1、扣式碳基電容器的組裝及電容測試申卓凡 吉林大學化學學院14級9班【實驗目的】1 掌握雙電層的理論、基本模型及雙電層電容器的工作原理。2 了解扣式電容器的構造，組成材料，掌握電容器的組裝工藝。3 了解電容性能測試儀使用及數據分析方法，探索影響電容性能的因素?！緦嶒炘怼恳?、什么是超級電容器超級電容器(Super Capacitor)，也叫電化學電容器(Electro Chemical Capacitor)，是性能介于傳統電容器和電池之間的一種新型儲能裝置，兼有電池高比能量和傳統電容器高比功率的特點。其比容量是傳統電容器的20200倍，比功率一般大于1000 W/kg，遠遠大于二次電池，循環壽命也

2、優于電池。此外，超級電容器還具有能瞬間大電流充放電、工作溫度范圍寬、安全、無污染等優點，因而在許多場合有著獨特的應用優勢和廣闊的應用前景。二、超級電容器的特點超級電容器作為一種新型的儲能元件，具有如下優點： 較高的容量。超級電容器的容量范圍為0.16000 F，比同體積的電解電容器容量大20006000倍。 超高功率密度。超級電容器能提供瞬時的大電流，在短時間內電流可以達到幾百到幾千A，其功率密度是電池的10100倍，可達到10×103 W/kg左右。 高充放電效率，超長壽命。超級電容器的充放電過程通常不會對電極材料的結構產生影響，材料的使用壽命不受循環次數的影響，充放電循環次數在1

3、05以上。 放置時間長。長時間放置超級電容器的電壓會下降，再次充電可以充到原來的電位，對超級電容器的容量性能無影響。 工作溫度區間寬。超級電容器電極材料的反應速率受溫度影響不大，可在-4070的溫度范圍內工作。 免維護，環境友好。超級電容器用的材料是安全、無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池用的材料具有毒性。超級電容器的不足之處表現為能量密度偏低，漏電流較大，單體工作電壓低。水系電解液超級電容器單體的工作電壓只有1 V左右，要通過多個電容器單體的串聯才能得到較高的工作電壓。而多單體電容器串聯對電容器單體的一致性要求很高。非水系電解液超級電容器單體的工作電壓高一點，可以達到3.5 V。但非水系電解液

4、要求有高純度、無水等很苛刻的條件。三、超級電容器的工作原理超級電容器按儲能機理不同可以分為雙電層電容器和氧化還原準電容器兩種類型。1. 雙電層電容器（Electric Double Layer Capacitor, EDLC） 雙電層的結構雙電層的結構可以在物理化學課程中電動勢產生的原理部分以及膠體與界面可以學習到。當固體與液體接觸時，可以是固體從液體中選擇性吸附某種離子，也可以是由于固體本身的電離作用使離子進入溶液中，使固體與液體帶有不同符號的電荷，在界面上形成了雙電層結構。經過長期深入研究，目前其主要模型有：a)平板雙電層模型：亥姆霍茲于1879年提出。將固體表面上的過量電荷與溶液中的反號

5、電荷的分布狀態視為平板電容器，該模型簡單。b)擴散雙電層模型：古埃和查普曼在20世紀初修正了平板雙電層模型，提出了擴散雙電層模型，認為溶液中的反號電荷在靜電作用、溶液中分子、離子的熱運動和擴散作用的共同影響下，自固體表面上的過量電荷向溶液內部隨距離增加而遞減。此模型應用很普遍，可以解釋很多界面方面的電性質，但是對于固體表面電荷的性質受環境電解質溶液的影響，不能合理解釋溶液性質的改變可以影響表面電荷的數量甚至是電荷性質的轉變。c)斯特恩模型：該模型經進一步修正，較為實際地反映了雙電層的真實結構，已經在浮選理論上得到了廣泛的應用。雙電層由內層和外層組成。固體表面的荷電層為雙電層的內層，內層中決定固

6、體表面電荷或電位的離子稱為定位離子。溶液中被固體表面吸附的，起電平衡作用的反號離子稱為配衡離子。配衡離子存在的液層稱為配衡離子層，即雙電層的外層。雙電層的外層又分兩層，即固體表面較近的緊密層和離礦物表面稍遠的擴散層。三種模型參見下圖： 雙電層電容器的原理由于插入電解質溶液中的固體表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷，從而使相間產生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似，從

