超級(jí)電容器原理介紹及實(shí)驗(yàn)分析(共7頁(yè))

1、五、結(jié)果(ji gu)與分析1、實(shí)驗(yàn)(shyn)過(guò)程總結(jié)(zngji)與知識(shí)點(diǎn)查閱 eq oac(,1)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)：1超級(jí)電容器主要由三部分組成：電極、電解液和隔膜，其中電極由集流體和電極材料組成。本實(shí)驗(yàn)中，集流體為泡沫鎳，集流體起到降低電極內(nèi)阻的作用，活性物質(zhì)為三維石墨烯-Co3O4復(fù)合材料。 eq oac(,2)超級(jí)電容器的分類及原理分為雙電層電容器和贗電容器雙電層電容器：充電時(shí)，電解液中的帶電粒子被吸附在電極表面，形成雙電層結(jié)構(gòu)，從而將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。在雙電層電容器工作的過(guò)程中，電解液中的粒子只發(fā)生電遷移、擴(kuò)散、傳質(zhì)，完全是物理過(guò)程，不會(huì)和電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在充電時(shí)，接正極的電極

2、集流體和活性物質(zhì)帶正電，活性物質(zhì)吸附電解液中的負(fù)離子從而形成雙電層結(jié)構(gòu)。同樣的，接負(fù)極的活性物質(zhì)帶負(fù)電，吸引電解液中的陽(yáng)離子形成雙電層結(jié)構(gòu)。整個(gè)超級(jí)電容器相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)。 循環(huán)性能好，比電容較低。贗電容器：由于電解液中粒子與電極材料發(fā)生高度可逆的氧化還原反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的產(chǎn)物，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。在充電時(shí)，活性物質(zhì)與電解液中的粒子在電極表面或者電極表面及內(nèi)部發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附；在放電時(shí)則進(jìn)行解吸附的過(guò)程。循環(huán)性能差，比電容高。 eq oac(,3)超級(jí)電容器的電極材料2：（1）炭材料：活性炭、碳納米管、石墨烯等。主要用于雙電層電容器，比容量較低，而且能量密度與功率密度也較低。( 2 )過(guò)

3、渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，主要用于贗電容器，比容量與能量密度較高，導(dǎo)電性能和循環(huán)穩(wěn)定性相對(duì)活性炭較差。（3）改進(jìn)材料：制備碳材料與金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏膹?fù)合材料，同時(shí)擁有比電容高和循環(huán)性能好的優(yōu)點(diǎn)，如本實(shí)驗(yàn)中的三維石墨烯-Co3O4復(fù)合材料。 eq oac(,4)循環(huán)伏安法測(cè)試及其原理循環(huán)伏安法是指在工作電極和參比電極之間施加三角波掃描電壓，記錄工作電極上響應(yīng)電流與施加電位之間的關(guān)系曲線，即循環(huán)伏安圖。從伏安圖的波形、氧化還原電流的數(shù)值及其比值、峰電位等可以判斷電極反應(yīng)機(jī)理。而在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用循環(huán)伏安法，在得到 CV 曲線后首先可以從曲線的對(duì)稱性分析得到樣品的循環(huán)性能，之后可以通過(guò)曲線圍成的面

4、積計(jì)算樣品的電容大小。（1）理想(lxing)循環(huán)伏安圖3（2）計(jì)算(j sun)比電容方法其中(qzhng)，m為活性物質(zhì)質(zhì)量，g；v為掃描速度，v/s；V1,V2為伏安曲線的積分限制，V；i為電流，A。2、數(shù)據(jù)分析用循環(huán)伏安法-0.2v到0.45v間掃描，掃描速度分別為：10mv/s,20mv/s,50mv/s,100mv/s，。將所得數(shù)據(jù)用origin作圖并用Polygon Area功能求閉合積分面積得：（1）不同掃描速度各掃描三次 eq oac(,1)由上圖可以(ky)看出，CV圖的對(duì)稱性較差，說(shuō)明循環(huán)性能不是(b shi)很好，可能制作過(guò)程中受到的干擾因素較多，活性物質(zhì)與集流體結(jié)合效

5、果不是很好，或是由于材料本身的問(wèn)題，導(dǎo)致循環(huán)性能差。同時(shí)曲線與矩形形狀有較大偏離，電容性能不是很好。 eq oac(,2)由求得積分(jfn)面積并通過(guò)上文已給出的比電容計(jì)算公式得：（思考題一）由計(jì)算結(jié)果可知比電容值較小，原因是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的測(cè)量誤差，尤其是質(zhì)量測(cè)量，但是不影響得出一個(gè)結(jié)論：比電容值隨掃描速度的增大而衰減。原因可能主要跟吸附有關(guān)，電解液為KOH水溶液，根據(jù)前面介紹的原理，循環(huán)過(guò)程中發(fā)生K+的吸附和脫附，當(dāng)掃描速度增大時(shí)，K+進(jìn)入活性物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行吸附的量變少，而是在其表面發(fā)生了吸附，也就是吸附更多發(fā)生在表面，導(dǎo)致比電容減小4。而當(dāng)掃描速度繼續(xù)增大，比電容減小的幅度變小，因?yàn)槲綆缀?/p>

