要集中在碳基材料、稀有金属氧化物和导电聚合物等材料的研究。1.6.1炭电极材料相比于其它两种电极材料，炭材料以其价廉易得、性能优异而受到重视，并得到广泛研究。双电层电容器要求电极的导电率高且不与电解质发生分解或电化学反应，表面积应尽可能大，价格便宜，成型性好。可用做电化学超级电容器电极的炭材料主要有活性炭粉末、炭黑、炭纤维、玻璃炭、炭气溶胶、纳米炭管等[11-15]。在一系列炭电极材料中活性炭成本最低，它也是超级电容器最早采用的炭电极材料。对于炭材料，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25pF/cm2，若比表面积为1000m2/g，则电容器比容量为200F/g。目前碳的比表面积可达200m1）活性炭粉末活性炭粉末的工业生产和应用历史悠久，并且原料丰富，价格低廉，电化学稳定性好，最早用于超级电容器电极材料。制备活性炭的原料来源丰富，石油、煤、木材、坚果壳、树脂等都可用来制备活性炭粉。原料不同，生产工艺也略有差别。原料经调制后进行炭化活化，活化方法分物理活化(采用C02、水蒸气为活化剂)和化学活化(ZnC12、比P04、KOH等为活化剂)。原料和制备工艺决定了活性炭的物理和化学性能。为了提高双层电容器的容量，研究者们开发了一系列的高比表面积活性炭，日本曾报道用石油沥青为原料开发了超高比表面积(2500-3000m2/g)活性炭用作双层电容器，但这种材料并不理想，因此又兼顾孔径分布、表观密度等性能开发了很多活性炭，同时考虑了质量比容量、体积比容量，随着活性炭工业的发展，新的制备方法和新产品不断出现。近些年开发的中间相碳微球(MCMB)活化后制得的活化MCMB，具有比表面积高、中孔率高、电阻低等特点，特别适合制备双层电容器电极，这方面的研究非常活跃[11]。酚醛树脂作为最早出现的人工合成聚合物，因其生产工艺成熟、价格低廉、炭化收率高、易于成孔而受到人们的关注。以酚醛树脂为原料，采用KOH为活化剂，制得比表面积1900m2的活性炭，其在lmolL-1H2SO4水溶液中的比电容量为100Fg-1[17]。采用比表面积约1500m2g-1的酚醛树脂热裂解炭作为电极材料，Et4NBF4-PC为电解液，组装成双电层电容器，在2.5v工作电压时，碳材料的比容量为222.5Fg-1，。张琳等则以酚醛树脂为原料，Na0H为活化剂，考察了制备条件对活性炭性能的影响，制备的活性炭比容量为58.8Fg-1。在酚醛树脂中掺入易于裂解且残炭2）活性炭纤维活性炭纤维是20世纪70年代初发展起来的一种吸附性能优于活性炭的活性吸附材料，它以木质素、纤维素、酚醛纤维、聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维等为原料，经炭化和活化而成。与活性炭相比，活性炭纤维具有独特的微孔结构，更高的比表面积和表面官能团。由于其密度比活性炭粉末低，因此可产生比活性炭更高的质量比容量。同时，在组装的过程中，可以不添加粘结剂，减小了内阻。早在1990年，采用活性炭纤维布作为极化电极材料，研究了其在有机电解质中的电化学性能。通过快速热解中间相沥青基炭纤维中的嵌入化合物，制备出分层的活性炭纤维，比表面仅有330m2g-1，但在lmolL-1H2SO4溶液中，比容量达到117Fg-1;经空气活化后，虽然炭纤维的比表面没有明显变化，但比容量增大为160Fg-1。可见活性炭纤维具有优良的电容特性。日本松下电器公司专门建立了ACF生产线，为制造小型高效电容器提供电极材料。用KOH对普通炭纳米纤维活化改性，活化后比表面由13m2g-1，增至212m2g-1，同时还探讨了炭纳米纤维及活性纳米碳纤维的电化学行为:在6MKOH电解液中，普通对活性炭纤维进行了氧负等离子体改性处理，经改性后，活性炭纤维的比表面积从1500m2g-1增至2103m2g-1,微孔和10nm左右的中孔增加，相应地孔隙也增大了，质量比容量最大达到142Fg-1。