7、而產生電容效應，緊密的雙電層近似于平板電容器。但是，由于電極材料的表面積大，緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。雙電層電容器使用絕緣體隔開。這個絕緣層可以讓電解液中的正負離子通過。該電解液本身不能傳導電子。所以當充電結束后，電容器內部不會發生漏電（電子不會從一極流向另外一極）。當放電的時候，電極上電子通過外部電路從一極流向另外一極。結果是電極與電解液中的離子吸附顯著降低。從而使電解液中的正負離子重新均勻分布開來。雙電層電容器是基于碳電極和電解液界面之間形成的界面雙電層電容來存儲能量，其電極通常采用高比表面積的炭材料。充電時，電子通過外電源從正極傳

8、到負極，由于靜電作用電解液中的正負離子分別向負、正電極遷移并在其上定向排列形成雙電層，在電極和電解液界面存儲電荷；放電時電子通過負載從負極移至正極，正負離子則從電極表面釋放并返回電解液本體，恢復到原來的無序狀態。可見，雙電層電容器的充放電過程是一個單純的靜電過程，沒有電化學反應發生，因而可以瞬間大電流快速充放電，其循環充放電次數也沒有理論上的限制。2. 氧化還原準電容器（Pseudo Capacitor）氧化還原準電容器也叫法拉第準電容器，是基于電極表面快速、高度可逆的化學吸附/脫附和法拉第氧化/還原反應產生的準電容來儲存能量，其電極材料主要是金屬氧化物和導電聚合物。在相同的電極面積情況下，準

9、電容是雙電層電容的10倍100倍，但其瞬間大電流充放電的功率特性不及雙電層電容器。并且由于材料的導電性能較差，材料發生氧化還原反應時結構容易被破壞，因此能量密度和循環性能相對較差。四、超級電容器的電極材料目前應用于電化學電容器的電極材料有炭材料、金屬氧化物材料、導電聚合物材料。一般認為炭材料則主要是雙電層電容，再加上一些吸附假電容；而金屬氧化物和導電聚合物主要是由于氧化還原反應而引起假電容。1. 碳材料電極碳材料作為已經商業化的超級電容器電極材料，研究已經非常深入，其包括活性炭（activated carbon，AC）、活性炭纖維（activated carbon fiber，ACF）、炭氣凝

10、膠（carbon aerogels，CAGs）、碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）、石墨等，在這些電極材料表面主要發生的是離子的吸附/脫吸附（adsorption/desorption，a/d）。 活性炭（AC）通過不同工藝炭化、活化制備的AC 有很高的比表面積（10003000 m2/g），高的孔隙率，生產工藝簡單且價格低廉，一直受到人們的青睞，是目前已經商品化的電極材料之一。對于活性炭，雙電層的容量主要取決于電極中炭材料的比表面積和電導率。a. 活性炭的比表面積與活化理論上說, 活性炭材料的比表面積越高，比容量應該越大，但實際的情況卻很復雜，通常測量得到的容量和表面積之

11、間并不成線性關系。實際上，有些表面積較小的炭材料的電容卻比表面積較大炭材料的電容大。人們可以獲得高的比表面積，但由此而計算的理論值與實際值相差較大。這種理論與實際的差別主要原因在于：由于電極微結構限制了電解液對電極內表面的潤濕，使得炭電極的高表面積并沒有被完全利用到?；钚蕴坑泻艽笠徊糠治⒖祝?lt; 2 nm）。一般認為在水溶液中，炭材料中孔徑> 2 nm的中孔對于形成雙電層電容比較有利，而孔徑< 2 nm的微孔則幾乎沒有雙電層形成。對于非水電解液則該孔徑值為5 nm?？讖教?，溶液不容易進入浸潤這些微孔，而且在孔徑尺寸與雙電層大小相近的區域也不易形成雙電層，因而那些有較大部分微孔

