實驗二超級電容器的組裝及性能測試實驗指導書

實驗二超級電容器的組裝及性能測試實驗名稱：超級電容器的組裝及性能測試所涉及課程：工程化學打算學時：4學時一、實驗目的1．把握超級電容器的大體原理及特點；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程特點。二、實驗原理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電容器。傳統(tǒng)靜電電容器主若是通過電介質的極化來貯存電荷，它的載流子為電子。雙電層電容器和法拉第準電容貯存電荷主若是通過電解質離子在電極/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，也稱為電化學電容器。2．雙電層電容器雙電層理論由19世紀末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，離電極必然距離排成一排，形成一個電荷數(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并非產生法拉第反映，所有聚集的電荷均用來在電極的溶液界面成立雙電層。那個地址極化進程包括兩種:（1）電荷傳遞極化（2）歐姆電阻極化。當在兩個電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子別離向正、負電極遷移，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，在正負極間產生相對穩(wěn)固的電位差。當將兩極與外電路連通時，電極上的電荷遷移而在外電路中產生電流，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．法拉第準電容器關于法拉第準電容器而言，其貯存電荷的進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中由于氧化還原反映而將電荷貯存于電極中。關于其雙電層電容器中的電荷存儲與上述類似，關于化學吸脫附機理來說，一樣進程為：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散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學反映：MO+H+(OH-)+(-)e-fMO(OH) (1)x進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，如此就會有相當多的如此的電化學反映發(fā)生，大量的電荷就被存儲在電極中。依照(1)式，放電時這些進入氧化物中的離子又會從頭返回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這確實是法拉第準電容器的充放電機理。在電活性物質中，隨著存在法拉第電荷傳遞化學轉變的電化學進程的進行，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系；當電壓與時刻呈線性關系dv/dt€k時，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)內阻的計算關于超級電容器的雙電層電容能夠用平板電容器模型進行理想等效處置。依照平板電容模型，電容量計算公式為：照平板電容模型，電容量計算公式為：(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是時刻微分(s)；dq為電位的微分(V)。采納恒流充放電測試方式時，關于超級電容，依照公式(4)可知，若是電容量C為恒定值，那么d€/dt將會是一個常數(shù)，即電位隨時刻是線性轉變的關系。也確實是說，理想電容器的恒流充放電曲線是一個直線，如圖(a)所示。咱們能夠利用恒流充放電曲線來計算電極活性物質的比容量：C二-X (5)mm?AV其中t為充/放電時刻(s)；AV為充/放電電壓升高/降低平均值，能夠利用充放電d曲線進行積分計算而取得：AV=—^?2Vdt (6)t—t121在實際求比電容量時，為了方便計算，常采納t和t時的電壓差值，即：21AV=V—V (7)21關于單電極比容量，式(5)中的m為單電極上活性物質的質量。假設計算的是電容器的比容量，m那么為兩個電極上活性物質質量的總和。在實際情形中，由于電容器存在必然的內阻，充放電轉換的剎時會有一個電位的突變A€，如圖2(b)所示。利用這一突變可計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直接指標。四、實驗(設計)儀器設備和藥品清單儀器設備：電子天平、真空干燥箱、Land電池測試系統(tǒng)、壓片機、扣式電池封裝機、扣式電池鋼殼等藥品：MnO2、KOH、泡沫鎳、乙炔黑、粘結劑(HPMC)、隔膜、去離子水等。五、實驗內容與實驗步驟1．超級電容器電極片的制備按75:15:10(wt%)稱取活性物質MnO2、導電劑乙炔黑和粘結劑HPMC，加入適量去離子水，調成漿狀。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極正負極之間用隔膜隔離；

(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把扣式殼封好；具體組裝方式如圖2、圖3所示。3．電化學性能檢測(1)把組裝好的扣式超級電容器連接到Land電池測試儀上；2)測試在室溫下進行；采納恒電流充放電的方式，設定充放電流均為5mA,充放電截止電壓為4)計算電容器的比電容量及內阻。正極二-絕緣隔膜負極r正極二-絕緣隔膜負極r■泡沫棵片圖2組裝扣式電化學電容器的層次圖黔殼正極負極外殼黔殼正極負極外殼六、注意事項1．必需嚴格依照操作規(guī)程進行實驗；2．遵守實驗室的規(guī)章制度，維持實驗室及