功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能_杜庆来
第21卷第3期化学研究中国科技核心期刊2010年5月CH EM ICA L R ESEA RCH hx y j@https://www.wendangku.net/doc/ff768189.html,
功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能
杜庆来,张立逢,郑明波,曹洁明*,王少刚
(南京航空航天大学材料科学与技术学院,纳米材料研究所,江苏南京210016)
摘要:以氧化石墨(GO)作为前驱体,在两种不同热剥离温度下制备了两类功能型单层石墨烯.其中第一类功
能型单层石墨烯通过在较低温度及空气气氛下热剥离GO制备;第二类功能型单层石墨烯通过在氮气保护下高
温热剥离G O得到;利用氮气吸附-脱附方法测定了两类样品的比表面积,利用电化学测试方法分析了其超电容
性能.结果表明,通过低温热剥离的方式即可以有效剥离GO;两类样品均具有较高的BET比表面积.低温热剥
离GO所制备的功能型单层石墨烯在2mo l/L K O H体系中的最大比电容值约为220F/g;而通过高温热剥离
GO所制备的功能型单层石墨烯虽然同样具有较高的BET比表面积,但其最大比电容值下降至约150F/g.这
表明通过低温热剥离G O所制备的功能型单层石墨烯具有更优异的超电容性能.
关键词:功能型单层石墨烯;热剥离;制备;超电容性能
中图分类号:O613.71文献标识码:A文章编号:1008-1011(2010)03-0018-06
Preparation of Functionalized G raphene Sheets by T herm al Exfoliation Approach and Their Electrochem ical Supe rcapacitive Be havior DU Qing-lai,ZH A NG L-i feng,ZH ENG M ing-bo,CAO Jie-m ing*,WAN G Shao-gang
(N anomaterials Resear ch Institute of Colleg e of M aterials S cience and T ech nology,N anj ing
Univ er sity of Ae ronautics and A str onautics,N anj ing210016,Jiang su,China)
Abstract:Tw o kinds of functionalized g raphene sheets w ere prepared via thermal ex foliation of
graphite ox ide(GO)precursor in tw o different routes.T he first kind o f functionalized g ra-
phene sheets was obtained by therm al exfoliation of GO at low temperature in air.T he second
kind w as prepared by thermal ex fo liation of GO at higher tem perature in N2.The specific sur-
face ar ea o f the tw o kinds of products w as measured by using N2adsorption-desorption analy-
sis,w hile their super capacitive behavior w as ev aluated by using electrochemical metho d.Re-
sults indicate that GO can be effectiv ely therm ally exfoliated even at relativ ely low temper ature
in air,and both kinds of pr oducts hav e hig h BET surface ar eas.Besides,the functionalized
graphene sheets obtained v ia low temperatur e thermal exfoliation of GO have specific capac-i
tance of about220F/g in aqueous KOH electroly te;but tho se pr epared via thermal ex fo liation
of GO at higher temperature in N2,w ith similar BET surface area,have low er specific capac-i
tance o f only about150F/g in the same electro lyte.T his indicates that the first kind of func-
tio nalized graphene sheets has better supercapacitiv e behavior.
Keywords:functionalized graphene sheets;therm al ex foliation;preparatio n;supercapacitiv e be-
havior
超级电容器是一种新型的储能装置,按照其储能机理划分,通常把超级电容器划分为赝电容超级电容器和双电层超级电容器[1].赝电容超级电容器主要是通过在电极表面及体相中发生快速且可逆的氧化-还原
收稿日期:2010-01-06.
基金项目:江苏省自然科学基金(BK2006195),江苏省高校研究生科技创新计划(xm06-57)资助.
作者简介:杜庆来(1984-),男,硕士生,研究方向为纳米材料.
第3期杜庆来等:功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能19
反应实现储能.常用的赝电容超级电容器电极材料主要为过渡金属氧化物(RuO2,NiO,Co3O4和M nO2等)[2-7].而双电层超级电容器是基于正、负离子在碳电极和电解液界面之间的表面上分别吸附,造成两个电极之间的电势差实现储能.常用的双电层超级电容器电极材料主要为多孔碳材料(活性碳,碳黑,碳气凝胶,介孔碳以及碳纳米管等)[8-11].