12、的電極將會有很低的利用率。未經活化處理的AC 微孔過多，不利于電解液的浸潤，不利于雙電層的形成，因此，開發高中孔率的AC是目前的研究重點?；罨姆椒ㄓ形锢砘罨突瘜W活化兩種。物理活化主要是在水蒸氣、CO2和空氣的存在下， 于7001000進行熱處理。這些氧化性氣氛的存在，能極大地增加材料的比表面積和多孔性，從而增大材料的比電容。化學活化是利用某些酸（如HNO3）或堿（如KOH）進行化學腐蝕，以增加材料的比表面積和表面官能團，或用表面活性劑（如油酸鈉）對材料進行化學改性， 以提高電解液在材料中的浸潤性，從而提高比電容。b. 活性炭的電導率由于活性炭或活性炭纖維的導電性不好, 通常需添加石墨、炭纖

13、維等增大炭電極導電能力的材料, 并且作極化電極時要將它們裝入金屬殼內加壓以便增加粉末間或纖維間的導電性。為增加炭電極的導電性，有幾種方法：一是燒結金屬纖維的高導電基體和活性炭纖維緊密結合的電極技術, 用活性炭和鎳纖維復合物作為電極, 這樣電流可通過高導電性的金屬相來傳遞, 可大大減少炭-炭接觸的數目。二是研制高比表面積固體活性炭來制作電極, 這就是炭-活性炭復合物技術。在活性炭粉末中加入酚醛樹脂或聚甲基丙烯酸甲酯等, 再經過固化、炭化制成炭-活性炭復合物。 活性炭纖維（ACF）活性炭纖維（ACF）是性能優于活性炭的高效活性吸附材料和環保工程材料，高比表面積的活性炭纖維布是已商品化的電極材料之一

14、。ACF 的制備一般是將有機前驅體纖維在低溫（200400）下進行穩定化處理， 隨后進行炭化活化（7001000）。ACF 具有比表面積高、孔徑分布窄、導電性好及比電容高的特點。 炭氣凝膠（CAGs）炭氣凝膠（CAGs）是唯一具有導電性的氣凝膠，具有導電性好、比表面積大、密度變化范圍廣等特點，且輕質、多孔、非晶態、塊體納米炭材料，其連續的三維網絡結構可在納米尺度控制和剪裁。它的孔隙率高達80%98，典型的孔隙尺寸小于50 nm，網絡膠體顆粒直徑320 nm，比表面積高達6001100 m2/g，是制備雙電層電容器理想的電極材料。CAGs 制備一般可分為三個步驟：即形成有機凝膠、超臨界干燥和炭化

15、。其中有機凝膠的形成可得到具有三維空間網絡狀的結構凝膠；超臨界干燥可以維持凝膠的織構而把孔隙內的溶劑脫除；炭化使得凝膠織構強化，增加了機械性能，并保持有機凝膠織構。目前影響CAGs 商業化應用的主要問題是其原材料昂貴、制備工藝復雜、生產周期長、規?；a難度大等原因，導致炭氣凝膠產品產量低、成本高，市場難以接受。目前CAGs 還未能實現產業化，不過具有相當大的應用前景。 碳納米管（CNTs）從電容器的儲電原理來看, 碳納米管是理想的電極材料。首先碳納米管是中空管，比表面積大，特別是單壁納米管，有利于雙電層電容的形成。另外，形成碳納米管中碳為sp3雜化，用三個雜化軌道成環連在一起，一般形成六元環

16、，還剩一個雜化鍵，這個雜化鍵可以接上能發生法拉第反應的官能團（如羥基、羧基等）。因此CNTs不僅能形成雙電層電容，而且還是能充分利用假電容儲能原理的理想材料。除此之外，CNTs還具有化學穩定性好、導電性好和密度小等優點。然而，僅用CNTs 作ECs 的電極材料時，性能還不是很好，有可逆比電容不很高、充放電效率低、自放電現象嚴重和易團聚等不足，加之成本較高，暫時還不能很好地滿足實際需要。 石墨烯（graphene）石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構碳材料，具有很大的比表面積（2675 m2 /g）、優異的導電性和導熱性、很高的力學強度，符合高能量密度和高功率密度的超級電容器對電極材料的要求，

