超級電容器電化學(xué)測試方法

精選優(yōu)質(zhì)文檔傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)專心專注專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)超級電容器電化學(xué)測試方法武漢科思特儀器有限公司超級電容器(Suepercapacitor)是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。超級電容器用途廣泛。用作起重裝置的電力平衡電源，可提供超大電流的電力；用作車輛啟動電源，啟動效率和可靠性都比傳統(tǒng)的蓄電池高，可以全部或部分替代傳統(tǒng)的蓄電池；用作車輛的牽引能源可以生產(chǎn)電動汽車、替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機、改造現(xiàn)有的無軌電車此外還可用于其他機電設(shè)備的儲能能源。用于超級電容器電極的材料有各種碳材料，金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[1-4]，尤其是導(dǎo)電聚合物，自從1970年導(dǎo)電聚乙炔薄膜被成功合成出來后，科學(xué)家對導(dǎo)電聚合物就產(chǎn)生了濃厚的興趣。超級電容器的主要技術(shù)指標(biāo)有比容量、充放電速率、循環(huán)壽命等。而CS350系列電化學(xué)工作站專門為超級電容器的性能評價設(shè)計了恒電流充放電測試方法，可以非常方便地評估電容器的循環(huán)壽命。下面逐一介紹基于CS350工作站的超級電容器性能評價方法。循環(huán)伏安測試:基于CV曲線的電容器容量計算，可以根據(jù)公式（1）計算。(為掃速，單位V/s)（1）從式（1）來看，對于一個電容器來說，在一定的掃速下做CV測試。充電狀態(tài)下，通過電容器的電流i是一個恒定的正值，而放電狀態(tài)下的電流則為一個恒定的負值。這樣，在CV圖上就表現(xiàn)為一個理想的矩形。由于界面可能會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，實際電容器的CV圖總是會略微偏離矩形。因此，CV曲線的形狀可以反映所制備材料的電容性能。對雙電層電容器，CV曲線越接近矩形，說明電容性能越理想；而對于贗電容型電容器，從循環(huán)伏安圖中所表現(xiàn)出的氧化還原峰的位置，我們可以判斷體系中發(fā)生了哪些氧化還原反應(yīng)。CV測試步驟：從corrtest軟件中選擇“測試方法”“循環(huán)伏安”“線性循環(huán)伏安”參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)默認是從高電位掃向低電位，例如在-0.4V~0.6V的電壓范圍內(nèi)，正向掃描：高電位設(shè)為0.6V（相對參比電極），低電位設(shè)為-0.4V（相對參比電極），反向掃描，高電位設(shè)為-0.4V（相對參比電極），低電位設(shè)為0.6V（相對參比電極）。掃描速率可以根據(jù)需要設(shè)置，注意掃描速率和采樣頻率的設(shè)置是對應(yīng)的，若是掃描速率較高（100mV/s），則采樣頻率也應(yīng)較高（100Hz），以保證較小的電位間隔（1mV）。在電容性能測試中，在進行第一圈掃描時，可能電極表面沒有達到平衡，因而CV曲線可能不能完全閉合，因此有必要多循環(huán)幾次以便選取最佳的循環(huán)。儀器參數(shù)設(shè)置:電流量程選擇“自動切換”，電流量程應(yīng)大于測試體系的最大電流值；無歐姆降補償；接地模式：實地；濾波器電容值越小濾波效果越差，一搬設(shè)置電容值為2.2nF。電解池參數(shù)設(shè)置：電極面積也就是所采用的工作電極的面積。對CV圖的后期處理可以在電化學(xué)工作站自帶的Cview軟件中進行?？梢赃M行CV的電流對電壓的積分，算出材料的比電容。此外，CV也可以做電池的循環(huán)壽命測試。設(shè)置固定的掃速和循環(huán)次數(shù)，就可以進行電容器的壽命測試。測試實例圖1為PPy/TSA（聚吡咯）電極在0.5MNa2SO4溶液中的循環(huán)伏安測試曲線。在-0.4V~0.6V范圍內(nèi)，CV曲線均呈現(xiàn)出較理想的電容矩形特征ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>劉辰光</Author><Year>2005</Year><RecNum>8174</RecNum><record><rec-number>8174</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2z2atzdxgpt0vmep2afpaf9es0ft0sepe2rv">8174</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>劉辰光,</author><author>方海濤,</author><author>王大偉,</author><author>李峰,</author><author>劉敏,</author><author>成會明,</author></authors></contributors><titles><title>添加多壁納米碳管活性炭電極材料的電化學(xué)電容特性</title><secondary-title>新型炭材料</secondary-title></titles><periodical><full-title>新型炭材料</full-title></periodical><pages>205-210</pages><volume>20</volume><number>3</number><keywords><keyword>納米碳管活性炭電化學(xué)電容器比電容量導(dǎo)電添加劑</keyword></keywords><dates><year>2005</year></dates><isbn>1007-8827</isbn><accession-num>95796X</accession-num><urls></urls><remote-database-provider>VIP</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[5]，并且曲線關(guān)于零電流基線基本對稱，說明材料在充放電過程中所發(fā)生的氧化還原過程基本可逆。