6、只發(fā)生在表面，掃描速度的影響力減小。（2）相同掃描(somio)速度掃描25次循環(huán)(xnhun)（50mv/s） eq oac(,1)圖形(txng)分析將其中的幾次循環(huán)明顯化，其余透明化，正向掃描時(shí)0.4V附近和負(fù)向掃描時(shí)0.3V附近進(jìn)行放大處理得：由25次循環(huán)的cv圖可以看到，當(dāng)電勢(shì)在-0.2-0.1V范圍內(nèi)時(shí)，cv圖具有較好矩形形狀，且對(duì)稱性較好，同理想模型相近，說(shuō)明在該段電勢(shì)范圍內(nèi)，電容特性較好。當(dāng)電勢(shì)超過(guò)這個(gè)范圍，圖形偏離矩形，對(duì)稱性降低，說(shuō)明電容特性降低，循環(huán)性能下降。同時(shí)，正向掃描時(shí)0.35-0.42v時(shí)電流急劇增大，一直增大到快0.04A，說(shuō)明可能發(fā)生了氧化反應(yīng)（顯示部分的贗電

7、容特性），隨著掃描次數(shù)的增多，電流增大，但是增大的幅度越來(lái)越小。向負(fù)向掃描時(shí)，在0.3V附近出現(xiàn)了明顯的低峰，可能是還原峰，同時(shí)隨著掃描次數(shù)的增大，還原電流增大，cv曲線偏離矩形的程度增大，并且對(duì)稱性不斷降低，說(shuō)明隨著掃描次數(shù)的增多，電極在電解液中的浸泡時(shí)間增大，電極的電容特性降低。（思考題一） eq oac(,2)計(jì)算每一次循環(huán)的比電容對(duì)25次循環(huán)的圖形進(jìn)行閉合積分，并計(jì)算各比電容值的如下表：用origin作圖得：由圖可知第一掃描(somio)時(shí)比電容較小，第二次掃描時(shí)電容發(fā)生突躍，可能是第一次掃描時(shí)沒(méi)有快速建立雙電層，離子(lz)吸附較少，電容容量較小。再繼續(xù)掃描(somio)時(shí)，比電容僅

8、于微弱趨勢(shì)增長(zhǎng)，后逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明電極的電容特性整體較好，并沒(méi)有出現(xiàn)隨時(shí)間的衰減趨勢(shì)。也可能測(cè)量時(shí)間較短，沒(méi)有很好地測(cè)量到衰減過(guò)程。隨著掃描時(shí)間的往后推移，電極的比電容值應(yīng)該要衰減。原因可能有：電極活性物質(zhì)得脫落；電極表面發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致活性物質(zhì)的晶型及表面特性發(fā)生變化；電極表面有沉積物，不易去除等。（思考題2）3、課后總結(jié)超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的儲(chǔ)能器件,兼?zhèn)淞四芰棵芏群凸β拭芏?可以滿足各個(gè)場(chǎng)合的使用要求。在今后的生產(chǎn)生活必將大有作為，所以有很大的研究?jī)r(jià)值，但是由于初次真正接觸超級(jí)電容器，所以對(duì)機(jī)理及影響因素沒(méi)有透徹的理解，在分析的時(shí)候可能存在很多錯(cuò)誤，還需要今后繼續(xù)學(xué)習(xí)，加深理解，減少錯(cuò)誤。查閱文獻(xiàn)：1鄧梅根.電化學(xué)電容器-電極材料研究M.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009.2袁國(guó)輝.電化學(xué)電容器M.化學(xué)工業(yè)出版社,2006:8-11.3楊楊.超級(jí)電容器電極材料用二氧化錳的合成及其電化學(xué)性能的研究.吉林大學(xué)碩士論文，2013.4王福華，茆志友，姚秋實(shí)，吳翠，高云(o yn)芳.活性炭/二氧化錳(r yn hu mn)納米復(fù)合材料的合成及超級(jí)電容性能J.應(yīng)用(yngyng)化工，2015年5月.內(nèi)容總結(jié)（1）五、結(jié)果與分析1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程總結(jié)與知識(shí)點(diǎn)查閱 eq o