17、是理想的超級電容器電極材料。2. 過渡金屬氧化物電極過渡金屬氧化物材料，如氧化鈷、氧化錳、氧化鎳等，相對于碳材料具有很高的比電容，有著良好的電化學性能，其作為超級電容器電極材料顯現出來的電容包括兩個部分：雙電層電容和法拉第電容，但是以法拉第電容為主。在電極表面主要包括兩個過程， 離子的吸附/脫吸附（adsorption/desorption，a/d）和插入/脫出（insertion/extraction，i/e），尤其是納米級別的過渡金屬氧化物，有著良好的電化學性能，作為超級電容器電極材料的研究已有很多報道。3. 導電聚合物電極導電聚合物作為超級電容器電極材料具有良好的電子導電性, 且比容量大

18、，通常比活性炭材料高23倍。在充放電過程中，電極內具有高電化學活性的導電聚合物進行可逆的p型或n型摻雜或去摻雜，從而使導電聚合物電極存儲高密度的電荷，產生大的法拉第電容。導電聚合物的p型摻雜過程是指外電路從聚合物骨架中吸取電子，從而使聚合物分子鏈上分布正電荷，溶液中的陰離子位于聚合物骨架附近，從而保持電荷平衡（如聚苯胺）；而n型摻雜過程是從外電路傳遞過來的電子分布在聚合物分子鏈上，溶液中的陽離子則位于聚合物骨架附近保持電荷平衡（如聚乙炔）。目前應用于超級電容器的導電聚合物主要有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANi）、聚噻吩（PIH）及其相對應的衍生物和聚對苯（PPP）、聚并苯（PAS）等。目前導

19、電聚合物電極材料還存在著多次循環充放電以后離子傳輸較慢、直接用其作為電極材料的電容器內阻較大等缺點。不斷開發新型導電聚合物，改進導電聚合物電極材料的性能，優化超級電容器陰、陽極上聚合物的電化學匹配性是導電聚合物超級電容器研究的主要方向。4. 復合材料電極 和金屬氧化物電極材料相比，碳材料單獨作為超級電容器電極材料比電容較小，而過渡金屬氧化物單獨作為超級電容器電極材料結構致密，不利于電解液的浸潤，導電性能較差。用導電性能較好的碳材料復合比電容較大的金屬氧化物，如此一來很好地解決了問題。 碳材料中的多孔碳材料和碳納米管均具有高比表面積、高導電率和化學穩定等優點，若能以多孔碳材料或碳納米管為載體復合

20、適當的導電聚合物，勢必會大大改善電極材料的性能。 金屬氧化物與導電聚合物的復合可以將導電聚合物作為載體，通過模板（軟模板和硬模板）、無模板等方法將其制備成相應的納米結構，然后與納米的金屬氧化物進行復合。 有機-無機材料的復合能體現兩種材料的協同作用，可以通過復合充分發揮兩類材料的各自優勢，改善電極的綜合性能。五、對稱與非對稱超級電容器超級電容器按照正負電極是否為同一種物質可分為對稱型超級電容器和非對稱型超級電容器。雙電層電容器是最早出現的對稱型超級電容器，兩極主要由具有高比表面積的活性炭電極材料組成。非對稱型超級電容器中，一極采用具有法拉第贗電容或傳統電池的電極材料通過電化學反應來儲存能量，另

21、一極則采用具有雙電層電容的電極材料來儲存能量。非對稱型電容器具有比常規電容器更高的比能量和比二次電池更高的比功率。六、雙電層電容器的電解液雙電層電容器常用的電解液有兩類：一是水溶液系電解液，一般為硫酸或氫氧化鉀溶液，特點是有較低的內阻和較小的能量密度，但功率密度較大；二是有機電解液，種類較多，比如(C2H5)4NBF4、(C2H5)4PBF4、(C2H5)4PCF3SO3 等，溶劑有碳酸丙烯酯等。其特點是具有較高的分解電壓和較大的內阻，同時能量密度也較高。近年來，又有關于使用聚合物電解液和凝膠電解液的報道。1. 水溶液電解質電容器雙電層電容器用水溶液系溶液作為電解液時，操作技術簡單，制作時不需

