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超级电容器的充放电实验曲线测试一、实验目的了解超级电容器结构组成以及工作原理，理解超级电容器等效电路模型，学会绘制超级电容器充放电曲线。
二、超级电容器结构以及工作原理超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔膜四个部件。
超级电容器电极由多孔材料在金属薄膜（常用铝）上沉积而成，而活性炭则是常用的多孔材料。
充电时，电荷存储于多孔材料和电解质之间的界面上。
电解质的选择往往是电容器单体电压和离子导电性之间妥协的结果，追求离子导电性的最大化可能会导致所选择的电解质分解电压低至1V 。
隔膜通常是纸，起绝缘作用，可以防止电极之间任何的导电接触。
必须能够浸泡在电解质中，并且不影响电解质的离子导电性。
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。
当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V 以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。
由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。
三、实验线路图四、实验步骤1、充电实验按照实验线路图连接电路，将开关接到K端，使电源接入电路中，实现超级电容的充电过程，通过串口命令记录电流和电压。
2、放电实验在超级电容器充电完成后，将开关接到另一端，将电源断开，实现超级电容的放电过程，通过串口命令记录电流和电压。
五、注意事项1、超级电容器具有固定的极性。
在使用前，应确认极性。
2、超级电容器应在标称电压下使用。
当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。
电化学工作站测试超级电容器郑州世瑞思仪器科技有限公司RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法，如：“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法“交流阻抗谱”等，可对超级电容器进行深入的研究。
以前，人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。
随着超级电容器应用领域的不断扩展，特别是对快速充放电要求的提高，使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。
对超级电容器实施快速循环充放电，需要设立一个限压换流模块，属于反馈控制。
就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后，立即通知驱动单元改变电流方向。
限压换流的过程必须快速，否则就控制不住了。
在 RST5200E 电化学工作站中，限压换流功能由硬件实现，从而确保该反馈控制过程小于1mS。
下表列出了一些电化学测试仪器的指标：下面对RST5200E 电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。
1. 超级电容器的连接工作电极引线夹（绿蓝）接超级电容器正极。
参比电极引线夹（白黄）接超级电容器负极；辅助电极引线夹（红）接超级电容器负极。
运行中，请勿断开超级电容器。
2 .软件功能2.1 界面布局左上部为文本框，用于显示运行参数和测量数据。
左下部为操作面板，用于接受操作者的选择。
右边为图形框，用于显示被选中的循环，这些循环属于该曲线的一部分。
2.2 定位显示本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。
通过操作面板，可调整显示参数：起始循环、循环数量。
2.3 数据计算软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算，其结果显示于文本框中，有：充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。
2.4 删除多余的循环在菜单<数据处理>中，设有三个子菜单。
2.4.1 <删除最初一个循环>：通常，由于电容器测试前的初始储能状态不确定，使得第一个循环的充放电不完整，通过该菜单可以删除这个循环。
实验报告题目C,MnO2的电化学电容特性实验姓名许树茂学号***********所在学院化学与环境学院年级专业新能源材料与器件创新班指导教师舒东老师完成时间2012 年 4 月1.【实验目的】1. 了解超级电容器的原理；2. 了解超级电容器的比电容的测试原理及方法；3. 了解超级电容器双电层储能机理的特点；4. 掌握超级电容器电极材料的制备方法；5. 掌握利用循环伏安法及恒流充放电的测定材料比电容的测试方法。
2. 【实验原理】超级电容器的原理超级电容器是由两个电极插入电解质中构成。
超级电容与电解电容相比,具有非常高的功率密度和实质的能量密度。
尽管超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,但是超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似。
图1 超级电容器的结构图从图中可看出,超级电容器与电解电容或者电池的结构非常相似,主要差别是用到的电极材料不一样。
在超级电容器里,电极基于碳材料技术,可提供非常大的表面面积。
表面面积大且电荷间隔很小,使超级电容器具有很高的能量密度。
大多数超级电容器的容量用法拉(F)标定,通常在1F到5,000F之间。
(1) 双电层超级电容器的工作原理双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。
对一个电极/溶液体系,会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。