當(dāng)掃描速度增加到100mV/s的時候，CV曲線仍沒有偏離矩形；同時，當(dāng)掃描電位方向改變時，電流表現(xiàn)出了快速響應(yīng)特征，說明電極在充放電過程中動力學(xué)可逆性良好ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張晶</Author><Year>2010</Year><RecNum>8173</RecNum><record><rec-number>8173</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2z2atzdxgpt0vmep2afpaf9es0ft0sepe2rv">8173</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>張晶,</author><author>孔令斌,</author><author>蔡建軍,</author><author>楊貞勝,</author><author>羅永春,</author><author>康龍,</author></authors></contributors><titles><title>電化學(xué)混合電容器用新型聚吡咯/介孔碳納米復(fù)合電極</title><secondary-title>物理化學(xué)學(xué)報</secondary-title><alt-title>Wlhx</alt-title></titles><periodical><full-title>物理化學(xué)學(xué)報</full-title><abbr-1>Wlhx</abbr-1></periodical><alt-periodical><full-title>物理化學(xué)學(xué)報</full-title><abbr-1>Wlhx</abbr-1></alt-periodical><number>06</number><keywords><keyword>介孔碳</keyword><keyword>聚吡咯</keyword><keyword>電化學(xué)混合電容器</keyword><keyword>能量密度</keyword></keywords><dates><year>2010</year></dates><isbn>1000-6818</isbn><call-num>11-1892/O6</call-num><urls></urls><remote-database-name>Cjfd</remote-database-name></record></Cite></EndNote>[6]圖1.PPy/TSA電極在不同掃速下的CV曲線圖2.PPy/TSA電極的比電容與掃速的關(guān)系圖1顯示，當(dāng)掃描速度從10mV/s增加到100mV/s，材料的比電容僅減少了6.8%，顯示PPy/TSA電極具有良好的高倍率充放電行為。交流阻抗測試：交流阻抗可以反映電極材料在電極/溶液界面的電荷傳遞和物質(zhì)擴散方面的動力學(xué)細節(jié)?？梢杂嬎愠鲭娙萜鞯牡刃Т?lián)電阻、溶液電阻、材料/電解液界面雙電層電容和贗電容等。交流阻抗測試施加的交流幅值一般為5mV，測試頻率范圍為10-2~105，阻抗測量時“分析器設(shè)置”：歐姆補償：信號去偏√，輸出衰減：*0.01。交流阻抗的結(jié)果可以Zview軟件中處理，構(gòu)建一個等效電路，通過全頻段進行擬合，即可計算出與電容充放電相關(guān)的電化學(xué)參數(shù)。測試實例一般多孔材料的EIS主要由高頻部分的半圓環(huán)和低頻部分的垂直線組成ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>古寧宇</Author><Year>2002</Year><RecNum>8179</RecNum><record><rec-number>8179</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2z2atzdxgpt0vmep2afpaf9es0ft0sepe2rv">8179</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>古寧宇,</author><author>錢新明,</author><author><styleface="normal"font="default"size="100%"></style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">趙峰</style><styleface="normal"font="default"size="100%">,</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">董紹俊,</style></author></authors></contributors><titles><title>復(fù)合聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電行為及電導(dǎo)率的測定</title><secondary-title>分析化學(xué)</secondary-title></titles><periodical><full-title>分析化學(xué)</full-title></periodical><pages>1-5</pages><volume>30</volume><number>1</number><keywords><keyword>復(fù)合聚合物電解質(zhì)交流阻抗導(dǎo)電行為電導(dǎo)率測定乙烯碳酸酯增塑Peo</keyword></keywords><dates><year>2002</year></dates><isbn>0253-3820</isbn><accession-num>93919X</accession-num><urls></urls><remote-database-provider>VIP</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[7]，其中高頻區(qū)阻抗的實部反應(yīng)了帶電粒子在孔隙內(nèi)擴散的難易程度，低頻段的直線則反映了PPy電極的贗電容性能ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[8-9]。圖3是PPy/TSA電極在1000次循環(huán)前后的Nyquist圖，可知經(jīng)過1000次循環(huán)后，PPy/TSA電極在低頻區(qū)的直線比循環(huán)前的直線偏離虛軸更遠，即循環(huán)后PPy/TSA電極的贗電容下降。