超级电容器电化学测试方法
来源：科思特仪器
发布时间：2016-07-15
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超级电容器 (Suepercapacitor)是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车此外还可用于其他机电设备的储能能源。用于超级电容器电极的材料有各种碳材料，金属氧化物和导电聚合物[1-4]，尤其是导电聚合物，自从1970年导电聚乙炔薄膜被成功合成出来后，科学家对导电聚合物就产生了浓厚的兴趣。
超级电容器的主要技术指标有比容量、充放电速率、循环寿命等。而CS系列电化学工作站专门为超级电容器的性能评价设计了恒电流充放电测试方法，可以非常方便地评估电容器的循环寿命。下面逐一介绍基于CS350工作站的超级电容器性能评价方法。
1. 循环伏安测试:
基于CV曲线的电容器容量计算，可以根据公式（1）计算。.png)
（1）
从式（1）来看，对于一个电容器来说，在一定的扫速n下做CV测试。充电状态下，通过电容器的电流i是一个恒定的正值，而放电状态下的电流则为一个恒定的负值。这样，在CV图上就表现为一个理想的矩形。由于界面可能会发生氧化还原反应，实际电容器的CV图总是会略微偏离矩形。因此，CV曲线的形状可以反映所制备材料的电容性能。对双电层电容器，CV曲线越接近矩形，说明电容性能越理想；而对于赝电容型电容器，从循环伏安图中所表现出的氧化还原峰的位置，我们可以判断体系中发生了哪些氧化还原反应。
CV测试步骤：从corrtest软件中选择“测试方法”→“循环伏安”→“线性循环伏安”
1.1. 参数设置：
系统默认是从高电位扫向低电位，例如在-0.7V~ 0.2V的电压范围内，扫描速率可以根据需要设置，注意扫描速率和采样频率的设置是对应的，若是扫描速率较高（100mV/s），则采样频率也应较高（100Hz），以保证较小的电位间隔（1mV）。在电容性能测试中，在进行圈扫描时，可能电极表面没有达到平衡，因而CV曲线可能不能完全闭合，因此有必要多循环几次以便选取更佳的循环。电极面积也就是所采用的工作电极的面积。.png)
图1.CV参数设置界面
1.2. 测试实例
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图2. 不同扫描条件下的CV测试结果
2. 交流阻抗测试：
交流阻抗可以反映电极材料在电极/溶液界面的电荷传递和物质扩散方面的动力学细节。可以计算出电容器的等效串联电阻、溶液电阻、材料/电解液界面双电层电容和赝电容等。
交流阻抗测试施加的交流幅值一般为10mV，测试频率范围为10-2~105Hz。交流阻抗的结果可以CS Studio软件中处理，构建一个等效电路，通过全频段进行拟合，即可计算出与电容充放电相关的电化学参数。.png)
图3.阻抗参数设置界面
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从恒电流充放电中可以计算出电极材料的比电容，其依据为公式.png)
（2）
其中I为充电电流，Δt为放（充）电时间，ΔV是放（充）电电势差，m是材料质量。通过多次循环测量，还可以对电容器的循环寿命进行评估。从充电曲线和放电曲线是否对称，可以判断电容器充放电和相应的电化学反应是否可逆。
3.1. 恒电流充放电参数：
充电电流：系统默认的是充电电流为负，放电电流为正，因此在设置的时候注意充电电流和放电电流是一对相反数。需要设置充放电电流，电压范围，循环次数和活性材料质量。.png)
图5. 恒电流充放电参数设置界面
3.2. 测试实例
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超级电容器的主要技术指标有比容量、充放电速率、循环寿命等。而CS系列电化学工作站专门为超级电容器的性能评价设计了恒电流充放电测试方法，可以非常方便地评估电容器的循环寿命。下面逐一介绍基于CS350工作站的超级电容器性能评价方法。
1. 循环伏安测试:
基于CV曲线的电容器容量计算，可以根据公式（1）计算。
（1）CV测试步骤：从corrtest软件中选择“测试方法”→“循环伏安”→“线性循环伏安”
1.1. 参数设置：
系统默认是从高电位扫向低电位，例如在-0.7V~ 0.2V的电压范围内，扫描速率可以根据需要设置，注意扫描速率和采样频率的设置是对应的，若是扫描速率较高（100mV/s），则采样频率也应较高（100Hz），以保证较小的电位间隔（1mV）。在电容性能测试中，在进行圈扫描时，可能电极表面没有达到平衡，因而CV曲线可能不能完全闭合，因此有必要多循环几次以便选取更佳的循环。电极面积也就是所采用的工作电极的面积。
图1.CV参数设置界面
图2. 不同扫描条件下的CV测试结果
交流阻抗可以反映电极材料在电极/溶液界面的电荷传递和物质扩散方面的动力学细节。可以计算出电容器的等效串联电阻、溶液电阻、材料/电解液界面双电层电容和赝电容等。
交流阻抗测试施加的交流幅值一般为10mV，测试频率范围为10-2~105Hz。交流阻抗的结果可以CS Studio软件中处理，构建一个等效电路，通过全频段进行拟合，即可计算出与电容充放电相关的电化学参数。
图3.阻抗参数设置界面
图4. 交流阻抗测试结果和拟合用等效电路图
3. 恒电流充放电测试从恒电流充放电中可以计算出电极材料的比电容，其依据为公式
（2）3.1. 恒电流充放电参数：
充电电流：系统默认的是充电电流为负，放电电流为正，因此在设置的时候注意充电电流和放电电流是一对相反数。需要设置充放电电流，电压范围，循环次数和活性材料质量。
图5. 恒电流充放电参数设置界面
图5.不同电流密度下的充放电曲线 图6. 1A/g下的比电容量与循环次数的关系
[1] M. Winter, R.J. Brodd, Chem Rev, 104 (2004) 4245-4269.
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[4] M. Mastragostino, C. Arbizzani, F. Soavi, Solid State Ionics, 148 (2002) 493-498.
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[6] 张晶, 孔令斌, 蔡建军, 杨贞胜, 罗永春, 康龙, Wlhx, (2010).
[7] 古宁宇, 钱新明, 赵峰, 董绍俊, 分析化学, 30 (2002) 1-5.
[8] 周鹏伟, 李宝华, 康飞宇, 曾毓群, 新型炭材料, 21 (2006) 125-131.
[9] W.G. Pell, B.E. Conway, N. Marincic, J Electroanal Chem, 491 (2000) 9-21.
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[11] E. Frackowiak, V. Khomenko, K. Jurewicz, K. Lota, F. Beguin, J Power Sources, 153 (2006) 413-418.
[3] V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin, J Power Sources, 153 (2006) 183-190.
[4] M. Mastragostino, C. Arbizzani, F. Soavi, Solid State Ionics, 148 (2002) 493-498.
[5] 刘辰光, 方海涛, 王大伟, 李峰, 刘敏, 成会明, 新型炭材料, 20 (2005) 205-210.
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