超级电容器测试
测试所需工具：
精度天平（0.01 mg）、超声波清洗器、烘箱、热台、玻璃板、玻璃棒、切片机（压片机）、两电极模具（三电极测试电解池）、电化学工作站。超级电容器的结构:
超级电容器一般是由电极材料、隔膜和电解液组成。对于电极材料来说，因活性炭、石墨烯、碳纳米管等碳材料具有导电性能好、对电解质化学惰性、比表面积大等优点，在电容器中得到了广泛的应用。
电极材料一般又由活性材料、导电剂、粘结剂和集流体构成。碳材料一般作为活性物质，导电剂对极片的容量有较大影响，这主要是因为导电剂种类和含量影响电极电阻，而内阻的大小又影响充放电过程的进行程度，进而影响容量。为了增加电极的强度，防止循环过程中活性物质的脱落、变形，必须在其中加入粘结剂。集流体主要用于负载电极活性物质，连接外引出电极的导电结构部分，完成电子收集功能。
常用的电解质主要分为液态电解质和固态电解质。液态电解质包括水溶液和非水溶液体系；固态电解质分为有机类和无机类。
隔膜的作用是有效隔离超级电容器的两个电极，避免电极接触引起的短路。
超级电容器性能指标：
超级电容器的性能指标主要有：容量、内阻、漏电流、能量功率密度、循环寿命等。
容量：电容器在一定的重量或者体积范围内存储的容量，单位为F。一般可以通过电压-电流感应曲线（CV）、恒流充放电等测试计算得出。
内阻：又称为等效串联电阻，分为直流内阻和交流内阻，一般会测试超级电容器的阻抗谱（Nyquist plot 或者Bode plot）。
漏电流：在恒定电压下，一定时间后测得的电流。
能量功率密度：通过电压-电流感应曲线（CV）、恒流充放电等测试计算得出。
循环寿命：超级电容器经过完整恒流充放电而保持一定性能的次数。通过数万次的恒流充放电等测试得出。
活性材料测试超级电容器性能过程：
1.对于制备的粉末电极活性材料在测试时，是按照活性材料、导电碳粉、PTFE粘结剂的重
量比85:10:5混合，加入5 mL乙醇超声分散半小时使得材料混合均匀。放入烘箱中45℃（温度可调）下干燥，然后在50℃（温度可调）下在玻璃板上用玻璃棒擀电极片。
2.电极片擀的很薄后，用切片机（北京实验室用的是MTI Corporation 的T-06型号，切出
来的片直径1.1cm）切片，称量后选取两个质量最为相近的电极片在两电极测试系统中测试，如果质量相差较大，则将切好的片滴加乙醇后在热台上继续擀片后再进行切片，直至质量基本相近。PS. 对于碳材料来说，直径1.1cm的电极片质量大约3mg左右。Ps.
另一个做法就是不擀片，而是将混合均匀的活性材料、导电碳粉、PTFE粘结剂在研钵中研磨成浆料涂到泡沫镍上，然后将泡沫镍和外接导线用红外压片机（这边用的是上海山岳科学仪器有限公司的YP-2压片机）压到一起。
3.擀好的电极片需要在烘箱中充分干燥后称其质量，以便计算电容。在两电极测试系统中，
使用以下模具组装成电容器进行测试。此外还有聚四氟乙烯的模具，当用到的电解液为
擀片时可以用左图可供
加热的磁力搅拌器，
下图中的热台。
酸时可以用聚四氟乙烯的模具，电容器构造为：金片-电极片-隔膜-电极片-金片。
对于三电极测试，用到的是电解池，是将电极片-工作电极、金属铂片-对电极、甘汞电极-参比电极在电解液中测试的。金属铂片作为对电极，其面积应比工作电极大，在酸性水溶液中参比电极一般用饱和甘汞电极或者银/氯化银电极，在碱性溶液中一般用汞/氧化汞电极。
4.在测试时，电容器一般可以放到屏蔽箱中，以避免外界环境的干扰。
我们组用到的是Princeton Applied Rearch的VMP3电化学工作站。蓝电测试系统这边有一台，刚开始买来后没怎么用，就买了VMP3，因为它更精确。但是蓝电也能够满足实验需要，蓝电可以测试恒流充放电及循环测试，阻抗，CV则需要用电化学工作站测试。
这边蓝电的型号是CT2001A, 5V，然后有5mA/10mA/50mA/1000mA.
