實(shí)驗(yàn)二超級電容器的組裝及性能測試實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

實(shí)驗(yàn)二超級電容器的組裝及性能測試實(shí)驗(yàn)名稱：超級電容器的組裝及性能測試所涉及課程：工程化學(xué)打算學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．把握超級電容器的大體原理及特點(diǎn)；2．把握電極片的制備及電容器的組裝；3．把握電容器的測試方式及充放電進(jìn)程特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)原理1．電容器的分類電容器是一種電荷存儲器件，按其貯存電荷的原理可分為三種：傳統(tǒng)靜電電容器，雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器。傳統(tǒng)靜電電容器主若是通過電介質(zhì)的極化來貯存電荷，它的載流子為電子。雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容貯存電荷主若是通過電解質(zhì)離子在電極/溶液界面的聚集或發(fā)生氧化還原反映，它們具有比傳統(tǒng)靜電電容器大得多的比電容量，載流子為電子和離子，因此它們二者都被稱為超級電容器，也稱為電化學(xué)電容器。2．雙電層電容器雙電層理論由19世紀(jì)末Helmhotz等提出。Helmhotz模型以為金屬表面上的凈電荷將從溶液中吸收部份不規(guī)那么的分派離子，使它們在電極/溶液界面的溶液一側(cè)，離電極必然距離排成一排，形成一個(gè)電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反的界面層。于是，在電極上和溶液中就形成了兩個(gè)電荷層，即雙電層。雙電層電容器的大體組成如圖1，它是由一對可極化電極和電解液組成。雙電層由一對理想極化電極組成，即在所施加的電位范圍內(nèi)并非產(chǎn)生法拉第反映，所有聚集的電荷均用來在電極的溶液界面成立雙電層。那個(gè)地址極化進(jìn)程包括兩種:（1）電荷傳遞極化（2）歐姆電阻極化。當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子別離向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)固，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對穩(wěn)固的電位差。當(dāng)將兩極與外電路連通時(shí)，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中成電中性，這即是雙電層電容的充放電原理。3．法拉第準(zhǔn)電容器關(guān)于法拉第準(zhǔn)電容器而言，其貯存電荷的進(jìn)程不僅包括雙電層上的存儲，還包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反映而將電荷貯存于電極中。關(guān)于其雙電層電容器中的電荷存儲與上述類似，關(guān)于化學(xué)吸脫附機(jī)理來說，一樣進(jìn)程為：電解液中的離子(一樣為H+或0H-)在外加電場的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué)反映：MO+H+(OH-)+(-)e-fMO(OH) (1)x進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，由于電極材料采納的是具有較大比表面積的氧化物，如此就會有相當(dāng)多的如此的電化學(xué)反映發(fā)生，大量的電荷就被存儲在電極中。依照(1)式，放電時(shí)這些進(jìn)入氧化物中的離子又會從頭返回到電解液中，同時(shí)所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這確實(shí)是法拉第準(zhǔn)電容器的充放電機(jī)理。在電活性物質(zhì)中，隨著存在法拉第電荷傳遞化學(xué)轉(zhuǎn)變的電化學(xué)進(jìn)程的進(jìn)行，極化電極上發(fā)生欠電位沉積或發(fā)生氧化還原反映，充放電行為類似于電容器，而不同于二次電池，不同的地方為：(1)極化電極上的電壓與電量幾乎呈線性關(guān)系；當(dāng)電壓與時(shí)刻呈線性關(guān)系dv/dt€k時(shí)，電容器的充放電電流為恒定值。