2004年,Geim和Kosty a No voselo v等发现了一种全新的碳材料,他们将其命名为单层石墨烯[12].单层石墨烯为二维结构的单层石墨片,是构成石墨的基本单元.由于其具有独特的物理、化学以及机械性能而受到了业界的广泛关注.最近,出现了以单层石墨烯作为电极材料的电化学超电容性能的研究报道.Sto ller 等人[13]利用化学还原改性氧化石墨(GO)的方法制备了单层石墨烯材料.这种经过化学改性的单层石墨烯具有诸多优良的性能,如良好的导电性能、较高的BET比表面积(705m2/g)以及优异的超电容性能.在放电电流为10mA以KOH作为电解液时测得的比电容值高达135F/g.Vivekchand等人[14]通过三种不同的方法制备了单层石墨烯材料,并对它们进行了电化学测试.所测得的样品中,通过热剥离GO的方法制备的单层石墨烯具有最高的比电容值,利用循环伏安法以H2SO4作为电解液下测得的比电容值为117F/g.
本文作者以GO作为前驱体,利用两种不同温度热剥离GO的方法制备了功能型单层石墨烯,并在KOH体系下研究了它们的电化学超电容性能,结果表明低温热剥离所制备的功能型单层石墨烯具有更优异的超电容性能.
1试验部分
1.1氧化石墨(GO)的制备
以天然石墨粉(纯度99.985%)作为前驱体,利用H um mer法制备GO[15].首先,将天然石墨用5%的H Cl处理两次,过滤,然后用蒸馏水彻底清洗,110e下干燥24h.取处理后的石墨10g置于230mL浓H2SO4中,在冰水浴中缓慢加入30g KM nO4,不断搅拌,使溶液的温度不超过20e.此时将混合溶液放在35?3e的水浴锅中,机械搅拌40m in.然后将460m L蒸馏水缓慢加入到混合溶液中.保持水浴温度35? 3e下继续搅拌20min.待反应结束后,将1.4L蒸馏水和100mL H2O2加入溶液中.静止放置24h,最后用5%H Cl清洗过滤,直到滤液中检验不到SO2-4为止.最后将过滤的产物放在真空干燥箱中50e真空干燥,待用.
1.2功能型单层石墨烯的制备
将一定量的GO分别置于预先加热至250、300、700e的管式炉中,放置3min,所得样品分别命名为FGS250、FGS300、FGS700.放置在700e管式炉中的样品,管式炉预先通入保护气N2.
1.3样品的表征
采用Bruker D8A dvance X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析;采用Gemini LEO1530型扫描电子显微镜(SEM)和JEOL JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)分别对样品的形貌和结构进行表征;样品的氮气等温吸附-脱附测试在比表面积分析仪(M icrom eritics ASA P2010)上进行;采用Nicolet-670型红外光谱仪(波长范围4000~500cm-1)对样品进行红外吸收光谱测试(FTIR).
1.4电化学测试
采用三电极体系在2mo l/L KOH溶液中对样品进行循环伏安、恒流充放电测试.活性物质电极、铂电极、饱和甘汞电极分别作为工作电极、对电极和参比电极.工作电极的制备方法如下:将质量分数80%活性物质(功能型单层石墨烯)、15%乙炔黑以及5%聚四氟乙烯均匀混合,然后将混合好的活性物质均匀涂敷在1cm2的镍网上;90e干燥24h;在压片机上10M Pa压成片;每一个电极的活性物质的质量控制在约5mg.循环伏安和恒流充放电测试在CH I660C电化学工作站上进行,循环伏安区间电位为-1~-0.2V(vs饱和甘汞电极).恒流充放电的电流密度范围在1~10A/g.
2结果与讨论
2.1XRD分析
对GO、FGS300、FGS700分别进行了XRD表征.图1(a,b,c)为三样品的XRD图谱.由图1a可以看出在2H角约为25~30b附近的石墨峰消失,说明石墨已经得到了充分的氧化,在石墨层间插入了很多亲水性官
20化学研究2010年
能团(如羧基、羟基、环氧基等).图1b,1c分别为FGS300和FGS700的XRD图谱,从图中可以看出其石墨化的峰较弱,说明石墨层之间已经有效地产生了热剥离,但仍然存在一定的石墨堆积.
