活性炭超级电容器的电化学行为

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。

什么是超级电容超级电容器（supercapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、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。

超级电容器的诞生按照2006年4月发表的专利，EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。

从技术上说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在5分钟内充的电能可以让一个电动车走500英里，电费只有9美元——而烧汽油内燃机的车走相同里程则要花费60美元。

与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多好处。

它可以无限制地接受无数次放电和充电，换句话说，超级电容器没有“记忆”。

但是，一般的超级电容器也有其弱点，就是能量存储率有限，今天市场上的高端超级电容器每磅的存储能量只有锂电池的1/25。

而EEStor开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。

EEStor公司负责人声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时，相比之下，每公斤锂电池是0.12千瓦时，铅酸电池只有0.032千瓦时，这就让超级电容器有了用在从电动车、起搏器到武器等其他领域的可能。

好的铅酸电池能充电500～700次，而根据EEStor的声明，新的超级电容器可反复充电100万次以上，也不会出现材料降解问题。

而且，由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患。

超级电容器向快速充电与大功率发展充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个半小时--在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览会“CEATEC JAPAN”上，这种快速充电的演示成了人们关心的话题。

超级电容器材料的研究及应用超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论上都有一定的发展。

超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。

而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。

一、超级电容器电极材料的研究现状目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域：（1）金属氧化物材料的研究。

金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。

（2）碳材料的研究。

碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一，具有良好的导电性和热稳定性。

而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。

（3）二维材料的研究。

二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。

尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。

（4）金属有机骨架材料的研究。

金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。

这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。

二、超级电容器电极材料的制备方法超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。

其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。

三、超级电容器材料的应用超级电容器在现代工业、航空、军事、医学等领域得到了广泛的应用。

谨以此论文献给所有关心我成长的老师、亲人、同学和朋友们-----------孙帆电解液对超级电容器电化学性能影响的研究摘要超级电容器是一种高效的储能元件，性能介于传统电容器和化学电池之间。

影响超级电容器性能的因素有电极材料、电解液等。

电极材料主要包括碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。

碳材料在超级电容器的材料中由于稳定性好、价格低廉，应用最为广泛；导电聚苯胺（PANI）由于自身的性能与活性炭（AC）制备成聚苯胺/活性炭复合电极得到了广泛的关注，可以用于制备超级电容器。

LiClO4/乙腈在超级电容器研究中得到了广泛的关注，但是市场销售的锂离子电解液对超级电容器的影响不同，这对于超级电容器的实际应用具有十分重要的意义。

本文利用扫描电镜（SEM）、循环伏安法（CV）、恒流充放电、交流阻抗法（EIS）对电极材料进行表征与测试，并利用恒流充放电讨论了两种电解液对超级电容器的电化学性能的影响。

全文主要内容概括如下：（1）活性炭电极与聚苯胺/活性炭电极的制备与性能测试将活性炭、炭黑、聚偏氟乙烯按质量比8:1:1的比例制备活性炭电极。

利用CV在活性炭电极上沉积聚苯胺制备成复合电极。

然后用SEM、CV、充放电和EIS对两种电极进行表征与测试。

结果表明，当电流密度为3 mA·cm-2时，活性炭电极比电容为97.4 F·g-1，1000次充放电循环后，比电容降至首次循环的90%。

而复合电极在3mA·cm-2的电流密度时，比电容为340.4 F·g-1，明显高于活性炭电极，这是因为聚苯胺在充放电过程中，由于其表面形貌产生的双电层电容和氧化还原反应产生的赝电容起到了增加比电容的作用。