氧富勒烯经过超声分散在活性炭纤维中构成复合电极，电化学性能优于活性炭纤维电极。随着超声处理时间的延长，富勒烯团聚体逐渐分散，粒径可小于0.1μm，而比容量则逐渐增大，1%C60负载电极的比电容超过172Fg-1，其循环性能也优于活性炭纤维。3）炭纳米管炭纳米管是1991年日本NEC公司的研究人员发现的一种新型纳米级炭材料。这种一维碳材料由类似石墨的六边形网格组成，管子一般由多层构成，两端封闭，直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米。炭纳米管由于其巨大的比表面积和良好的导电特性而被认为是电化学电容器的理想电极材料。炭纳米管电极具有比活性炭电极高得多的比表面积利用率。对于活性碳电极来说，组成其大部分比表面的小微孔对双电层电容量基本没有贡献，因而限制了其电容量。而碳纳米管的孔是由管间空隙形成，孔径为2-5nm，全部属于中孔范围，从而具有很高的比表面积利用率。所以尽管目前大量生产的炭纳米管比表面积比活性炭低，但其电容指标已经接近甚至超过了活性炭。基于炭纳米管薄膜的电极比表面积为430m2g-1时，比电容达到49Fg-1。在0.2MHN03中对多孔炭纳米管(MWNT)进行电化学氧化，打开封闭帽端，对双电层电容器性能的影响。结果表明，氧化后的MWNT比电容显著提高，最大比电容可达335+13.1Fg-1，是普通MWNT(32.7+7.1Fg-1)的114）炭气凝胶炭气凝胶是一种大比表面积、高孔隙率、密度分布范围广的中空网状结构的纳米级轻质非晶体中孔炭材料，在酸性和碱性电解质中化学稳定性高，且具有独特的热学和光学特性，由R.W.Pckala等人于1987年首次合成。电导率测试结果表明，炭气凝胶在很宽的温度范围内具有很高且很稳定的电导率。在制作电极的过程中有可能不使用薪结剂。因此，美国LLNL公司认为炭气凝胶有望成为一种可在一个很宽的温度范围内使用的新型电容器电极材料。炭气凝胶通常可以采用间苯二酚-甲醛或苯酚-呋喃甲醛作为原料，先通过溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺得到有机凝胶，再经碳化制得[14]。体系中反应物的配比浓度影响着炭气凝胶的网络结构、疏密程度，即炭气凝胶的介孔尺寸，而催化剂的浓度则决定了炭气凝胶单个颗粒的尺寸。利用甲酚和甲醛的缩聚反应制得有机凝胶，在900℃碳化得到炭气凝胶，并对该气凝胶进行不同程度的CO2活化，研究它们在30%KOH水溶液中的电化学性能[15]。结果表明,CO2活化可使炭气凝胶的比表面积从245m2g-1增大到1418m2g-1，比电容从78Fg-1上升到146Fg-1，，当电流密度从1mAcm-2增大为20通过在活性碳气凝胶上引入乙烯基三甲氧基硅烷制备了改性活性炭气凝胶，并以此作为双电层电容器的电极材料，不仅降低了电解液离子传输的内阻，也提高了可形成电双层的表面面积，获得了更高的比容量和能量密度。1.6.2金属氧化物材料过渡金属氧化物作为超级电容器的电极材料的研究是由Conway在1975年首次研究法拉第赝电容储能原理开始的。随后经各国研究者的不断探索，先后出现了一系列的氧化物电极材料。俄罗斯的ESMA和ELIT公司分别推出了氧化镍型超电容，其中ESMA公司的产品已用于莫斯科公共汽车的动力电源。此外德、美、日等国也先后推出了许多以金属氧化物作为电极材料的系列超电容[18]。在这些氧化物中，最具代表性的还是金属钉和金属锰的氧化物。RuO2电极的导电性比碳电极好，电导率比碳的大两个数量级，电极在HZSO4中的稳定性好，可获得较高的比能量，所制备的电容器性能也比碳电极电容器好。