2011年第3期 新疆化工 11 超级电容器电极材料的研究进展 摆玉龙 （新疆化工设计研究院，乌鲁木齐830006） 摘要：超级电容器既具有超大容量，又具有很高的功率密度，因此它在后备电源、替代电源、大功率输出等方面都有极为广泛的应用前景。超级电容器的性能主要取决于电极材料，近年来各国学者对于超级电容器的电极材料进行了大量的研究。 关键词：超级电容器；电极材料 1 前言 超级电容器的种类按其工作原理可以分为双电层电容器、法拉第准电容器(也称为赝电容电容器)以及二者兼有的混合电容器。双电层电容器基于双电层理论，利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来储存能量。法拉第准电容器则基于法拉第过程，即在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生，不仅发生在电极表面，而且可以深入电极内部。根据这两种原理，目前作为超级电容器的电极材料的主要分为三类[1]：碳材料、金属氧化物及水合物材料、导电聚合物材料。 2 碳材料类电极材料 在所有的电化学超级电容器电极材料中，研究最早和技术最成熟的是碳材料。其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的。碳电极的研究主要集中在制备具有大的比表面积和较小内阻的多孔电极材料上，可用做超级电容器电极的碳材料主要有:活性炭、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶、纳米碳管等。 活性炭(AC)是超级电容器最早采用的碳电极材料[2]。它是碳为主，与氢、氧、氮等相结合，具有良好的吸附作用。其特点是它的比表面积特别大，比容量比铂黑和钯黑高五倍以上[3]。J.Gamby[4]等对几种不同比表面积的活性炭超级电容器进行测试，其中比表面积最大为2315m2·g的样品得到的比容量最高，达到125F/g，同时发现比表面积和孔结构对活性炭电极的比容量和内阻有很大影响。 活性炭纤维(ACF)是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。ACF的制备一般是将有机前驱体纤维在低温(200℃~400) ℃下进行稳定化处理，随后进行炭化、活化(700℃~1000) ℃。日本松下电器公司早期使用活性炭粉为原料制备双电层电容器的电极，后来发展的型号则是用导电性优良、平均细孔孔径2~5nm、细孔容积0.7~1.5m3/g、比表面积达1500~3000m2/g的酚醛活性炭纤维[5]，活性炭纤维的优点是质量比容量高，导电性好，但表观密度低。H. Nakagawa采用热压的方法研制了高密度活性炭纤维(HD-ACF)[6]，其密度为0.2~0.8g/m3，且不用任何粘接剂。这种材料的电子导电性远高于活性炭粉末电极，且电容值随活性炭纤维密度的提高而增大，是一种很有前途的电极材料。用这种HD-ACF 制作超级电容器电极[7]，结果表明，对于尺寸相同的单元电容器，采用HD-ACF为电极的电容器的电容明显提高。 炭气凝胶是一种新型轻质纳米级多孔性非晶炭素材料，其孔隙率高达80%~98%，典型孔隙尺寸<50nm，网络胶体颗粒尺寸3~20nm，比表面积高达60~1000m2/g，密度为0.05~0.80g/m3，是一种具有许多优异性能(如导电性、光导性和机械性能等)和广阔的应用前景的新型材料[8]。孟庆函，
超级电容测试系统方案 超级电容：采用物理、化学或者混合方式实现超大容量双层电容器。主要用来“削 峰填谷”，比如：主电源和备用电源切换时的续电（基站及服务器，网络机房，通讯等行业）；快速充放电短时储存环境（比如动车的启动与刹车时充放电时省电，并且减小对启动电源的 要求，地铁车辆，电动车，太阳能发电等）；在快充快放环境是替代一些蓄电池和动力电池（电动工具行业，电动大巴等）。 超级电容特点：快充快放、循环寿命长、放电电流大、功率密度较高、安全、稳定及温度特性好、单节电压较低。 电子负载在测试超级电容时的特点， 精确度：电子负载有0.05%的电压回读精确度，保证测试的精确度 集成功能：集成了超级电容的内阻和容量测试功能。 完善的接口：RS232,USB,GPIB 口并且配备相应软件，数据，图像报告，循环测试一键完成。 配件及软件：可监控电容组的每分电容的电压一致性和电压值，同时监控温度， 测试内容：内阻、容量、单节一致性、充放电曲线。 测试仪器：电源（电压高于电容组的最高开路电压，电流适当）、电容器、负载仪（功 率及电压适当）、示波器（长存储最好）、万用表（选用）。 充电方式： 恒流转恒压充电。 接线方式，测试之前请确认电容的正负极。请确认连接电路。 超级电容放电测试 电子负载设置：远端采样打开，电池（电容）恒压功能打开， Shift+0 打开电容测试功能。设定截止电压，电容计算电压的上下限。设定充电电流。 按on/off键，开始测试，屏幕显示测试结果。一键完成测试。 本测量测试：充电时间，充电内阻，充电电量，电容容量。充电曲线，漏电流等测试。 充电曲线，请链接上位机软件。 放电方式 接线方式：请确定电容正负极及确定连接方式。
超级电容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。 锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应： Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。