经过1000次充放电循环，比电容降至首次循环的70%。

（2）电解液对对称超级电容器电化学性能影响的研究分别组装电解液为LiClO4/乙腈和市售的NH602锂离子电解液两种对称超级电容器。

然后利用充放电进行测试。

超级电容器结构超级电容器是一种高容量、高功率密度和高循环寿命的储能设备，被广泛应用于电子设备、汽车、航空航天和可再生能源等领域。

它通过在电极之间存储电荷来实现能量储存和释放。

超级电容器的结构包括电介质、电极和电解质三个主要部分。

首先是电介质。

电介质是超级电容器的重要组成部分，它起到电荷分离和阻挡电流的作用。

目前常用的电介质材料有活性炭、活性纳米炭素纤维、电解液和铝酸盐等。

活性炭是最常见的电介质材料，它具有较高的比表面积和孔隙结构，能够提供大量的表面反应区域，从而增加电极与电解质之间的接触面积，提高电容器的电容量。

活性纳米炭素纤维是一种新型的电介质材料，它具有良好的导电性和高比表面积，在超级电容器中表现出优异的性能。

其次是电极。

电极是超级电容器的另一个重要组成部分，它是储存和释放电荷的场所。

电极材料通常是具有良好导电性和化学稳定性的材料，如金属、碳纳米管、活性炭和导电高分子材料等。

金属电极是超级电容器中最常用的电极材料之一，它具有良好的导电性和机械稳定性，但容量较低。

碳纳米管是一种新型的电极材料，具有优良的电导率和机械强度，能够提供更大的表面积和更好的电荷储存能力。

活性炭电极是应用最广泛的电极材料之一，它具有可调节的孔隙结构和高比表面积，能够实现大容量的电荷储存。

最后是电解质。

电解质是超级电容器的另一个关键组成部分，它承担着电荷传递和离子传输的任务。

电解质通常是一种能够导电的溶液或固体物质，如硫酸、硫酸铝、盐酸等。

它的选择要考虑到导电性能、电化学稳定性和低内阻等因素。

超级电容器的结构可以分为两种类型：电化学电容器和电双层超级电容器。

电化学电容器的结构包括正极、负极和电解质三个组成部分，其中正极和负极由电极材料构成，电解质则填充在电极之间。

电双层超级电容器的结构是以电解质为界面分离正负电荷，形成两个电容层，正负极采用相同的电极材料。

在实际应用中，为了增加超级电容器的电容量和性能，常采用串联和并联的方式组成电容器电池组，通过增加单个电容器的个数和对电池进行调整，以满足不同领域的储能需求。

为了提高水溶液系中活性炭电极的容量，不仅仅孔隙结构要合适，而且用进行表面官能团的控制的。

这种基底面与棱品面，对硫酸的电偶层容量不一样。

棱晶面上的电偶层容量大，是由于表面官能团的氧化还原而产生的仿真容量等原因所造成的;基底面的电偶层容量小，是受活性炭的半导体性质的影响。

气体活化法所生产的活性炭的比表面积越大，电偶层容量小的基底面变得越多，单位表面积的电偶层容量将下降。

而且，棱晶面越多的活性炭，可以认为电偶层容量将越大。

炭化温度所造成的差异，是因为活化前的棱晶面的比例不同，暗示着活化前原料炭的结构对活性炭的性能有很大的影响。

通常，由于基底面在表面上所占的比例大，所以活性炭的电偶层容量为5一30uF/c㎡左右。

在水溶液系电偶层电容器中，氧含量越多的活性炭，单位重量的静电容量越大。

而且，用氧含量不同的活性炭构成上极与负极时，便制成了浓差电池。

此外，充电时还有正极一侧的氧量增加、负极一侧的氧量减少等现象为’。

可以认为，这些氧是活性炭表面官能团中所含的氧，特别是通过竣基所形成的氧。

经过氧化处理的活性炭的梭基数量增加，有时静电容量能增加20%以上。

但是，氧化过度容易引起电阻增加及气化等问题，耐电压性能将下降。

再则，反复地进行充电及放电、进行高温负荷试验及在非氧化气氛中进行热处理等，具有所增加的容量部分消失的倾向。

还有，表面官能团的仿真容量是通过化学反应形成的，在低温下未发现。

活性炭的电化学性质与石墨及玻璃状碳等不同，随着活性炭的物理性质及表面状态、杂质含量等的不同，变化幅度很人。

在40%(重量)的硫酸水溶液中，固体活性炭的周期伏安测量法结果。

周期伏安测量法是让电位以一定的速度变化，测定反应电流的方法白可以求出使用的电压范围及电偶层容量等电偶层电容器的基本特性。

通常，纵轴用电极面积进行规格化处理。

因为比表面积无法正确地求得，而用重量进行规格化处理。

电偶层容量随着活性炭的不同而异。

活性炭比表面积即使相同.由于炭化温度的不同，静电容量也不一样;而且，在有机系电解液中，比表面积与静电容量之间成直线关系，但在硫酸中则为非线性关系。

超级电容器原理及电特性详细分析超级电容器是一种高能量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，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。

1. 级电容器的原理及结构1.1 超级电容器结构图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（t etraetry lanmmonium perchlorate）。

工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定：其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界面的表面面积。

图1超级电容器结构框图由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。

电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。

这种超级电容器有几点比电池好的特色。

1.2 工作原理超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。

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响应减少。

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超级电容器研究进展XXX摘要：超级电容器是一种介于化学电池与普通电容器之间的新型储能装置。