被用作超级电容器电极材料的二氧化钌，通常是由溶胶—凝胶法值得前驱体，然后经高温(300~800℃)热处理而得到[19，20]。实验发现RuO2的赝电容来自于RuO2的表面反应且随比表面积的增大而增大。所以增加容量的最直接的方式是增大比表面积，从而达到有足够的微孔来满足电解液的扩散，为了达到提高容量，增大比表面积的目的，采取的方法有:将RuO2薄膜沉积在有粗糙表面基底上;将RuO2涂在有高比表面积的材料(如乙炔黑、碳纤维等)上等。但所报道的RuO2的最高比容量为380F/g(水电解液)(比表面积约为120m金属氧化物在电极/电解液界面法拉第反应所产生的赝电容要远大于碳材料表面的双电层电容，如Ruo2在硫酸溶液中可获得高达760F/g的比容量。但是RuO2昂贵的价格限制了此类电极材料的商业化应用。近年来，一些廉价的金属氧化物如氧化镍、氧化钴、氧化锰等逐渐受到人们的关注。1.6.3导电聚合物材料导电有机聚合物作超级电容器电极材料，可以用有机电解质和水电解质作电解液，其储能也主要是依靠法拉第赝电容原理来实现，通过在电极上的聚合物膜中发生快速可逆的n型或p型掺杂和去掺杂氧化还原反应，使聚合物达到很高的储存电荷密度，从而产生很高的法拉第赝电容来储存能量。它可以在高电压下工作(3.0-3.2v)，可弥补过渡金属氧化物系列工作电压不高的缺点，代表着电极材料的一个新的发展方向。其最大的优点是可以通过分子设计选择相应的聚合物结构，从而进一步提高聚合物的性能，以得到符合要求的材料。有关这方面的研究也非常活跃[21]。导电聚合物电化学电容器可分为以下三类:(l)对称结构—电容器中两个电极为相同的可p型掺杂的导电聚合物材料(如聚噻吩)，此类结构的电容器工作电位可达1V;(2)不对称结构—两电极为不同的可p型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩)，其工作电位可达1.5V;(3)两电极的导电聚合物可以进行p型和n型掺杂，充电时电容器的一个电极为n型掺杂状态而另一个电极是p型掺杂状态，放电后二者均为去掺杂状态。在同样的充电电压下，其放电能量较之前两类可提高近1倍。导电聚合物电极材料通过发生快速可逆的p型(或n型)掺杂或去掺杂的氧化还原反应产生法拉第赝电容，具有比容量高、成本低、可通过分子设计选择不同聚合物结构等优点。具有代表性的导电聚合物有:聚吡咯(Polypyrrole，PPY)、聚噻吩(Polythiophenes，PTH，聚苯胺(Polyaniline，PANI)，聚并苯(polvacenes，pA)、聚对苯(Polyparaphenylene，PPP)等[22]。1.7碳材料性质根据双电层产生的机理，用作双电层电容器电极的碳材料应当具有利于电荷积累的大比表面和便于电解液润湿及离子快速运动的孔结构。根据IUPAC的规定，孔径>5nm的孔为大孔，孔径介于2—5nm之间的孔为中孔，孔径<2nm的则为微孔。对于活性炭的孔隙结构，一般这样认为:大孔上分叉地连有许多中孔，中孔上有分叉地连接有许多微孔，微孔上又分叉地连接有许多超微孔。活性炭的表面积由大孔、中孔及微孔表面组成。大多数活性碳材料的大孔表面积不到2m2，与中孔和微孔相比可以忽略不计，故可认为活性碳的表面积由微孔面积和不包括微孔的外比表面积组成。除了不同的孔隙结构以外，1.7.1比表面积双电层电容器的电极界面越大，所积累的电荷也就越多，所以具有较高比表面积且电化学惰性的碳材料受到格外重视。在水溶液和汞电极界面形成的双电层比电容量为20μFcm-2气μFcm-2，在清洁的石墨表面双电层比电容量为20μFcm-2。对于表面积为1000m2g-1的活性炭电极来说，其理论质量比电容应为200Fcm经过对不同活性炭电极的比容量、比表面积、单位孔容及平均孔径的测试和分析，发现比容量和比表面积并不呈线性关系。