本质来说，超级电容器（双电层）是电容器。储能少。锂电是化学电池。储能多。超级电容具有大功率密度，锂离子电池具有大能量密度。 超级电容器与锂电池相同点都可以贮存能量，不同点是超级电容量瞬间充电瞬间放电。 超级电容器充放电都是物理过程，锂电池是化学过程。 越级电容的最大优势在瞬时大电流上，而电池的优势在适当电流的持续释放上，所以二者可以互补使用，例如在电动车的使用方面最佳方案就是结合使用的，电容主要用于启动时的瞬态高流。 超容的优势在于其储能过程是一个物理过程，功率密度大，电池在于其持续的放电能力，能量密度远大于超容。 超级电容器，分为双电层电容器和不对称的赝电容：双电层电容器的正负极都使用活性炭作为电极材料，利用起超大的比表面积来储存电荷，是一种物理过程;不对称的正极使用的是氧化物，利用氧化还原来储存电荷，负极和上述双电层电容器一样。锂离锂电池，正极材料氧化还原，负极是锂离子的嵌入和脱出。 超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。
10.备用电源系统测试 10.1测试工具及仪器 （1）数字万用表FLUKE 289 1台； （2）数字示波器Tektronix DPO3034 1台（含电流卡钳A622，高压隔离探头P5210）；（3）数字兆欧表HIOKI 345 1台，VC60D 1台； （4）功率分析仪YOKOGAWA WT1600 1台； （5）耐压测试仪 TOS5101 1台； （6）输出可调超级电容充电机 BN-CDJ350V 1台； （7） 24V直流电源一台； （8）变桨距系统控制柜轴一柜； （9）变桨试验台SY_BJ_T_V3.1 1台； （10）调压器9KV A 1台； （11）PRODIGIT 3257电子负载； （12）滑动变阻器 BX8-27-2.5A 2台； 10.2.超级电容单体性能测试 10.2.1单体容量测试 ★测试方法： 采用恒流放电法测90V超级电容模块的总容量，由于90V超级电容模块含36个超级电容单体，将总容量乘以36即可得到超级电容单体的容量。 测试电路如图10.1所示。
图10.1. 容量测试电路图 放电电流I1及放电电压下降的电压U1和U2见下表。分级方法应根据分立标准。 ★测试步骤： （1）如图10.1进行接线，设定充电机充电电压为150V，闭合F1； （2）断开F3，闭合F2，对超级电容模块C充电。C达到额定电压后，保持充电机输出30min，以I2=1A电流充电，每15s记录一次150V超级电容模块端电压；以I2’=2A电流充电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压； （3）将示波器电压探头接C的正负极端，将电子负载设置为恒流模式，电流值设置为I1=4A放电。断开F2并闭合F3对超级电容进行放电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压。 （4）记录C的正负极之间电压U随时间的变化曲线（如图10.2示意）；
功能材料课程报告 指导老师： 学院：材料科学与工程学院专业：材料加工工程 姓名： 学号： 日期: 2012 年7 月13 日
超级电容器电极材料研究现状及存在问题 摘要:电极材料是决定电容器性能的重要因素，高性能电极材料的开发是超级电容器研发的重点。本文主要讨论了超级电容器阳极材料的研究现状及存在问题，这些材料包括：碳材料、贵金属氧化物、导电聚合物和一些其他材料。复合或混合型电极材料可以显著提高超级电容器的综合性能，已经成为超级电容器电极材料发展的主要趋势。 关键词:超级电容器；电极材料；研究现状；存在问题
1电极材料的研究现状 1.1正极材料 目前用作超级电容器电极的材料主要有三类:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。 1.1.1碳材料碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。尽管高比表面的碳材料比表面积越大，容量也越大，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径一般要2nm及以上的空间才能形成双电层，从而进行有效的能量储存。而制备的碳材料往往存在微孔(小于2nm)不足的情况。所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(大于2nm)的方向发展。除此之外，碳材料的表面官能团、导电率、表观密度等对电容器性能也有影响[1]。 碳电极电容器其电容的大小和电极的极化电位及电极比表面积大小有关，故可以通过极化电位的升高和增大电极比表面积达到提高电容大小的目的。电极/电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15~40μF·cm-2。选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。对理想可极化体系而言，可通过无限提高充电电压而大量储存能量。但是，对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制，可通过加大电极比表面积来增加电容值。电容C可由下式给出 C=ε·ε0Ad 式中:ε ε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域的相对0为自由空间的绝对介电常数， 介电常数，A为电极表面积，d为导体与内赫姆霍兹面之间的距离。 近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布，并开发出许多不同类型的碳材料，主要有: 多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维、碳气溶胶以及最近才开发的碳纳米管等[2]。 多孔碳材料、活性碳材料和活性碳纤维：这个排列基本代表了碳材料为提高有效比表面积的发展方向。之所以发展为活性碳，主要是在于通过活化处理(如水蒸汽)后，可以增加微孔的数量，增大比表面积，提高活性碳的利用率。这些材料随制作电极工艺的不同先后出现过:活性碳粉与电解液混合制成的糊状电
