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1、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20104016005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
2、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
3、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。双电层电容具有响应速度快，放电倍率高的特点，但储能比电容较小。(2)法拉第鹰电容的工作原理法拉第鹰电容器是在电极表面或体相中的二维或准二维空
4、间上,电极活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容,其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。对于其双电层中的电荷存储与上述类似,对于化学吸脱附机理来说,一般过程为电解液中的离子一般为或在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极溶液界面,而后通过界面的电化学反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中若电极材料具有较大比表面积的氧化物,就会有相当多的这样的电化学反应发生,大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中,同
5、时所存储的电荷通过外电路而释放出来,这就是法拉第准电容的充放电机理。法拉第鹰电容可以产生高的比电容，但因为法拉第反应的限制，倍率性能比双电层电容小。目前使用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料，其中碳材料以双电层机理储能，而后两种材料以法拉第赝电容机理储能。3.【仪器与试剂】3.1.仪器1.CHI,620C,上海辰华仪器公司。2.电热恒温鼓风干燥箱3.饱和甘汞参比电极,Pt电极4.烧杯、玻璃棒、容量瓶3.2药品名称化学式分子量级别生产商不定形二氧化锰MnO286.94分析纯——硫酸钠Na2SO4——分析纯——石墨————工业级广东台山粤侨试剂塑料有限公司乙炔黑——
6、——工业级广东台山粤侨试剂塑料有限公司PVDF————分析纯——NMP————分析纯——4.【实验步骤】4.1工作电极的制备工作电极的制备采用涂覆法，将所制得的活性电极材料分别与乙炔黑和PVDF按75:15:10质量比例在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入溶剂NMP（N,N-二甲基吡咯烷酮），将混合物调成糊状，再将所得糊状物涂覆到面积为1cm2的钛片表面，并于60℃真空干燥5小时，即得工作电极。电极上活性物质的质量通过涂片前后钛片的质量差而求得。4.2活性炭材料的比电容的测试电化学测试包括循环伏安、恒流充放电，所有的电化学都是在电化学三电极体系中进行的。三电极体系中，以涂覆了活性电极材料的
7、钛片作为工作电极，以Pt电极作为对电极，以甘汞电极作为参比电极，电解质为0.1mol·L-1Na2SO4溶液。所有的电化学测试均在上海辰华CHI660a型电化学工作站和EcoEchemieB.V公司的AutolabPGATAT30电化学分析仪上进行。C材料：循环伏安法实验:-0.6~0.6V，扫描速度分别为2mVs-1(放电倍率6C)、5mVs-1(放电倍率15C)、20mVs-1(放电倍率60C)、50mVs-1(放电倍率150C)、100mVs-1(放电倍率300