有些活性炭的比表面积虽然较小，但其电极的比容量却比一些比表面积大的活性炭电极的更大。其原因可能是:(l)从不同的前驱体，经不同的活化工艺和后处理过程得到的炭材料，即使用吸附法测得的比表面积和孔分布相近，但可形成双电层电容的有效面积也可能不同;(2)离子，尤其是水合离子和大的有机离子不能进入孔径很小的微孔，所以这些小微孔对双电层电容没有做出贡献，其表面积属于无效表面积;(3)各种电解液中离子的尺寸不同，这就使不同的电极中可利用的最小微孔的孔径不同。1.7.2对于以微孔为主的炭材料，电解液的可浸润性被认为在很大程度上影响了碳材料的电化学性能。如果活性炭的孔入口细小而内部大，类似于墨水瓶的结构，则电解液不能润湿，内部孔表面不能利用。采用特殊工艺技术制备出无“瓶颈”结构的活性炭，研究了外比表面积和微孔比表面积对电极性能的影响，并探讨了孔径分布与充放电速率之间的关系。结果表明，微孔表面比电容为21.4μFcm-2，外表面比电容则低于10μFcm-2，这可能是外表面空间电荷层的影响;微孔孔径较大的碳材料具有高比电容和良好的高倍率放电特性。在研究水蒸气活化酚醛基活性炭纤维的电性能时，发现中孔和微孔的比容量分别为8.44μFcm-2和4.29μFcm-2，中孔表面具有更高的利用率。PAN基活性炭纤维的孔径分布很窄，微孔孔容增大时，微孔的平均孔径降低。在KOH电解液中，有较大微孔孔径的活性炭纤维更有利于电解液离子进入，而增大微孔孔容会导致比电容的下降。1.7.3在-78℃或更低的低温时，碳材料上会发生氧的物理吸附，在约-40℃时形成表面氧化物，产生不可逆吸附。同时由于表面结构缺陷、不饱和价键和其它一些杂质原子的存在，多孔碳材料的表面很容易因吸附或物理、化学处理而形成有机官能团。由于氧是活性炭体相中最主要的杂质元素，因此，在碳材料的表面最容易积累酸性的含氧官能团。碳材料表面的有机官能团对其电化学性能有很大的影响，不同前驱体制备的碳材料表面官能团不同，对比容量的影响也不同。一方面，有机官能团可以改善碳材料的表面润湿性，增加法拉第赝电容，使比容量增大;另一方面，有机官能团的存在会增加电极的内阻，法拉第反应可能会使漏电流增大，降低电容器的储能性能。热解产物为CO的官能团，如烃基、碳基、羰基等有助于提高碳材料的比容量，而热解产物为CO2的官能团，如羧基、1.7.4导电性使用电导率高的炭材料，有利于提高电化学电容器的比功率。碳材料的电导率首先与其密度有关。在深度活化以提高多孔碳比表面的同时，电导率将随密度下降而下降。另外，碳材料电导率还与石墨化程度有关1.7.5润湿性对于无机电解液体系的电化学电容器来说，炭电极材料对水的润湿性能十分重要，这关系到电解液能否容易浸入到炭材料中以便形成双电层。一般，多孔碳材料的电导率随碳材料比表面积的增加而降低。一方面是由于随着比表面积的增大，材料微孔壁上的炭含量降低。另一方面，多孔碳材料的电导率与炭颗粒之间的接触面积以及碳颗粒所处的位置都有密切的关系。同时，由于碳材料的微孔以及碳颗粒之间的空隙中浸渍有电解液，而双电层则在碳材料表面和电解液间形成，因此，多孔碳材料能否被电解液充分浸湿就对提高电容器容量、降低电容器内阻有非常重要的作用。活性炭的比表面积、孔结构及润湿性对电容器的电化学性能有较大的影响。采用润湿性较好、比表面积较大的活性炭电极材料有利于提高电容器的容量。2实验部分2.1超级电容器的电极材料的制备在材料科学中，人们很早就发现过渡金属的碳化物具有独特的物理化学性能，并被广泛应用，通常情况下，制备碳化物有两个步骤，首先是将氧化物在流动的氢气中被还原成金属，然后将其所获得的金属和碳在1400-1600℃反应生成碳化物。但是这一过程所获得的碳化物的比表面积非常低。因此，不能用氢碳热还原法制备高比表面积过渡金属碳化物或活性碳支持的碳化物。