超级电容器的三种测试 办法详解 集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
超级电容器电极材料性能测试的三种常用电化学方法，欢迎大家一起交 流 ★★★★★★★★★★ 关于超级电容器电极材料性能测试常用的三种电化学手段，大家一起交流交流自己的经验。我先说说自己的蠢蠢的不成熟的经验。不正确或者不妥的地方欢迎大家指正批评，共同交流。希望大家都把自己的小经验，测试过程中遇到的问题后面如何解决的写出来，共同学习才能共同进步。也希望大家可以真正的做到利用电化学板块解决自己遇到的电化学问题。 循环伏安cyclicvoltammetry(CV) 由CV曲线，可以直观的知道大致一下三个方面的信息 Voltagewindow（水系电解液的电位窗口大致在1V左右，有机电解液的电位窗口会在2.5V 左右）关于很多虫虫问，电位窗口应该从具体的哪个电位到哪个电位，这个应该和你的参比电极和测试体系有关。工作站所测试的电位都应该是相对于参比电极的，所以不要纠结于为什么别人的是0-1V，而你测试的是-0.5-0.5V，这个与参比电极的本身电位（相对于氢标的电位）以及测试的体系本身有很大关系。 Specificcapacitance（比电容，这个是超级电容器重要的参数之一，可以利用三种测试手段来计算，我一般都是利用恒电流充放电曲线来计算） Cyclelife（超级电容器电极材料好坏的另一个比较重要的参数，因为一个很棒的电极材料应该是要做到既要有比较高的比电容又要有比较好的循环稳定性） 测试的时候比较重要的测试参数：扫描速度和电位扫描范围。电位的扫描范围，一般会在一个比较宽的范围扫描一次然后选择电容性能还比较好的区间再进行线性扫描，扫描速度会影响比电容，相同的电极材料相同测试体系扫速越大计算出的比电容会越小。
硕士学位论文 论文题目锂离子超级电容器的研究 研究生姓名刘旭 指导教师姓名郑军伟 专业名称高分子化学与物理 研究方向超级电容器 论文提交日期2012-04-01
锂离子超级电容器的研究中文摘要 中文摘要 超级电容器是一种高功率密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，是科技工作者的一个热门话题。超级电容器具有充放电速度快、效率高、循环寿命长、工作温度范围宽、可靠性好等诸多优点，但是与传统的二次电池如锂离子电池相比，超级电容器的能量密度较低。 本研究主要通过用传统方法做成了以活性碳为电极的对称性电容器，和以石墨、Li4Ti5O12取代一个活性炭电极的非对称性电容器做了对比，尝试得到能量密度更高、循环寿命更好的超级电容器。主要研究内容如下： （1）采用活性炭为对称性电极，以1mol/L LiPF6/EC+DEC(体积比1:1)为电解液，用不同的正负电极质量比，获得最佳的电容器 （2）以改进的固相法得到的Li4Ti5O12材料为基础，研究了TiN表面修饰对其电化学性能的影响。结果表明：表面修饰TiN能够显著提高Li4Ti5O12材料的导电性，倍率性能和循环寿命。 （3）以Li4Ti5O12为负极，以石墨为正极，探究出了一种性能更好的体系，得到了比较理想的超级电容器。 关键词：超级电容器；活性炭；锂离子二次电池；Li4Ti5O12 作者：刘旭 指导老师：郑军伟教授
Abstract锂离子超级电容器的研究The performance research of Lithium-ion supercapacitors Abstract Supercapacitor is a kind of high power density of passive energy storage devices, along with its coming out, how to apply supercapacitor well is a hot topic for the workers. Supercapacitor with charge and discharge speed, high efficiency and long cycling life, wide working temperature range, good reliability, and many other advantages, but with the traditional secondary battery than such as lithium ion battery, supercapacitor energy density is lower. This research mainly by using traditional methods to make it to the symmetry of activated carbon electrode capacitor, and with graphite, Li4Ti5O12replace an activated carbon electrode asymmetry of the capacitor made the contrast, try to get higher energy density, circle life better super capacitors. The main contents are as follows: (1) The active carbon electrode for symmetry, with 1 mol/L LiPF6/ EC + DEC (volume ratio of 1 to 1) for the electrolyte, with different positive and negative electrode than quality, get the best capacitors (2) To improve solid phase method get Li4Ti5O12 materials as the foundation, study the TiN surface modification on the electrochemical performance influence. The results show that surface modification TiN can obviously improve the conductivity of the Li4Ti5O12 materials, rate of performance and circle life (3) To Li4Ti5O12 for negative with graphite as positive, explore a performance with better system, obtained the ideal supercapacitors. Key words: Supercapacitors；Active carbon；Li-ion battery; Li4Ti5O12 Written by Xu Liu Supervised by Prof. Junwei Zheng
电容型锂离子电池原理、性能全解析 锂电池和超级电容是两种非常有潜力、应用非常广泛的储能装置，其原理、特性、应用范围都有很大差异、各有所长。石墨烯自问世以来，就因为其强大的导电性能被看做革命性的储能材料。试想一下，如果将超级电容、锂电池和石墨烯这三者结合，将碰撞出什么样的火花呢？ 充电5分钟！续航500公里！石墨烯电池让动力无忧！ 石墨烯，是由碳原子组成的单原子层平面薄膜，厚度仅为0.34纳米，单层厚度相当于头发丝直径的十五万分之一。是目前世界上已知的最轻薄、最坚硬的纳米材料，透光性好，能折叠。因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料，在传统的手机锂电池中加入了石墨烯复合导电粉末，提高了电池的倍率充放电性能和循环寿命。 然而，制备技术难题是阻碍石墨烯实现其潜在价值的最大“拦路虎”。目前，大多数的石墨烯电池技术还处于研发实验阶段，我们真的要等很久吗？ 日前，珠海聚碳复合材料有限公司旗下全资子公司聚碳动力已经研发出一款真正意义的石墨烯电池商用产品，一举将处于实验室阶段的石墨烯电池拉入电池市场，成功解决现有电源电池不稳定、充电慢、容量低的难题。 珠海聚碳采取了综合性能平衡设计思路，巧妙地将全新的石墨烯基复合碳材料引入电容电池的正负极，将普通超级电容器与高能电池结合为一体，开发出超高性能的新型电池。 核心技术
其核心技术奥秘在于采取了综合性能平衡设计思路，巧妙地将全新的石墨烯基复合碳材料引入电容电池的正负极，实现了普通超级电容器与高能电池结合为一体，从而兼有一般超级电容器和蓄电池的优异性能。 用途 石墨烯全碳电容电池是一种全能的新型动力电源。可解决电动汽车动力问题，还可以在水面舰艇、潜艇、无人机、导弹以及航天领域中应用。特别是其独具的安全性能将会对电动车产业发展带来深刻影响。这一产品集锂离子电池能量密度和超级电容器功率密度优势于一身，按照新国标检测，循环寿命达4000次以上，使用温度范围从零下30摄氏度至零上70摄氏度。在保证一定续驶里程的基础上，可实现大电流快速充电和超长的循环使用寿命。 技术突破 新型石墨烯全碳电容电池的优点是储电量大，由电能转化成化学能，再转化成电能释放出来，其能量密度已经超过目前最顶级的锂离子电池，功率密度接近超级电容，在结构上实现了电池和传统电容的内并，实现了电池和电容的优点兼备。 性能优势 安全稳定，新型石墨烯聚碳电容电池，充满电后用射钉枪打，使其短路，任何反应都没有;放在火上烧，也不会发生爆炸。 充电速度快；石墨烯聚碳电池，可用10C的大电流充电，单块充满电只要6分钟，上百块串联在一起充电，10分钟可达95%以上。 功率密度高，可达 200W/KG~1000W/KG ，相当于锂电池的3倍以上。 超低温特性好，可在摄氏零下30 ℃ 的环境中工作。 电容型锂离子电池原理、性能全解析 1 超级电容器和锂电工作原理
超级电容器结构及特点 超级电容器( supercapacitor，ultracapacitor)，又名电化学电容器(Electrochemical Capaci-tors)、黄金电容、法拉电容，超级电容器通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，其储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容器是20世纪七八十年代发展起来的一种新型的储能装置。它是一种介于传统电容器与蓄电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原原理储存电能，因而不同于传统的化学电源。 超级电容器其容量可达法拉级甚至数千法拉，它兼有常规电容器功率密度大，比普通蓄电池能量密度高的优点，并且具有充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，使用温度范围宽，对环境无污染等特点。因此，从某种意义上讲，超级电容器有着传统电容器和蓄电池的双重功能，弥补了两个传统技术间的空白，因此具有很大的发展潜力。 超级电容器的准确名称是化学或双电屡电容器（具体名称取决于制造商），简称EDLC。