本文主要介绍了超级电容器的原理、电极材料和电解质研究进展。

关键词：超级电容器电极材料电解质Research Progress of Super CapacitorAbstract：Super capacitor is a new energy storage device between battery and conventional capacitor. In this paper, super capacitor’s principle,research progress on electrode materials and electrolytes were introduced.Key Word: super capacitor electrode materials electrolytes1 引言超级电容器是最近几十年来，国内外发展起来的一种新型储能装置，又被称为电化学电容器。

超级电容器兼具有静电电容器和蓄电池二者优点。

它既具有普通静电电容器那样出色的放电功率，又具备蓄电池那样优良的储备电荷能力。

与普通静电电容器相比较，超级电容器具有法拉级别的超大电容、非常高的能量密度和较宽的工作温度区间[1-3]。

此外由于超级电容器材料无毒[4]、无需维护，有极长的循环充放电寿命,可作为一种绿色环保、性能优异的的储能装备在便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源等[5]方面有着广泛的应用前景。

超级电容器从出现到成熟，经历漫长的发展过程。

当今世界，越来越多的科研机构和商业公司致力于超级电容器的研制与开发工作。

美国、日本、俄罗斯超级电容器界的三大巨头，其产品几乎占据了超级电容器市场的绝大部分。

与这些超级电容强国相比，我国超级电容器研发工作起步晚，发展快，如今已初具规模，并渐趋成熟，但仍存在一定差距。

2 超级电容器工作原理当前得到大家广泛认可的超级电容器的工作原理主要是双电层电容理论和法拉第准（假）电容理论。

碳基超级电容器的制备及其性能研究超级电容器是一种新型的电能储存设备，具有能量密度高、功率密度大、充放电快等特点。

其中，碳基超级电容器作为一种主流的超级电容器，具备安全性高、环境友好、稳定性强等优势。

制备碳基超级电容器的主要步骤包括选材、材料表面处理、电极制备、装配等。

其中，选材是制备碳基超级电容器中最重要的一步。

常见的电极材料包括活性炭、石墨、石墨烯等。

活性炭因其比表面积大、孔径分布均匀等特征受到广泛应用。

但制备过程中易出现结构疏松等问题，降低其储能效率。

石墨烯则因其单层结构和高导电性能受到重视，但制备工艺复杂，成本较高。

在材料表面处理中，通常采用物理氧化、化学处理等方法，使得材料表面微观结构更加均匀，增强材料的储能效率和稳定性。

电极制备中，通常采用混合（mixing）、涂覆、压制等方法，将电极材料与导电添加剂混合或涂覆于导电收集体上。

根据材料的形态和性质，制备不同形式的电极。

在装配中，电极片与电解质层层叠加、固定成电容器的正、负极板，通常采用双层对称结构或者金属电极氧化形式。

超级电容器的性能主要受材料、结构、电解质和制备工艺等方面的影响。

常见的影响因素包括电极表面形貌、导电添加剂、硫酸盐电解质浓度、纳米孔径等。

同时，超级电容器的性能评价指标主要包括比电容、电压范围、循环寿命、能量密度和功率密度等。

其综合性能需要在各方面指标的优化中获得全面提升。

在应用方面，碳基超级电容器广泛应用于能量储存、智能电网等领域。

其高功率密度和短充电时间使得其成为航天、交通等领域的理想能量储存设备。

同时，超级电容器在智能电网、微电网等领域的应用也逐渐增多，对提高电网的稳定性和可靠性起到了重要作用。

总的来说，碳基超级电容器的制备涉及多个方面的技术，需要在材料、制备工艺等方面进行深入研究，以提高其性能并拓宽应用领域。

超级电容是一种新型储能装置，它是靠极化电解液来储存静电能量的电化学装置，又称为电化学双层电容，但是在储能机理上，它是高度可逆的，寿命很长，可以千万次地反复充放电，而且在很大的电流下(10至1000安培)可以快速充放电，此外有很宽的电压范围(0至2.7V)和工作温度范围(-40至+65℃)。

原理超级电容器也属于双电层电容器,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.传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为ε)所隔离,电容值为:C = ε·A / 3.6 πd ·10-6 (μF)其中A为极板面积,d为介质厚度所储存的能量为:E = 1/2 C (ΔV)2其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降.可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d.双电层电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,如图所示:由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能.性能特点：1. 具有法拉级的超大电容量；2. 比脉冲功率比蓄电池高近十倍；3. 充放电循环寿命在十万次以上；4. 能在-40oC-60oC的环境温度中正常使用；5. 有超强的荷电保持能力，漏电源非常小。