图1G O(a)、FGS300(b)、FG S700(c)的XRD谱图
Fig.1XRD patter ns of G O(a),FG S300(b),FG S700(c)
2.2SEM分析
图2a和图2c分别为FGS300和FGS700的低倍扫描照片,由于产生了热剥离,两种样品均具有纳米孔结构.热剥离的机制主要是通过高温加热导致GO中的含氧官能团发生分解,当GO层间的压力大于范德瓦尔斯力的时候,就会产生剥离.由高倍扫描照片(图2b和图2d),我们可以看出,GO已经得到了有效的剥离,并获得了极薄的纳米片层.
图2F GS300(a,b)与FGS700(c,d)的SEM照片
F ig.2SEM images of FGS300(a,b)and F
G S700(c,d)
2.3TEM分析
图3为FGS300的低倍透射照片(a),高倍透射照片与选区电子衍射图谱(b),由图3a我们可以看出功能型单层石墨烯片具有褶皱的半透明纱状结构.高倍透射照片(图3b)没有观察到规整的原子排布,选区电子衍射图谱显示了较弱和分散的衍射环,可以看出通过热剥离获得的功能型单层石墨烯具有长程无序的性质.
2.4N2吸附-脱附分析
图4为FGS250、FGS300和FGS700的氮气吸附脱附曲线和孔径分布图.由图4a我们可以看出,样品均具有纳米孔结构,并且由图4b得出所测样品均具有很宽的孔径分布范围(2~200nm).表1为所有样品
第3期杜庆来等:功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能21 的BET 比表面积、孔容量以及平均孔径值.由表1数据我们可以看出,FGS300与FGS250相比BET 比表面积有进一步提高,但FGS700与FGS300相比BET 比表面积并未发生明显增加,说明在300e 下,GO 已经完全被热剥离.但所有样品的BET 比表面积仍然与单层石墨烯的理论值(2630m 2
/g)
低很多,这主要是由于GO 的氧化程度不够,不可能完全剥离,其样品内部仍然含有一定量的石墨层堆积结构.图3 FG S300的T EM (a),H RT EM 与选区电子衍射(b)照片
Fig.3 T EM (a),HR
T EM and SA ED (b)images of F GS300
注:FGS300、FGS700吸附脱附曲线相对于纵坐标分别平移了500、1200cm 3/g
图4 (a)FG S250、F GS300和FG S700的N 2吸附脱附曲线以及(b)对应的BJH 孔径分布图
Fig.4 (a)N 2adso rptio n -deso rptio n isotherms of F GS250,FG S300and F GS700;(b)BJH por e size distributio ns
表1 三样品的BET 比表面积、孔容量以及平均孔径值
T able 1 BET surface areas,po re vo lumes,and av erage por e sizes of thr ee samples
Sample name
BET surface area (m 2/g)P or e v olume (cm 3/g)Av erag e po re size (nm)F GS250
319 1.4918.6F GS300
443 2.41
20.4F GS700439 1.9617.8
图5 G O 、FG S300、F GS700红外吸收光谱Fig.5 F T IR spect ra of G O,FG S300,and FGS7002.5 FT IR 分析
图5为GO 、FGS300和FGS700的红外吸收光谱图.
位于3430cm -1处的吸收峰对应于GO 中-OH 伸缩振
动.而3000~3700cm -1范围内出现的较宽的谱峰和位
于1627cm -1较窄的吸收谱峰来自于样品所吸附的水分
子.位于1730、1395、1120cm -1
处的吸收峰分别对应样
品层间C O 、C-O -H 、C-O -C 的伸缩振动.相比
于GO,FGS300在1730、1395、1120cm -1吸收峰明显减
弱,说明FGS300内的官能团发生了部分分解.而对于
FGS700在1730、1395、1120cm -1处的吸收峰几乎消
失,说明FGS700的官能团基本已经完全分解.