超级电容器的表现与传统电容器（包括多层陶瓷电容器、钽电容器、电解电容器等）相似，但能量密度更高。这是由具有极大的电荷存储表面积的多孔炭电极与专门的电解质提供的极薄的板分离层相结合而形成的。 超级电容器属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其他种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近，如图3-6所示。 超级电容器的能量储存在双电层和电极内部，当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子取向聚集到固体电极表面，形成电极／溶液双电层，用以贮存电荷。 虽然，目前全球已有许多家超级电容器生产商，可以提供许多种类的超级电容器产品，但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构，超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料。
超级电容器是一种新型的储能装置，具备充放电快、效率高、稳定性好等优点，是一种清洁的绿色能源，是21 世纪的新型绿色能源。超级电容器有很大的市场潜力。通过对超级电容器电极材料进行研究，发现多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能的影响。 目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植
物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。 2、炭气凝胶电极材料 炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。 3、碳纳米管 碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将
超级电容器模组检测规程 1简介 电容是一个能够在两个电极之间储存能量的电子装臵。超级电容（双电层电容器EDLC）是一种电化学电容器。这巨大的能量密度是通过多孔碳电极表面极大的表面积以及隔膜产 生的极小的电荷分离距离。理想的电容的特性是：具有单一稳定的电容量。电容量与每个 E =C〃V2/2 (2) 实际上，两个极板之间的电介质还是会通过少量的漏电流，这将导致充满电的超级电 容随着时间延长电压衰减。电极、导线等其他因素都会增加等效串联电阻（ESR）。容量、ESR和漏电流/自放电是评判超级电容作为能量储存装臵的三个主要参数，他们分别代表了 储存电荷的能力、充放电效率以及充电后保存电力的能力。 超级电容模组就是将多个超级电容器单体串联，配合电压均衡和放电稳压系统，用铝 合金外壳组合而成的一个新型能量包。超级电容模组的诞生，弥补了铅酸电池等储能器件 的缺陷，超级电容模组的工作温度范围为-40~65℃解决了铅酸电池在室外寒冷条件下使用 效率大大降低的问题；而且超级电容模组不但具备了超级电容单体的所有特性，同是还具 备了可视状态监控功能，能更好的实现免维护易保养。 2模组检测项目 2.1外观 表面应清洁、无锈蚀、无变形及无机械损伤；标识是否清晰完整。 2.2电容量（C） a）用对应的恒定电流对模组充电，充电到额定电压。 b S旋转到直流电 源上,开始用恒定电流放电。 c）在放电的时候当模组终端之间的电压，如图1所示，从U 1下降到U 2 的时候，测量 时间t 1 以及时间t2，并使用如下的公式计算出电容量的数值。
图1 在上式当中： C 表示电容量（单位为法拉） I 表示放电电流（单位为安培） U 1表示超始测量时的电压（单位为伏特） 其中U 1取值80%U R U 2表示测量结束时的电压（单位为伏特） 其中U 2取值50%U R t 1表示从放电开始到达到U 1所需的时间（单位为秒） t 2表示从放电开始到达到U 2所需的时间（单位为秒） 2.3 等效串联内阻测定 直流内电阻法： 图2 a)应使用如图2所示的测量电路来进行测量工作；施加额定电压。 b)将转换开关S 旋转到直流电源上，在恒定电流/恒定电压电源已经达到额定电压之后，将转换开关S 切换到恒定电流放电器上。实施恒定电流放电。 c)用电压表精确记录电容器从充电状态改为放电状态10ms 后电流方向改变时电容器电压的改变ΔU 3， 如图1所示，使用如下的公式来计算出内电阻R d : 上述公式当中： R d 表示直流内阻（单位为欧姆） I×（t 2-t 1） U 1-U 2 C= Δ u 3 2I R d=
一、电学储能系统及机理 电能存在两种不同的储存方式：一种是通过化学反应过程实现电荷的储存和释放，例如电池；另一种则是通过物理静电过程来完成能量的输入和输出，例如超级电容器（特指我公司的碳基双电层电容器）。 根据储能原理的不同，造成电池和超级电容器在性能上的极大差异。 电池类储能元件，由于化学反应涉及每个原子或电化学活性物质分子，通常具有高比容量、高能量密度。同时，化学反应包含着相变和不可逆转换，因而其循环寿命被限制在数千次内。又由于化学反应过程不可避免的受到反应动力学限制，电池体系无法满足大输出功率的应用需求。 超级电容器的充电和放电过程仅通过静电场建立的物理过程来完成，没有化学反应和相变的发生，理论上是完全可逆的，因此具有近乎无限长的循环寿命。且可逆的物理过程仅发生在电极表面，使得超级电容器具有功率密度大、可快速充放电的特点。但也是由于储能过程仅发生在电极表面，超级电容器的比容量和能量密度具有本质上的劣势。 表1. 1碳基双电层电容器和电池的性能比较 电学储能系统类型碳基双电层电容器电池 作用机理静电化学 放电时间数秒到数分钟0.3~3 h 充电时间数秒到数分钟1~5 h 能量密度（Wh?kg-1） 1 ~ 10 ~ 20 ~ 150 功率密度（W?kg-1）500 ~ 10000 < 1000 循环效率（%）0.85 ~ 0.99 0.7 ~ 0.85 循环寿命（次）> 106~ 1500 从上表中可以看出，电池和超级电容器在性能上呈互补性：电池具有高能量密度、低功率密度和短循环寿命；而超级电容器具有高功率密度、长循环寿命，但能量密度低。 将双电层电容原理与电池原理结合而成的混合型超级电容器是目前世界范围的一个研究方向，其一个电极为碳基双电层电容器电极材料(即活性炭，简写为AC），另一个电极为电池电极材料（例如钛酸锂，简写为LTO），因此具有超