22、要復雜的控制手段，而且無機電解液的離子較小，可以比較容易地進入炭電極的微孔形成雙電層，有較大的功率密度。水溶液系電解液一個比較明顯的缺點就是水的擊穿電壓太低，影響電容器的能量儲存。在標準熱力學條件下，水的擊穿電壓為1.27 V；但是，其在實際溶液中的表觀電壓接近于1 V。一旦到達擊穿電壓，另一個電極將會有氣體產生。為阻止氣體反應發生，所有的商業電容器的操作電壓都小于1 V，并且在雙極式裝置中考慮到不同電極組之間可能存在的不平衡，因此每一組電極的操作電壓為0.67 V。低操作電壓大大限制了雙電層電容器儲存能量的能力。此外，這些電解質具有腐蝕性，碳材料會出現緩慢氧化，這使得碳材料在用于長壽命器件制

23、造方面受到限制。2. 有機電解質電容器與水溶液電解液相比，有機電解液的電導率比水溶液電解液電導至少小一個數量級。但在實際器件中有機電解液的工作電壓高達3.5 V，根據電容器的能量密度公式E = 1/2 CU2，比能量和電壓的平方成正比，故有機電解液會大大地提高比能量。許多商業器件已使用了有機電解液。七、碳基扣式電容器的組裝和測試扣式電容器的組成，包括封閉的殼體，殼體內的電極和電解液，電極包括正極集流體、正極導電涂層、隔膜、負極導電涂層、負極集流體組成。傳統常用測量電容的方法兩種：一是利用多諧震蕩產生脈沖寬度與電容值成正比信號，儀器通過低通濾波后測量輸出電壓實現；二是采用電橋法，80年代后數字自

24、動電橋的問世使電橋在內部微機的控制下自動平衡，直讀得到最終結果。目前國內外對電容量的測試常用積分法或斜率法測試電容。其原理是測試RC積分時間或以恒流源對被測電容充電，用充電時間或充電終止電壓來計算被測電容的電容量。此法可以達到比較高的測試精度，測量范圍廣，讀數方便，而且能夠實現量程自動轉換，方便可靠?？凼诫婋娙萜鹘M裝成型后，靜置6小時，即可進行充放電實驗。用電流方式對電容進行充放電。通過調節不同充放電的電流倍率以及不同的充放電電壓來測量電容器的首次充放電容量和循環穩定性能?！緦嶒炗闷贰?. 試劑NaOH，KOH，乙醇，蒸餾水，泡沫鎳，活性炭，未知炭，乙炔黑，聚四氟乙烯溶液，錫箔，扣式電池殼。2

25、. 儀器各種玻璃儀器，分析天平，壓片機，扣式電池封裝機，電化學工作站，電池性能測試儀?！緦嶒灢襟E】一、扣式電容器的制備1. 泡沫鎳的處理將泡沫鎳剪成片狀，依次在0.51 mol·L-1 H2SO4溶液、蒸餾水、0.51mol·L-1 NaOH溶液、蒸餾水中超聲，再水洗至中性。將泡沫鎳在50烘干，作為集流體備用。2. 炭材料的制備將多孔炭和未知炭與導電劑乙炔黑、聚四氟乙烯乳液粘結劑（15wt%）按8: 1: 1、7: 2: 1、6: 3: 1、5: 4: 1的質量比混和，并加入適量無水乙醇后調至漿狀。3. 炭材料電極片的制備將炭材料均勻地涂在處理過的泡沫鎳上，干燥后用鋁片夾住

26、，切成圓片狀炭材料電極，在壓片機上以15 MPa壓力壓成厚度均勻的薄片，然后在45下真空干燥12 h。將炭材料均勻地涂在處理過的1cm × 2cm泡沫鎳上，填涂面積為泡沫鎳面積的一半。干燥后用鋁片夾住，在壓片機上以15 MPa壓力壓成厚度均勻的薄片，然后在45下真空干燥12 h。將泡沫鎳沒有涂多孔炭的部分（包括背面）涂上絕緣膠，露出1cm × 1cm的活性炭電極，晾干。4. 扣式電容器的組裝 正極殼開口面向上，平放于玻璃板上。 用鑷子小心夾取電容電極片，將涂布層向上，平整的放于正極殼的正中間。 用極細的玻璃滴管酌量吸取電解液，浸潤正極片表面。 用鑷子夾取隔膜，覆蓋正極片。