22 化 学 研 究2010年
2.6 电化学测试
循环伏安、恒流充放电测试通常用来测定样品的超电容性能.图6为三样品分别在扫速5和100mV/s 下的循环伏安曲线.由图6a 显示所有样品的循环伏安曲线均近乎为矩形,为典型的碳材料双电层电容.
图6 F GS250、FG S300和F GS700分别在5m V/s(a)及100mV /s(b)循环伏安曲线
Fig.6 Cycli c voltammog rams of FGS250,FGS300and FGS700obtained at scan rates of 5mV/s (a)and 100mV/s (b)
比电容的计算公式[16]:
C m =12#$V #m Q V final V initia l |i |(d V/d t)
d V 其中V initial/final
表示在一个循环中的起始或终止电位;|i |表示即时电位所对应的电流;d V /d t 表示电压扫速;m 为工作电极中活性物质的质量;$V 表示电位窗口.表2为所有样品在不同扫速下计算得到的比电容值.从表2可以看出,在低扫速(5mV/s)下FGS700的比电容值明显低于FGS250与FGS300.
表2 三样品在不同扫速下通过循环伏安所得比电容值及其保持率
T able 2 Specif ic capacitances o bta ined fro m CV method and capacitance r et entions at differ ent scan rates for the samples
Sample name
5mV /s (F/g)10mV /s (F /g )20m V/s (F /g )50mV/s (F/g )100mV /s (F/g)Capacitance retentio n (%)FG S250
20819818214810751FG S300
20018917414511055FG S700142132117895942
图7a 和图7b 分别为所有样品在电流密度为1A/g 和10A/g,电位区间在-1~-0.2V 下的放电曲线.在电流密度较小(1A/g)时,所有样品的等效串联电阻的值均很小.然而,在较大电流密度下(10A/g),三样品的等效串联电阻均明显增大.比电容的计算公式[7]如下:
C m =I #$t
m #$V
式中,I 表示充放电电流;$t 表示放电时间;m 表示工作电极中活性物质的质量;$V 表示电位窗口.表3列出了所有样品在不同电流密度下的比电容值.结果显示:FGS700的比电容值明显低于FGS250和FGS300.这一结果与循环伏安测得的结果相一致.
图7 FG S250、FGS300与F GS700在电流密度分别为1A /g(a)和10A /g(b)下的放电曲线
Fig.7 Discharg e curv es o bt ained at curr ent densit ies o f 1A /g (a)and 10A /g (b)
电化学测试结果表明:通过高温热剥离所制备的样品其比电容值较低温热剥离所制备的样品有了明显减小,这主要是由于在FGS250、FGS300样品表面依然存在有大量的含氧官能团,这些官能团在样品表面发
第3期杜庆来等:功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能23
生快速可逆的氧化还原反应,为样品提供赝电容,从而提高了样品的比电容值.然而在氮气保护下通过高温热剥离处理的样品,表面的含氧基团进一步分解,其比电容值明显下降.
表3三样品在不同电流密度下通过计时电位法所得比电容值及其保持率
T able3Specific capacitances obtained f rom G C metho d and capacitance r etentions
at differ ent curr ent densities for the samples
Sample name 1A/g
(F/g)
2A/g
(F/g)
4A/g
(F/g)
10A/g
(F/g)
Capacitance
retentio n(%)
F GS25022620518515468
F GS30022020118514867
F GS7001471331107553
结论:在低温空气气氛和高温氮气气氛下,成功制备了两类功能型单层石墨烯.氮气吸附-脱附分析表明,两类样品均具有较高的BET比表面积,且在较低温度下,样品就已经得到有效的剥离.电化学测试结果表明:低温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯在2mol/L KOH体系下的最大比电容值约为220F/g.而通过高温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯其最大比电容值却下降至约150F/g.实验结果表明,通过低温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯具有更优异的超电容性能.