超级电容测试方法 超级电容：采用物理、化学或者混合方式实现超大容量双层电容器。主要用来“削 峰填谷”，比如：主电源和备用电源切换时的续电（基站及服务器，网络机房，通讯等行业）；快速充放电短时储存环境（比如动车的启动与刹车时充放电时省电，并且减小对启动电源的要求，地铁车辆，电动车，太阳能发电等）；在快充快放环境是替代一些蓄电池和动力电池（电动工具行业，电动大巴等）。 超级电容特点：快充快放、循环寿命长、放电电流大、功率密度较高、安全、稳定及温度特性好、单节电压较低。 费思负载在测试超级电容时的特点， 精确度：负载就有0.05%的电压回读精确度，保证测试的精确度 集成功能：集成了超级电容的内阻和容量测试功能。测试方法简单。 完善的接口：RS232,USB,GPIB口并且配备相应软件，数据，图像报告，循环测试一键完成。 配件及软件：可监控电容组的每分电容的电压一致性和电压值，同时监控温度， 测试内容：内阻、容量、单节一致性、充放电曲线。 测试仪器：电源（电压高于电容组的最高开路电压，电流适当）、电容器、负载仪（功率及电压适当）、示波器（长存储最好）、万用表（选用，使用费思负载，可不使用本仪器）。 充电方式： 恒流转恒压充电。 接线方式，测试之前请确认电容的正负极。请确认连接电路。 超级电容充电测试
负载设置：远端采样打开，电池（电容）恒压功能打开， Shift+0打开电容测试功能。设定截止电压，电容计算电压的上下限。设定充电电流。按on/off键，开始测试，屏幕显示测试结果。一键完成测试。 本测量测试，充电时间，充电内阻，充电电量，电容容量。充电曲线，漏电流等测试。充电曲线，请链接上位机软件。 以上设置，请参看相关说明书。 放电方式： 接线方式：请确定电容正负极及确定连接方式。 超级电容放电测试 负载设置：远端采样打开，电池（电容）恒压功能打开， Shift+0打开电容测试功能。设定截止电压，电容计算电压的上下限。设定放电电流。按on/off键，开始测试，屏幕显示测试结果。一键完成测试。 本测量测试，放电时间，放电内阻，放电电量，电容容量。放电曲线。 放电曲线，请链接上位机软件。 以上设置，请参看相关说明书。 配件及配件功能和软件 配件及配件说明： 接线端子：配件每组具有6个端子，分别接负载、电容和电源。 通讯接口：具有RS232接口接电脑，连接软件。 电压采样：具有32路电压测量端子，测量各个分电容的电压曲线。 温度采样：具有8路温度测量端子，测量电容组在充放电循环时的发热及分布。
今天很荣幸在这给大家分享一下我们组经过两周的交流和学习后关于一些超级电容器相关的一些基础知识，我在我们组主要是负责比较超级电容器和锂离子电池的一些基本认识以及它们的一些优势和劣势，还有就是在一些领域的应用。尽管我们在收集材料时已经做了很大的努力，也花了很大的时间，但基于时间和基础知识的关系其中也存在着一些的不足之处，也请各位同学和老师可以谅解同时也欢迎各位老师同学给予纠正。 首先呢我也知道也有不少的组呢选择了锂离子电池，所以我要先强调无论是锂离子电池还是超级电容器它们都是无数科学家的汗水和智慧的结晶，所以它们在不同的领域各自发挥着它们不同的作用，所以此次报告我也只是从客观因素上对二者在一些性能上做一些阐述，并非因我们组选择超级电容器就否定锂离子电池对人类和社会的贡献。 超级电容器与锂离子电池的区别 两种电子器件的基础知识。 1.超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。 2.锂离子电池:是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来 工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。电池一般采用含有锂元素 的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。 两种电子器件的工作原理。 1.超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时， 与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。