27、吸取電解液潤濕隔膜表面?？梢杂玫喂芮岸溯p輕觸碰隔膜，使其平整、均勻，邊緣與電池殼接觸嚴密，避免褶皺。 夾取電容電極片置于隔膜正中。 夾取墊片和彈片置于電極片上，嚴格對齊。 用鑷子夾取負極殼覆蓋。用鑷子夾緊完成的電容器，在不發生漏液、內部滑移等現象的前提下置于壓片機前，用紙巾擦凈電容器表面，正極朝上置入壓片槽。采用16 MPa的壓強壓制電容器。5 s后松開壓片機油閥，取出成品電容器。將電容器在室溫下貯存6-12 h，以備電容器測試。 稱量電容器質量。二、扣式電容器的電化學性能測試三電極測試系統中電容的測試和計算方法：在電容測試實驗中，以6mol·L-1 KOH溶液為電解液，工作電極為制

28、備好的多孔炭電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，利用電化學工作站進行循環伏安或恒流充放電測試，獲得材料的比電容數值。 循環伏安測試電壓范圍設為-1.1 -0.1 V，掃描速率為10-50 mV·s-1，得到循環伏安曲線。由公式 計算得到多孔炭的質量比電容值。其中C為質量比電容，單位：F·g-1；A為曲線的積分面積；S為掃描速率，單位：V·s-1；m 是質量，g；V為掃描電壓范圍，單位：V。 恒電流充放電測試通過新威電池性能測試系統，對電容器進行充電-放電測試。電壓范圍為-1.1 -0.1V，電流密度為1050 A·cm-2，得到電容器的恒電流

29、充放電曲線。由公式 計算得到多孔炭的質量比電容值。其中C為質量比電容，F·g-1；為電流密度，單位：A·cm-2；t為充電或者放電時間，單位s；m 為質量，單位：g；V為電壓范圍，單位：V。 充電-放電測試對電容器進行充電-放電測試。容量性能測試一般在不同電流密度下進行充放電循環；循環性能測試一般看循環100次后的保留容量與首次放電容量的比值，一般不應低于95%。根據測試報告分析獲取三電極測試系統與扣式恒電流方法測試電容性能數據的差異?！緮祿幚砼c結果討論】一、 循環伏安測試1. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 5: 4: 1A = 1.70656 * 10-4S = 0.

30、002 V/sV = 0.20 Vm = 0.051375 gC = = 4.152 F·g-12. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 6: 3: 1A = 1.87228 * 10-4S = 0.001 V/sV = 0.20 Vm = 0.065175 gC = = 7.182 F·g-13. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 7: 2: 1A = 3.62564 * 10-4S = 0.001 V/sV = 0.20 Vm = 0.066075gC = = 13.72 F·g-14. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 8: 1: 1A = 0.00102516S

31、= 0.001 V/sV = 0.20 Vm = 0.092675gC = = 27.65 F·g-15. 未知炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 8: 1: 1A = 0.00252495S = 0.002 V/sV = 0.20 Vm = 0.082875 gC = = 38.08 F·g-1將實驗結果匯總如下：材料比例5: 4: 16: 3: 17: 2: 18: 1: 18: 1: 1(未知炭)C(F·g-1)4.1527.18213.7227.6538.08由上表的實驗結果可得： 多孔炭與乙炔黑的比例越大，炭材料的比電容越大。并且，多孔炭的比例每增大10%，比電

32、容增大50%； 在同樣的炭與乙炔黑比例下，未知炭制成電容器的比電容比多孔炭更大。二、 恒電流充放電測試1. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 6: 3: 1墊片1 mm= 0.002A·cm-2t = 65.0 sm = 3.7972 gV = 0.6 V = 0.0571 F·g-1= 0.01 A·cm-2t = 11.0 sm = 3.8052 gV = 0.6 V = 0.0482 F·g-12. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 6: 3: 1墊片0.8 mm= 0.01 A·cm-2t = 1.1 sm = 3.2055 gV = 0.