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剥离重组法制备石墨烯二氧化钛复合物
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学校代码：10722 学号：0808014113 分类号：密级：公开 剥离重组法制备石墨烯二氧化钛复合物 Stripping method for restructuring graphite surfaces titanium dioxide compound 作者姓名：邢世才 专业名称：化学 学科门类：理学 指导教师：邓玲娟 提交论文日期：2012年5月 成绩评定：
目录1.1 石墨烯材料简介 1.3 石墨烯复合物的制备方法 1.3.1 机械剥离法 1.3.2 氧化石墨还原法 1.3.3 SiC 分解法 1.3.4 化学气相沉积法 1.3.5电子束辐照法 1.3.6微机械分离法 1.4石墨烯材料的应用 1.4.1 石墨烯基电源材料 1.4.2 石墨烯复合材料 1.4.3 传感器 1.4.4 石墨烯晶体管 2.石墨烯复合材料的研究进展 1.1.1石墨烯与金属化合物复合 1.1.2石墨烯－非金属材料复合 1.1.3石墨烯与聚合物复合 3.石墨烯-二氧化钛复合物研究进展 1.5 本课题的特色与创新之处
文献综述 1.1 石墨烯复合材料的研究进展 石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，是其他维的石墨材料的基础材料。它可以包裹形成零维富勒烯，卷起来形成一维碳纳米管，层层堆积形成三维石墨。自从Geim 等用胶带方法制备出石墨烯以来，其就引起物理界和化学界的轰动和极大的兴趣．石墨烯的这种特殊结构，使其表现出一些独特的物理性能，如室温量子霍尔效应、超高的电子迁移率和弹道运输、较长的电子平均自由路径、良好的热传导、较强的机械强度和出众的灵活性。其优异的性能、极大的比表面积和较低的生产成本（相对于碳纳米管），非常适合于高性能复合材料的开发．在实际应用中，石墨烯复合材料可以分为两类：石墨烯/无机复合材料和石墨烯/聚合物复合材料．制备石墨烯复合材料的方法主要有两种：先让氧化石墨与其他材料复合，再将其中的氧化石墨还原得到石墨烯纳米复合材料；或者用改性过的石墨烯与其他材料复合．这些复合材料广泛地应用在超级电容器、锂电池、电催化和燃料电池等领域。 1.1.1 石墨烯与金属化合物复合 金属化合物与石墨烯用不同方法制备复合材料，主要用于超级电容器、锂电池等领域．金属化合物包括金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物等。 TiO2是一种应用广泛的半导体材料，由于其成本低、稳定性好、对人体无毒性，并具有气敏、压敏、光敏以及较强的光催化特性，而被广泛应用于传感器、太阳能电池和光催化等领域．Manga等通过喷墨印刷术处理前驱溶液氧化石墨和二（２－羟基丙酸）二氢氧化二铵合钛）制备石墨烯－TiO2光电导薄膜．由于这种薄膜制备的光电导体设备具有宽带光电导性、高的光电探测能力和光导率，与纯TiO2的光电探测器相比具有更快的光响应。Williams等通过紫外照射TiO2悬浮液，使其释放电子还原分散在乙醇里的氧化石墨．TiO2颗粒和石墨烯相互作用阻碍剥离石墨烯的团聚．光催化技术不仅提供了紫外辅助还原技术，而且还开创了制备光敏石墨烯半导体复合材料的新途径．Tang等通过分子嫁接方法把化学剥离的石墨烯加入到TiO2纳米颗粒薄膜中，适用于染料敏化太阳能．由于石墨烯的高电导性，石墨烯/TiO2复合薄膜（（3.6±１．１）×102Ω/ｃｍ）提高了纯TiO2纳米颗粒薄膜（（２．１±０.９）×１０５Ω/ｃｍ）电导率２个数量级．此外，基于石墨烯/TiO2复合薄膜的染料敏化太阳能的功率转换效率（1.68%）比纯TiO2纳米颗粒薄膜（０.３２％）高出５倍多，这表明了加入石墨烯能有效增强光电性能．其他的金属化合物例如磷酸亚铁锂（Li Fe-PO4）、氧化锡（SnO2）、氧化亚铜（Cu2O）、铂（Pt、硫化镉（CdS）与石墨烯复合材料可以用在锂电池、电催化和传感器等方面．
超级电容的充放电实验曲线测试(含答案)
超级电容器的充放电实验曲线测试 一、实验目的 了解超级电容器结构组成以及工作原理，理解超级电容器等效电路模型，学会绘制超级电容器充放电曲线。 二、超级电容器结构以及工作原理 超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔膜四个部件。超级电容器电极由多孔材料在金属薄膜（常用铝）上沉积而成，而活性炭则是常用的多孔材料。充电时，电荷存储于多孔材料和电解质之间的界面上。电解质的选择往往是电容器单体电压和离子导电性之间妥协的结果，追求离子导电性的最大化可能会导致所选择的电解质分解电压低至1V 。隔膜通常是纸，起绝缘作用，可以防止电极之间任何的导电接触。必须能够浸泡在电解质中，并且不影响电解质的离子导电性。 超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V 以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，