现在，碳化物小粒径和高比表面积的制备过程仍在深入研究中，其目的是将其运用到陶瓷科学，催化，吸附等领域中。电化学电容器的大致可分为双电层电容器（EDLCs）和赝电容器。双电层电容器（EDLCs人们普遍认为，微孔活性炭是很不容易被电解质润湿的并且可以导致电容的部分损失。因此，可以用介孔碳作为的制备双电层电容器的替代材料，来克服这一缺点。此外，沉积在碳表面上的过渡金属氧化物，如钌，铱，钨，钼，锰，镍，钴等，能被广泛的利用来增加电容器的电容值。本论文主要讨论了利用金属钴来增加超级电容器的电容值。2.1.1实验药品以及仪器1）实验药品如表2.1所示表2.1制备过程中实验药品药品名称纯度生产厂家无水碳酸钾分析纯天津科密欧化学试剂有限公司羧甲基纤维素分析纯天津科密欧化学试剂有限公司羧甲基纤维素钠分析纯天津科密欧化学试剂有限公司硝酸钴分析纯天津科密欧化学试剂有限公司聚乙烯醇国药集团化学试剂有限公司氮气高纯2）实验仪器如表2.2所示表2.2制备过程中实验仪器实验仪器生产厂家JA2003N型电子分析天平DGG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱上海森信实验仪器有限公司SK2-2-12型管式电阻炉85-2型恒温磁力搅拌器巩义市予华仪器有限责任公司SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵巩义市予华仪器有限责任公司100ml烧杯玻璃仪器100ml量筒玻璃仪器2.1.2碳化钴/碳材料的制备过程1）将聚乙烯醇、无水碳酸钾、硝酸钴以及羧甲基纤维素在搅拌的情况下制成胶体，然后静止一段时间。2）将胶体放在电热恒温鼓风干燥箱里烘干3）将烘干的胶体放在管式电阻炉里进行碳化4）将碳化后的产物研磨细后放在试剂瓶中待用实验制备的试样如下表2.3所示表2.3制备的试样以及药品的用量试样名称聚乙烯醇量(g)硝酸钴量(g)无水碳酸钾量(g)羧甲基纤维素量(g)Co-01.5（加入的是羧甲基纤维钠）Co-1.5Co-1.5Co-1.5Co-1.5Co-1.52.2超级电容器电极片的制备2.2.1实验药品及实验仪器1）实验药品如表2.4所示表2.4制片过程所用到的药品药品名称纯度生产厂家氢氧化钾分析纯天津科密欧化学试剂有限公司聚四氟乙烯乙炔黑丙酮分析纯天津科密欧化学试剂有限公司碳酸氢氨分析纯天津市天河化学试剂厂2）实验仪器如表2.5所示表2.5制片过程所用到的仪器仪器生产厂家AL204型电子分析天平梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司玛瑙研钵辽宁凌源宋杖子玛瑙加工厂DZF-6020型真空干燥箱上海一恒科技有限公司769-YP-24B粉末压片机天津市科器高新技术公司2.2.2制片过程1）按样品：聚四氟乙烯：乙炔黑质量比约为8:1:1称好，研磨均匀2）向样品中滴加几滴丙酮，将样品粘合起来3）先用碳酸氢铵压两个片，然后再将粘合的样品放在两个碳酸氢铵片中间在压成一个片4）将压好的试样片放在真空干燥箱中加热到110℃并抽真空15）称量已制好的电极片的质量，并记录下来。6）将试样片用模具固定好放在1mol/L的氢氧化钾电解液中浸泡一天3电化学性能测试方法以及电容的计算电化学超级电容器是一种不同于电池和静电电容器的储能装置，有其独特的储存能量的方式，要研究其性能，就需要有特殊的方法和装置。在研究电化学电容器电极材料时，有多种测试手段可供选择，涉及电化学性质、物理性质或材料学性质。研究电化学电容器电化学性能的主要有循环伏安测试、恒电流充放电测试、交流阻抗测试等几种测试方法。3.1测试方法3.1.1循环伏安法测试循环伏安法是通过模拟电极表面的浅充放过程考察电极的充放电性能、电极反应的难易程度、可逆性、析氧特性和充电效率以及电极表面的吸脱附等特性。