33、2 V = 0.0172 F·g-1= 0.01 A·cm-2t = 3.7 sm = 3.2055 gV = 0.6 V = 0.0192 F·g-13. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 6: 3: 1墊片0.5 mm= 0.01 A·cm-2t = 1.6 sm = 2.9674 gV = 0.2 V = 0.0270 F·g-1= 0.01 A·cm-2t = 5.1 sm = 2.9674 gV = 0.6 V = 0.0286 F·g-1= 0.01 A·cm-2t = 1.1 sm = 2.9674 g

34、V = 0.2 V = 0.0185 F·g-14. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 7: 2: 1墊片1 mm= 0.01 A·cm-2t = 10.8 sm = 3.7529 gV = 0.6 V = 0.0480 F·g-1= 0.01 A·cm-2t = 3.8 sm = 3.7529 gV = 0.2 V = 0.0506 F·g-15. 多孔炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 7: 2: 1墊片0.5 mm= 0.01A·cm-2t = 14.5 sm = 3.0333 gV = 0.6 V = 0.0797 F·g-1

35、6. 未知炭: 乙炔黑: 粘結劑 = 8: 1: 1墊片1 mm= 0.01 A·cm-2t = 29.1 sm = 3.8996 gV = 0.2 V = 0.373 F·g-1將實驗結果匯總如下：序號比例墊片/mm質量/g電流/A/cm2t/sV/VC/F·g-116:3:113.79720.00265.00.65.71E-226:3:113.80520.0111.00.64.82E-236:3:10.83.20550.011.10.21.72E-246:3:10.83.20550.013.70.61.92E-256:3:10.52.96740.011.60.

36、22.70E-266:3:10.52.96740.015.10.62.86E-276:3:10.52.96740.011.10.21.85E-287:2:113.75290.0110.80.64.80E-297:2:113.75290.013.80.25.06E-2107:2:10.53.03330.0114.50.67.97E-2118:1:1(未知炭)13.89920.0129.10.237.8E-2由上表的實驗結果可得： 多孔炭與乙炔黑的比例越大，炭材料的比電容越大； 墊片厚度為1mm時質量比電容更大； 同樣的炭與乙炔黑比例，未知炭比多孔炭的比電容更大。三、 電池性能（充放電次數）測試各

37、個比例的電容器基本數據如下：序號比例墊片厚度/mm電流/A質量/gV/V16:3:10.510E-32.96740.626:3:1110E-33.80520.636:3:112E-33.79720.647:2:10.510E-33.03330.657:2:115E-33.75290.668:1:1未知炭110E-33.89920.2為了觀察電容器的充放電壽命，下面，我將分開分析1-6組。1. 對第一組進行分析（序號1，比例6:3:1）電壓&電流-時間圖（500次循環）電壓&電流-時間圖（20-50次循環）第一組（序號1）電容分析：循環次數1100200300400500電容/F

38、17.2E-321.2E-319.5E-320.1E-320E-319.5E-3質量比電容/F·g-15.80E-37.14E-36.57E-36.77E-36.74E-36.57E-3效率/%100100100100100100注：電容器質量為2.9674g，效率由藍電數據分析軟件得出。可以看出，該扣式電容器五百次循環壽命無衰減并且質量比電容比用恒電流分析得出的要大。2. 對第二組進行分析（序號2，比例6:3:1）電壓&電流-時間圖（398次循環）電壓&電流-時間圖（20-50次循環）第二組（序號2）電容分析：循環次數2100200300397電容/F45E-340

39、E-340E-340E-340E-3質量比電容/F·g-111.83E-310.51E-310.51E-310.51E-310.51E-3效率/%100100100100100注：電容器質量為3.8052g，效率由藍電數據分析軟件得出?？梢钥闯觯摽凼诫娙萜魑灏俅窝h壽命無衰減并且質量比電容比用恒電流分析得出的要大。3. 對第三組進行分析（序號3，比例6:3:1）電壓&電流-時間圖（56次循環）第三組（序號3）電容分析：循環次數216304455電容/F65E-370E-370E-370E-370E-3質量比電容/F·g-117.12E-318.43E-318.43

40、E-318.43E-318.43E-3效率/%100100100100100注：電容器質量為3.7972g，效率由藍電數據分析軟件得出?？梢钥闯?，該扣式電容器五十五次循環壽命無衰減并且質量比電容比用恒電流分析得出的要大。除此之外，該電容器的質量比電容比前兩個的要大。4. 對第四組進行分析（序號4，比例7:2:1）電壓&電流-時間圖（344次循環）電壓&電流-時間圖（20-50次循環）第四組（序號4）電容分析：循環次數280160240340電容/F60E-340E-350E-350E-350E-3質量比電容/F·g-119.78E-313.19E-316.48E-31