I€dv/dt€Ck (2)4．電容量及等效串聯(lián)內(nèi)阻的計(jì)算關(guān)于超級電容器的雙電層電容能夠用平板電容器模型進(jìn)行理想等效處置。依照平板電容模型，電容量計(jì)算公式為：照平板電容模型，電容量計(jì)算公式為：(3),S(3)4兀d其中C為電容(F)；,為介電常數(shù)；S為電極板正對面積，等效雙電層有效面積(m2)；d為電容器兩極板之間的距離，等效雙電層厚度(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為電流(A)；dQ是電量微分(C)；dt是時(shí)刻微分(s)；dq為電位的微分(V)。采納恒流充放電測試方式時(shí)，關(guān)于超級電容，依照公式(4)可知，若是電容量C為恒定值，那么d€/dt將會是一個(gè)常數(shù)，即電位隨時(shí)刻是線性轉(zhuǎn)變的關(guān)系。也確實(shí)是說，理想電容器的恒流充放電曲線是一個(gè)直線，如圖(a)所示。咱們能夠利用恒流充放電曲線來計(jì)算電極活性物質(zhì)的比容量：C二-X (5)mm?AV其中t為充/放電時(shí)刻(s)；AV為充/放電電壓升高/降低平均值，能夠利用充放電d曲線進(jìn)行積分計(jì)算而取得：AV=—^?2Vdt (6)t—t121在實(shí)際求比電容量時(shí)，為了方便計(jì)算，常采納t和t時(shí)的電壓差值，即：21AV=V—V (7)21關(guān)于單電極比容量，式(5)中的m為單電極上活性物質(zhì)的質(zhì)量。假設(shè)計(jì)算的是電容器的比容量，m那么為兩個(gè)電極上活性物質(zhì)質(zhì)量的總和。在實(shí)際情形中，由于電容器存在必然的內(nèi)阻，充放電轉(zhuǎn)換的剎時(shí)會有一個(gè)電位的突變A€，如圖2(b)所示。利用這一突變可計(jì)算電極或電容器的等效串聯(lián)電阻：R=A€/2i (8)其中R為等效串聯(lián)電阻(0),i為充放電電流(A),A€為電位突變的值(V)。等效串聯(lián)電阻是阻礙電容器功率特性最直接的因素之一，也是評判電容器大電流充放電性能的一個(gè)直接指標(biāo)。四、實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì))儀器設(shè)備和藥品清單儀器設(shè)備：電子天平、真空干燥箱、Land電池測試系統(tǒng)、壓片機(jī)、扣式電池封裝機(jī)、扣式電池鋼殼等藥品：MnO2、KOH、泡沫鎳、乙炔黑、粘結(jié)劑(HPMC)、隔膜、去離子水等。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟1．超級電容器電極片的制備按75:15:10(wt%)稱取活性物質(zhì)MnO2、導(dǎo)電劑乙炔黑和粘結(jié)劑HPMC，加入適量去離子水，調(diào)成漿狀。將漿料均勻涂敷于①=10mm的泡沫鎳上(已稱重)。真空120°C干燥1h、壓片、稱重，備用。制備工藝流程如圖1所示。2．扣式超級電容器的組裝將1中制備好的電極片作為電容器的正負(fù)極正負(fù)極之間用隔膜隔離；

(3)電解液為3mol?L-1的KOH；在電極片與電容外殼之間墊一層泡沫鎳，使得電極片與電容外殼接觸良好用封裝機(jī)把扣式殼封好；具體組裝方式如圖2、圖3所示。3．電化學(xué)性能檢測(1)把組裝好的扣式超級電容器連接到Land電池測試儀上；2)測試在室溫下進(jìn)行；采納恒電流充放電的方式，設(shè)定充放電流均為5mA,充放電截止電壓為4)計(jì)算電容器的比電容量及內(nèi)阻。正極二-絕緣隔膜負(fù)極r正極二-絕緣隔膜負(fù)極r■泡沫棵片圖2組裝扣式電化學(xué)電容器的層次圖黔殼正極負(fù)極外殼黔殼正極負(fù)極外殼六、注意事項(xiàng)1．必需嚴(yán)格依照操作規(guī)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；2．遵守實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度，維持實(shí)驗(yàn)室及