对于鉴别潜在的电容器材料而言，循环伏安实验是非常有用的快速筛选方法。实验过程中，电极电势随时间作对称的三角波变化，然后记录电流随电极电势或时间变化的曲线。对于一定的电解质体系，事先选定两个电极电势，然后在这两个电极电势值之间进行循环。关于循环伏安实验的原理和方法，很多教科书中都有详细的介绍。采用循环伏安法研究电容器时，一般需要采用包括研究电极、辅电极和参比电极在内的三电极电解池。但研究电极需要进行固定，并需要模拟容器实际工作时的条件，否则得到的结果可能会有偏差。为了达到上述测试要求，许多研究者设计了各种形式的测试用电解池对模拟电化学电容器进行测试。3.1.2恒电流充电和放电测试恒流充放电测试方法的原理是:在一定的电位范围内，通过对待测电容器(或电极)进行恒流充电或放电，考察其电位随时间的变化关系。根据这一关系，可以研究电容器(或电极)的性能比如计算其比容量、等效串联电阻(ESR)、充放电效率等。与循环伏安测试的不同之处在于:循环伏安测试是通过给电极施加线性且周期变化的电位信号从而得到电流响应值的，它研究的是电流随电位变化的关系;恒流充放电测试是通过给电极施加恒定不变的电流信号从而得到电位响应值的，它研究的是电位随时间的变化关系。恒电流充电和放电，或者通一个已知负载放电，是测试电池的传统方法。这种方法同样适用于电容器。电容器的测试可采用如下的组合。(1)恒电流充电，然后立即通过不同的负载电阻器放电。(2)恒电流充电，然后保持一段时间，随后通过事先选定的负载电阻放电。(3)不同倍率下充电，通过固定负载电阻器放电。(4)恒电流充电，然后在不同的恒电流下放电。3.1.3交流阻抗测试交流阻抗法是研究电极过程动力学及界面结构的重要方法。它通过对被测体系施加一个小振幅的交流(一般为正弦波)电压(或电流)信号使电极电位在平衡极电位附近微扰，从而引起相应的响应信号，由两者的关系可到有关电极过程动力学的信息。此外，交流阻抗还是测量电极/溶液双电层电容和溶液电阻的有效方法。同时，在测量过程中交流阻抗法不对被测体系产生任何影响，所以特别适用于电极过程动力学的研究及其机理的分析。电化学阻抗测试提供了一个评估电容器材料响应特性的便捷方式，特别是在评估可能限制功率的内阻时。通过测量结果可以给出阻抗谱的等效电路模拟。电化学阻抗谱的特点（1）电化学阻抗谱测试是以小振幅的正弦波电位(或电流)为扰动信号的电化学测量方法,具有以下的优点:①应用小的扰动可以长时间测量，避免对体系产生大的影响，而线性扫描或电势阶跃的研究，其扰动往往都远离体系的平衡。②由于是采用了小的正弦电位（或电流），根据电流过电势公式，可以知道在较低的过电势下，过电势和电流是线性关系，对数据的处理带来很大的方便。（2）一种频率域的测量方法:以测量得到的频率范围很宽的阻抗谱来研究电极系统，相应于速度比较快的子过程的阻抗谱出现在比较高的频率域，而相应于速度比较缓慢的子过程的阻抗谱出现在比较低的频率域，所以从电化学阻抗谱图上比较容易判断总的电化学过程包含几个子过程，并依据相应的各子过程的阻抗谱的特征探讨对应的子过程的动力学特征。另外，还有恒电位或恒功率充电和放电测试、漏电流或自放电行为测试以及对电容器装置的评价和安全性实验等。本文主要通过研究单电极的循环伏安特性和恒流充放电测试来考察电极的电化学超级电容器性能，电化学超级电容器单电极的循环伏安曲线要求尽量接近矩形，恒电流充放电曲线尽量呈现线性，因此本实验就从这两种测试方法入手，研究电极材料的超级电容性能。3.2电容的计算3.2.1循环伏安曲线电容量的计算方法对于电极上的双电层电容来说，一般可以用平板电容器模型进行理想等效处理。根据平板电容模型，电容量计算公式为:C=公式中:C—电容量(F)ε—介电常数(F/m);S—电极板正对面