超级电容测试方法 1．静电容量测试方法： ⑴测试原理 超级电容器静电容量的测试，是采用对电容器恒流放电的方法测试，并按下列公式计算； C=It/(U1－U2) 式中：C——静电容量，F； I——恒定放电电流，A； U1 、U2——采样电压，V； t——U1 到U2所需的放电时间，S。 ⑵测试程序 用100A的电流对电容器充电，电容器充电到最高工作电压止并恒压10秒，然后，以100A的电流对电容器放电，取U1 为1.2V, U2为1.0V，记录该电压范围内的放电时间，共循环3次。计算每次循环的静电容量，取平均值。 2．储存能量测试 ⑴测试原理： 超级电容器能量的测试，是采用以电容器给定的电压范围，对电容器进行恒功率放电到1/2工作电压的方法进行。电容器的输出能量W是由恒定放电功率P和放电时间t关系得到的，即： W = P?t ⑵测试工序 用恒定电流100A对电容器充电到最高工作电压，然后，恒压至充电电流下降到规定电流（牵引型10A，启动型1A），静止5秒后，以恒定功率对电容器放电到1/2工作电压，录放电时间并计算能量值。循环3次测量，取平均值。 注：恒定功率值确定方法是以标称能量确定的，牵引型2W/KJ，启动型5W/KJ。3．等效串联电阻测试（DC） ⑴测试原理 电容器的内阻是根据电容器断开恒流充电电路10毫秒内，电压的突变来测量的。即：式中：R——电容器的内阻； U0——电容器切断充电前的电压； Ui——切断充电后10毫秒内的电压； I——切断充电前的电流。 ⑵测量工序 对电容器以恒定电流100A充电，充电至最高工作电压的80%时断开充电电路，用采样机分 别记录电容器断电后10毫秒内的电压变化值，并计算内阻，重复3次，取平均值。 4．漏电流测试 将电容器以恒电流100A充电至额定电压，在此电压值下恒压充电3h，记录充电过程的电流值。 5．自放电测试 将电容器以恒电流100A充电至额定电压后，在此电压值下恒压充电30min，然后开路搁置72h。在最初的三个小时内，每一分钟记录一次电压值，在剩余的时间内，每十分钟记录一次电压值。 计算自放电能量损失，SDLF(self-discharge energy loss factor)=1-(V/Vw)2，计算时间点分别为：
超级电容器电极材料 超级电容器，作为当下储能研究的一大热点，普遍具有以下优势： 1、快速的充放电特性 2、很高的功率密度 3、优良的循环特性 然而，它的不足完全制约了它的实际应用——能量密度很低。目前，商用的超级电容器可以提供10WhKg-1，而相比之下，锂离子电池的能力密度高达18010WhKg-1。因此，如何能提高超级电容器的能量密度，称为眼下超级电容器研究领域亟待解决的首要问题。学术圈致力于通过开发新的电极材料、电解质、独创的器件设计方案等方法，来实现这一问题的突破。 想要通过更好的电极材料（同时需要价格低廉，环境友好）来实现在超级电容器性能上的重大的进展，需要对电荷储存机理，离子电子的传输路径，电化学活性位点有全面、深远的认识。由此，纳米材料因为其可控的离子扩散距离、电化学活性位点数量的扩大等特点成为研究热门。 根据储能机理的不同，超级电容器可以分为：双电层电容器EDLC，赝电容。EDLC通过物理方法储存电荷——在电解质、电极材料界面上发生可逆的离子吸附。而赝电容通过化学方法储存电荷——在电极表面（几纳米深）发生氧化还原反应。通常，EDLC的电极材料为碳材料，包括活性炭，碳纳米管，石墨烯等。然而赝电容的电极材料包括：金属氧化物（RuO2, MnO2, CoOx, NiO,Fe2O3），导电高分子（PPy，
PANI,Pedot）。 设计一款高性能的超级电容的标准是： 1、很高的比容量 （单位质量的比容量，单位体积的比容量，或者是活性物质的面积） 2、很高的倍率性能 在高的扫速下200mV/s或电流密度下，容量的保持率。 3、很长的循环寿命 另外，活性材料的价格与毒性也需要计入考量。 为了制备高容量的电极材料，上述因素需要进一步讨论。 1、表面积：因为电荷是储存在电容器电极的表面，具有更高表面积的电极可以提高比容量。纳米结构的电极可以很好的提高电极的表面积。 2、电子和离子的导电性：因为比容量、倍率性能是由电子、离子的导电性共同决定，高的离子、电子电导将会很好的维持CV曲线中的矩形图线，以及GCD中充放电曲线的对称性。 同时，这也将减少充电电流增大后的比容量损失。 典型的增加电子电导的方法有： （1）Binder-free electrode design 不实用粘结剂 （2）纳米结构集流体设计——这可以为电子传输的提供高效途径 增加离子电导的方法：
超级电容器测试 测试所需工具： 精度天平（0.01 mg）、超声波清洗器、烘箱、热台、玻璃板、玻璃棒、切片机（压片机）、两电极模具（三电极测试电解池）、电化学工作站。超级电容器的结构: 超级电容器一般是由电极材料、隔膜和电解液组成。对于电极材料来说，因活性炭、石墨烯、碳纳米管等碳材料具有导电性能好、对电解质化学惰性、比表面积大等优点，在电容器中得到了广泛的应用。 电极材料一般又由活性材料、导电剂、粘结剂和集流体构成。碳材料一般作为活性物质，导电剂对极片的容量有较大影响，这主要是因为导电剂种类和含量影响电极电阻，而内阻的大小又影响充放电过程的进行程度，进而影响容量。为了增加电极的强度，防止循环过程中活性物质的脱落、变形，必须在其中加入粘结剂。集流体主要用于负载电极活性物质，连接外引出电极的导电结构部分，完成电子收集功能。 常用的电解质主要分为液态电解质和固态电解质。液态电解质包括水溶液和非水溶液体系；固态电解质分为有机类和无机类。 隔膜的作用是有效隔离超级电容器的两个电极，避免电极接触引起的短路。 超级电容器性能指标： 超级电容器的性能指标主要有：容量、内阻、漏电流、能量功率密度、循环寿命等。 容量：电容器在一定的重量或者体积范围内存储的容量，单位为F。一般可以通过电压-电流感应曲线（CV）、恒流充放电等测试计算得出。 内阻：又称为等效串联电阻，分为直流内阻和交流内阻，一般会测试超级电容器的阻抗谱（Nyquist plot 或者Bode plot）。 漏电流：在恒定电压下，一定时间后测得的电流。 能量功率密度：通过电压-电流感应曲线（CV）、恒流充放电等测试计算得出。 循环寿命：超级电容器经过完整恒流充放电而保持一定性能的次数。通过数万次的恒流充放电等测试得出。 活性材料测试超级电容器性能过程： 1.对于制备的粉末电极活性材料在测试时，是按照活性材料、导电碳粉、PTFE粘结剂的重 量比85:10:5混合，加入5 mL乙醇超声分散半小时使得材料混合均匀。放入烘箱中45℃（温度可调）下干燥，然后在50℃（温度可调）下在玻璃板上用玻璃棒擀电极片。