当在两个电极上施加电场后,溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移,在电极表面形成双电层;撤消电场后,电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定,在正负极间产生相对稳定的电位差。
这时对某一电极而言,会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷,使其保持电中性;当将两极与外电路连通时,电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流,溶液中的离子迁移到溶液中成电中性,这便是双电层电容的充放电原理。
根据双电层理论,双电层的微分电容约为20µF/cm2,采用具有很大比表面积的碳材料可获得较大的容量。
1 结果和讨论1.1 容量特性研究超级电容器的容量的研究，通过测量电容器的循环充放电曲线来确定电容器的稳定性、ESR 、充放电效率和不同电流密度下的比容量，来确定电容器的性能。
1.1.1 电容器的充放电性能如图3.1为活性炭电容器多周期恒流充放电曲线，充电电流为2.5mA 电流密度为i 有可以从其中看出，该电容器的充放电曲线具有良好的对称型随时间的变化呈现线性变化，且具有周期性，说明实验样品具有稳定的电容，ESR 。
02000400060008000100001200014000160000.00.20.40.60.81.0电压 (V )时间 (s)图3.1活性炭电容器多周期充放电曲线1.1.2 电容器的比电容和电流密度之间的关系称量电极片的质量可知，电极圆片的质量为0.031g ，因此集流体的质量为0.031g ，所以单极圆片上活性物质（活性炭）的质量m 0有将两片电极圆片放在电解质溶液中浸泡，是电极圆片上吸附足够多的电解质溶液后组装成电容器，即在充放电电流为2.47mA ，进行恒流充放电测试，测试结果如3.1所示，电压从0V 到1.0V 。
从图中曲线可以计算出，在2.47mA 恒流循环充放电情况下，单体的比电容为153.8F/g 。
在2.47mA 下的电流密度为：在让该电容器在不同的电流密度下进行恒流充放电，得到图3.2不同电流密度下时的放电曲线。
电压 (V )时间 (S)图3.2活性炭电容器在不同电流密度下的放电曲线从图3.2可以看出，随着放电电流密度的大幅度增加，电容器的放电曲线仍保证较好的线性，但随着放电电流密度的增加，直线的斜率的绝对值增加，即其活性炭的比电容在减小。
如图3.3所示，当电流密度由0.1A/g 增大至0.4A/g 时，活性炭的比电容有155.2F/g 衰减到125.5F/g ，出现了19.1%的衰减。
大电流充放电导致活性炭比电容的衰减是因为大电流充放电时，充电速度快，充电很快完成，而且活性炭中孔径较小的微孔由于阻抗较大，时间常数大而来不及完全充电，导致活性炭的比电容减少，而且通过活性炭的平均孔径越小比电容衰减越严重，当电流密度为1.0A/g 时，活性炭电容器直接被击穿，说明电容器直接变导线，没有了储能的作用。
超级电容器实验报告C,MnO2的电化学电容特性实验姓名许树茂学号 xx4016005所在学院化学与环境学院年级专业新能源材料与器件创新班指导教师舒东老师完成时间xx 年4 月1、【实验目的】1、了解超级电容器的原理；2、了解超级电容器的比电容的测试原理及方法；3、了解超级电容器双电层储能机理的特点；4、掌握超级电容器电极材料的制备方法；5、掌握利用循环伏安法及恒流充放电的测定材料比电容的测试方法。
2、【实验原理】超级电容器的原理超级电容器是由两个电极插入电解质中构成。
超级电容与电解电容相比,具有非常高的功率密度和实质的能量密度。
尽管超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,但是超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似。
图1 超级电容器的结构图从图中可看出,超级电容器与电解电容或者电池的结构非常相似,主要差别是用到的电极材料不一样。
在超级电容器里,电极基于碳材料技术,可提供非常大的表面面积。
表面面积大且电荷间隔很小,使超级电容器具有很高的能量密度。
大多数超级电容器的容量用法拉(F)标定,通常在1F到5,000F 之间。
(1)双电层超级电容器的工作原理双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。
对一个电极/溶液体系,会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。
当在两个电极上施加电场后,溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移,在电极表面形成双电层;撤消电场后,电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定,在正负极间产生相对稳定的电位差。
这时对某一电极而言,会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷,使其保持电中性;当将两极与外电路连通时,电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流,溶液中的离子迁移到溶液中成电中性,这便是双电层电容的充放电原理。
根据双电层理论,双电层的微分电容约为20µF/cm2,采用具有很大比表面积的碳材料可获得较大的容量。
五、结果与分析1、实验过程总结与知识点查阅○1超级电容器的结构：[1]超级电容器主要由三部分组成：电极、电解液和隔膜，其中电极由集流体和电极材料组成。
本实验中，集流体为泡沫镍，集流体起到降低电极内阻的作用，活性物质为三维石墨烯-Co3O4复合材料。
○2超级电容器的分类及原理分为双电层电容器和赝电容器双电层电容器：充电时，电解液中的带电粒子被吸附在电极表面，形成双电层结构，从而将能量储存起来。
在双电层电容器工作的过程中，电解液中的粒子只发生电迁移、扩散、传质，完全是物理过程，不会和电极发生氧化还原反应。
在充电时，接正极的电极集流体和活性物质带正电，活性物质吸附电解液中的负离子从而形成双电层结构。
同样的，接负极的活性物质带负电，吸引电解液中的阳离子形成双电层结构。
整个超级电容器相当于两个电容器串联。
循环性能好，比电容较低。
