扣式碳基电容器组装及电容测试实验报告.docx

扣式碳基电容器的组装及电容测试 申卓凡 吉林大学化学学院14级9班 【实验目的】 掌握双电层的理论、基本模型及双电层电容器的工作原理。 了解扣式电容器的构造，组成材料，掌握电容器的组装工艺。 了解电容性能测试仪使用及数据分析方法，探索影响电容性能的因素。 【实验原理】 一、什么是超级电容器 超级电容器(Super Capacitor)，也叫电化学电容器(Electro Chemical Capacitor)，是性能介于传统电容器和电池之间的一种新型储能装置，兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的特点。其比容量是传统电容器的20～200倍，比功率一般大于1000 W/kg，远远大于二次电池，循环寿命也优于电池。此外，超级电容器还具有能瞬间大电流充放电、工作温度范围宽、安全、无污染等优点，因而在许多场合有着独特的应用优势和广阔的应用前景。 二、超级电容器的特点 超级电容器作为一种新型的储能元件，具有如下优点： 较高的容量。超级电容器的容量范围为0.1～6000 F，比同体积的电解电容器容量大2000～6000倍。 超高功率密度。超级电容器能提供瞬时的大电流，在短时间内电流可以达到几百到几千A，其功率密度是电池的10～100倍，可达到10×103 W/kg左右。 高充放电效率，超长寿命。超级电容器的充放电过程通常不会对电极材料的结构产生影响，材料的使用寿命不受循环次数的影响，充放电循环次数在105以上。 放置时间长。长时间放置超级电容器的电压会下降，再次充电可以充到原来的电位，对超级电容器的容量性能无影响。 工作温度区间宽。超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大，可在-40～70℃的温度范围内工作。 免维护，环境友好。超级电容器用的材料是安全、无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池用的材料具有毒性。 超级电容器的不足之处表现为能量密度偏低，漏电流较大，单体工作电压低。水系电解液超级电容器单体的工作电压只有1 V左右，要通过多个电容器单体的串联才能得到较高的工作电压。而多单体电容器串联对电容器单体的一致性要求很高。非水系电解液超级电容器单体的工作电压高一点，可以达到3.5 V。但非水系电解液要求有高纯度、无水等很苛刻的条件。 三、超???电容器的工作原理 超级电容器按储能机理不同可以分为双电层电容器和氧化还原准电容器两种类型。 双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor, EDLC） 双电层的结构 双电层的结构可以在物理化学课程中电动势产生的原理部分以及胶体与界面可以学习到。当固体与液体接触时，可以是固体从液体中选择性吸附某种离子，也可以是由于固体本身的电离作用使离子进入溶液中，使固体与液体带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层结构。 经过长期深入研究，目前其主要模型有： a)平板双电层模型：亥姆霍兹于1879年提出。将固体表面上的过量电荷与溶液中的反号电荷的分布状态视为平板电容器，该模型简单。 b)扩散双电层模型：古埃和查普曼在20世纪初修正了平板双电层模型，提出了扩散双电层模型，认为溶液中的反号电荷在静电作用、溶液中分子、离子的热运动和扩散作用的共同影响下，自固体表面上的过量电荷向溶液内部随距离增加而递减。此模型应用很普遍，可以解释很多界面方面的电性质，但是对于固体表面电荷的性质受环境电解质溶液的影响，不能合理解释溶液性质的改变可以影响表面电荷的数量甚至是电荷性质的转变。 c)斯特恩模型：该模型经进一步修正，较为实际地反映了双电层的真实结构，已经在浮选理论上得到了广泛的应用。双电层由内层和外层组成。固体表面的荷电层为双电层的内层，内层中决定固体表面电荷或电位的离子称为定位离子。溶液中被固体表面吸附的，起电平衡作用的反号离子称为配衡离子。配衡离子存在的液层称为配衡离子层，即双电层的外层。双电层的外层又分两层，即固体表面较近的紧密层和离矿物表面稍远的扩散层。三种模型参见下图： 双电层电容器的原理 由于插入电解质溶液中的固体表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器。但是，由于电极材料的表面积大，紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器使用绝缘体隔开。这个绝缘层可以让电解液中的正负离子通过。该电解液本身不能传导电子。所以当充电结束后，电容器内部不会发生漏电（电子不会从一极流向另外一极）。当放电的时候，电极上电子通过外部电路从一极流