41、6.48E-316.48E-3效率/%100100100100100注：電容器質量為3.0333g，效率由藍電數據分析軟件得出?？梢钥闯?，該扣式電容器三百四十次循環壽命無衰減并且質量比電容比用恒電流分析得出的要大，前期因為電容器需要活化，所以比電容時高時低，到后邊開始穩定。5. 對第五組進行分析（序號5，比例7:2:1）第五組（序號5）電容分析：循環次數260120180240電容/F45E-335E-340E-340E-340E-3質量比電容/F·g-111.99E-39.33E-310.66E-310.66E-310.66E-3效率/%100100100100100注：電容器質量

42、為3.7529g，效率由藍電數據分析軟件得出?？梢钥闯觯摽凼诫娙萜魑灏俅窝h壽命無衰減并且質量比電容比用恒電流分析得出的要大，但是該電容器在這兩百四十次循環中容量并不穩定。電壓&電流-時間圖（241次循環）電壓&電流-時間圖（20-50次循環）6. 對第六組進行分析（序號6，未知炭，比例8:1:1）電壓&電流-時間圖（198次循環）電壓&電流-時間圖（20-50次循環）第六組（序號6）電容分析：循環次數250100150196電容/F150E-390E-395E-395E-3100E-3質量比電容/F·g-138.47E-323.08E-324.36

43、E-324.36E-325.65E-3效率/%100100100100100注：電容器質量為3.8992g。效率由藍電數據分析軟件得出?？梢钥闯?，該扣式電容器五百次循環壽命無衰減但質量比電容比用恒電流分析得出的要小，這一點和活性炭有些不同。綜合以上六組的分析，發現它們的共同規律有以下兩點： 其質量比電容一開始不穩定，經過一定的循環次數后，逐漸趨于穩定數值； 循環壽命長，經過幾百次循環后，其質量比電容值幾乎不變，效率為100%，說明本次電容器制作工藝比較精良。不同點在于，活性炭制作的電容器其質量比電容值大于用恒電流分析法計算所得，而未知炭的質量比電容值小于用恒電流分析法所得。并且有的電容器開始時

44、比電容值高，有的開始時低，因為數據有限，并且影響因素很多，所以很難分析原因，具體原因我猜測可能是沖放電時間、儀器等有影響?！緦嶒灴偨Y】經過這次自主設計實驗，我的收獲很多。同時，這次實驗也有一些進行得不甚完美的地方，我總結出了幾點可以改進之處： 同一項操作最好讓一個人來做。控制無關變量后，比較不同條件下的數據才會有意義； 由于這個實驗中，影響電容器性能的因素比較多，如炭材料比例，電解液成分，墊片厚度等。如果每個可能條件都做實驗篩選，那么理論上需要做的實驗數目將會非常多。所以，我認為可以用正交試驗來設計實驗方案。這樣既可大大減少需要進行的實驗數目，又可保證篩選條件的代表性。例如，恒電流充放電測試的

45、實驗方案可以這樣設計：【思考題】1、如何提高電容器容量（比容量）？答：在超級電容器中, 有較高比容量(Cp)的電極材料是關鍵, 它決定著電容器的主要性能指標。目前, 大多數商業化的電容器都是利用貯存在電極/電解液界面的雙電層的能量。電化學雙電層的容量通常約為10-40 F/cm2, 其電壓受電解液的化學穩定性限制。提高電化學雙電層電容器所貯存能量的方法之一就是利用高表面積材料如活性炭；另一方法就是利用法拉第假電容(電吸附或氧化還原過程)。另外，相同規格或不同規格的多個電容并聯后的容量是它們各自容量之和。但要注意所在電路的電壓，電容耐壓必需大于該電壓，不然會燒掉。2、封裝材料中活性多孔炭與導電石墨的比例對扣式電容器容量的影響？答：炭電極具有有利于電荷積累的大表面和便于電解液潤濕及離子快速運動的孔結構，是雙電層能夠迅速、順利進行工作的理想電極材料。因此封裝材料中活性多孔炭比例增加有利于提高扣式電容器的容量。炭結構和表面對電容量和放電速度也有一定的影響。炭電極材料孔徑分布影響其比電容和充、放電速率。3、兩種測試