赝电容器：由于电解液中粒子与电极材料发生高度可逆的氧化还原反应，形成不稳定的产物，将能量储存起来。
在充电时，活性物质与电解液中的粒子在电极表面或者电极表面及内部发生高度可逆的化学吸附；在放电时则进行解吸附的过程。
循环性能差，比电容高。
○3超级电容器的电极材料[2]：（1）炭材料：活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
主要用于双电层电容器，比容量较低，而且能量密度与功率密度也较低。
( 2 )过渡金属氧化物和导电聚合物，主要用于赝电容器，比容量与能量密度较高，导电性能和循环稳定性相对活性炭较差。
（3）改进材料：制备碳材料与金属氧化物或导电聚合物的复合材料，同时拥有比电容高和循环性能好的优点，如本实验中的三维石墨烯-Co3O4复合材料。
○4循环伏安法测试及其原理循环伏安法是指在工作电极和参比电极之间施加三角波扫描电压，记录工作电极上响应电流与施加电位之间的关系曲线，即循环伏安图。
从伏安图的波形、氧化还原电流的数值及其比值、峰电位等可以判断电极反应机理。
而在本实验中运用循环伏安法，在得到CV 曲线后首先可以从曲线的对称性分析得到样品的循环性能，之后可以通过曲线围成的面积计算样品的电容大小。
用电化学工作站测试超级电容器郑州世瑞思仪器科技有限公司RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法，如：“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法“交流阻抗谱”等，可对超级电容器进行深入的研究。
以前，人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。
随着超级电容器应用领域的不断扩展，特别是对快速充放电要求的提高，使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。
对超级电容器实施快速循环充放电，需要设立一个限压换流模块，属于反馈控制。
就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后，立即通知驱动单元改变电流方向。
限压换流的过程必须快速，否则就控制不住了。
在 RST5200E 电化学工作站中，限压换流功能由硬件实现，从而确保该反馈控制过程小于1mS。
下表列出了一些电化学测试仪器的指标：下面对RST5200E 电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。
1. 超级电容器的连接工作电极引线夹（绿蓝）接超级电容器正极。
参比电极引线夹（白黄）接超级电容器负极；辅助电极引线夹（红）接超级电容器负极。
运行中，请勿断开超级电容器。
2 .软件功能2.1 界面布局左上部为文本框，用于显示运行参数和测量数据。
左下部为操作面板，用于接受操作者的选择。
右边为图形框，用于显示被选中的循环，这些循环属于该曲线的一部分。
2.2 定位显示本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。
通过操作面板，可调整显示参数：起始循环、循环数量。
2.3 数据计算软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算，其结果显示于文本框中，有：充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。
2.4 删除多余的循环在菜单<数据处理>中，设有三个子菜单。
2.4.1 <删除最初一个循环>：通常，由于电容器测试前的初始储能状态不确定，使得第一个循环的充放电不完整，通过该菜单可以删除这个循环。
实验报告题目 C,MnO2的电化学电容特性实验姓名许树茂学号 005所在学院化学与环境学院年级专业新能源材料与器件创新班指导教师舒东老师完成时间 2012 年 4 月1.【实验目的】1. 了解超级电容器的原理；2. 了解超级电容器的比电容的测试原理及方法；3. 了解超级电容器双电层储能机理的特点；4. 掌握超级电容器电极材料的制备方法；5. 掌握利用循环伏安法及恒流充放电的测定材料比电容的测试方法。
2. 【实验原理】超级电容器的原理超级电容器是由两个电极插入电解质中构成。
超级电容与电解电容相比,具有非常高的功率密度和实质的能量密度。
尽管超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,但是超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似。
图1 超级电容器的结构图从图中可看出,超级电容器与电解电容或者电池的结构非常相似,主要差别是用到的电极材料不一样。
在超级电容器里,电极基于碳材料技术,可提供非常大的表面面积。
表面面积大且电荷间隔很小,使超级电容器具有很高的能量密度。
大多数超级电容器的容量用法拉(F)标定,通常在1F到5,000F之间。
(1) 双电层超级电容器的工作原理双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。
对一个电极/溶液体系,会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。
当在两个电极上施加电场后,溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移,在电极表面形成双电层;撤消电场后,电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定,在正负极间产生相对稳定的电位差。
这时对某一电极而言,会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷,使其保持电中性;当将两极与外电路连通时,电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流,溶液中的离子迁移到溶液中成电中性,这便是双电层电容的充放电原理。
根据双电层理论,双电层的微分电容约为20µF/cm2,采用具有很大比表面积的碳材料可获得较大的容量。