根據(jù)其阻抗譜特征，構(gòu)建了一個等效電路并進行EIS解析，如圖4。圖3.PPy/TSA電極在1000次循環(huán)前后的交流阻抗圖譜（空心三角形為循環(huán)前的交流阻抗圖譜，實心三角形為循環(huán)后的交流阻抗圖譜）圖4.交流阻抗擬合用等效電路圖恒電流充放電測試從恒電流充放電中可以計算出電極材料的比電容，其依據(jù)為公式（2）其中I為充電電流，t為放（充）電時間，ΔV是放（充）電電勢差，m是材料質(zhì)量。通過多次循環(huán)測量，還可以對電容器的循環(huán)壽命進行評估。從充電曲線和放電曲線是否對稱，可以判斷電容器充放電和相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)是否可逆。恒電流充放電參數(shù)：充電電流：系統(tǒng)默認的是充電電流為負，放電電流為正，因此在設(shè)置的時候注意充電電流和放電電流是一對相反數(shù)。充放電的時間也是一樣的，只要將充放電時間設(shè)置的大于實際的充放電時間就行。電位反轉(zhuǎn)，強調(diào)一下是反轉(zhuǎn)，若是在-0.4V~0.6V進行電化學(xué)測試，電容器充電的時候電壓下降，當(dāng)電壓下降到-0.4V時，電位反向；放電的時候電壓增大，當(dāng)增大到0.6V的時候電位發(fā)生反轉(zhuǎn)，因此在設(shè)定的時候根據(jù)你所選取的電位范圍，設(shè)置充電電位小于較負的值，放電電位大于較正的值。對一個非理想電容器，由于存在各種電阻（材料的接觸電阻，孔電阻，電解液電阻等等），因此，在不同的電流密度下所得到的電容是不同的。循環(huán)次數(shù)則根據(jù)需要來設(shè)置：如果僅僅想知道在不同充放電流密度下的比電容，可以只循環(huán)幾次來計算電容值。若是要進行電容器的循環(huán)壽命測試，則應(yīng)該將循環(huán)測試設(shè)置為所需要循環(huán)的次數(shù)，比如將第1000次循環(huán)計算的電容值除以第1次循環(huán)計算得到的電容值，我們就可以評價電容器在1000次循環(huán)后的穩(wěn)定性。測試實例在不同電流密度下對PPy/TSA電極進行恒流充放電測試，結(jié)果如圖5?？梢娫?0.4~0.6V范圍內(nèi)，充電曲線和放電曲線有較理想的對稱性，說明化學(xué)氧化法制備的PPy/TSA電極在0.5MNa2SO4中所進行的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是可逆的ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李永舫</Author><Year>2005</Year><RecNum>40</RecNum><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><keyapp='EN'db-id='frp5terdlw5xwfe02rn5f52fpszpzpzvzswa'>40</key></foreign-keys><ref-typename='JournalArticle'>17</ref-type><contributors><authors><author>李永舫,</author></authors></contributors><titles><title>導(dǎo)電聚吡咯的研究</title><secondary-title>高分子通報</secondary-title></titles><periodical><full-title>高分子通報</full-title></periodical><pages>51-57</pages><volume>4</volume><keywords><keyword>導(dǎo)電聚吡咯電化學(xué)聚合過程聚合機理穩(wěn)定性電化學(xué)性質(zhì)復(fù)合材料</keyword></keywords><dates><year>2005</year></dates><isbn>1003-3726</isbn><accession-num>95630X</accession-num><urls></urls><remote-database-provider>VIP</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[10]。計算表明，在10mA/cm2電流密度下PPy/TSA電極的比容量為270F/g，該值盡管相對于有機電解質(zhì)體系不算大，但與其它材料在水系電解液中的比容量相當(dāng)。圖5.PPy/TSA電極在不同電流密度下的充放電曲線圖6.PPy/TSA電極在10mA/cm2下的比電容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系在0.5M的Na2SO4中采用10mA/cm2電流對PPy/TSA電極進行循環(huán)壽命測試，結(jié)果如圖6。經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，PPy/TSA電極的比容量下降了約25.5%。循環(huán)壽命在最初的200次下降較快，這是因為在長時間充放電過程中，摻雜態(tài)聚吡咯會發(fā)生聚合物鏈的膨脹/收縮ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[11]，導(dǎo)致聚吡咯的主鏈破壞，電極材料內(nèi)的部分孔隙遭到破壞和隔斷，阻礙了帶電粒子在孔隙內(nèi)的傳遞，使得材料的比電容急劇下降。ADDINEN.REFLIST[1]M.Winter,R.J.Brodd,ChemRev,104(2004)4245-4269.[2]D.Y.Qu,JPowerSources,109(2002)403-411.[3]V.Khomenko,E.Raymundo-Pinero,F.Beguin,JPowerSources,153(2006)183-190.[4]M.Mastragostino,C.Arbizzani,F.Soavi,SolidStateIonics,148(2002)493-498.[5]劉辰光,方海濤,王大偉,李峰,劉敏,成會明,新型炭材料,20(2005)205-210.[6]張晶,孔令斌,蔡建軍,楊貞勝,羅永春,康龍,Wlhx,(2010).[7]古寧宇,錢新明,趙峰,董紹俊,分析化學(xué),30(2002)1-5.[8]周鵬偉,李寶華,康飛宇,曾毓群,新型炭材料,21(2006)125