为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。 三、实验线路图 四、实验步骤 1、充电实验 按照实验线路图连接电路，将开关接到K端，使电源接入电路中，实现超级电容的充电过程，通过串口命令记录电流和电压。 2、放电实验 在超级电容器充电完成后，将开关接到另一端，将电源断开，实现超级电容的放电过程，通过串口命令记录电流和电压。 五、注意事项 1、超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。 2、超级电容器应在标称电压下使用。当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。 3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。 4、外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。 5、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。
石墨烯的制备方法概述
石墨烯的制备方法概述 1物理法制备石墨烯 物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法原料易得,操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少。 1.1机械剥离法 机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。Novoselovt等于2004年用一种极为简单的微机械剥离法成功地从高定向热 解石墨上剥离并观测到单层石墨烯，验证了单层石墨烯的独立存在。具体工艺如下：首先利用氧等离子在1mm厚的高 定向热解石墨表面进行离子刻蚀，当在表面刻蚀出宽20μm —2mm、5μm的微槽后，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上， 再用透明胶带反复撕揭，然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。 但是这种方法存在一些缺点，如所获得的产物尺寸不易控制，无法可靠地制备出长度足够的石墨烯，因此不能满足工业化需求。
1.2取向附生法—晶膜生长 PeterW.Sutter等使用稀有金属钌作为生长基质，利用基质的原子结构“种”出了石墨烯。首先在1150°C下让C原子渗入钌中，然后冷却至850°C，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，在整个基质表面形成镜片形状的单层碳原子“孤岛”，“孤岛”逐渐长大，最终长成一层完整的石墨烯。第一层覆盖率达80%后，第二层开始生长，底层的石墨烯与基质间存在强烈的交互作用，第二层形成后就前一层与基质几乎完全分离，只剩下弱电耦合，这样制得了单层石墨烯薄片。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响制得的石墨烯薄片的特性。 1.3液相和气相直接剥离法 液相和气相直接剥离法指的是直接把石墨或膨胀石墨(EG)(一般通过快速升温至1000°C以上把表面含氧基团除去来获取)加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。Coleman等参照液相剥离碳纳米管的方式将墨分散在N-甲基-吡咯烷酮(NMP)中，超声1h后单层石墨烯的产率为1%，而长时间的 超声(462h)可使石墨烯浓度高达1.2mg/mL。研究表明，当溶剂与石墨烯的表面能相匹配时，溶剂与石墨烯之间的相互作用可以平衡剥离石墨烯所需的能量，能够较好地剥离石墨烯
(推荐)RC电路充放电时间计算
RC电路充放电时间计算 V0 为电容上的初始电压值； V1 为电容最终可充到或放到的电压值； Vt 为t时刻电容上的电压值。 则， Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)] 或， t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)] 求充电到90%VCC的时间。（V0=0，V1=VCC，Vt=0.9VCC） 代入上式： 0.9VCC=0+VCC*[[1-exp(-t/RC)] 既 [[1-exp(-t/RC)]=0.9； exp(-t/RC）=0.1 - t/RC=ln(0.1) t/RC=ln(10) ln10约等于2.3 也就是t=2.3RC。 带入R=10k C=10uf得。 t=2.3*10k*10uf=230ms RC回路充放电时间的推导过程需要用高等数学，简单的方法只要记住RC回路的时间常数τ=R×C，在充电时，每过一个τ的时间，电容器上电压就上升（1-1/e）约等于0.632倍的电源电压与电容器电压之差；放电时相反。 如C=10μF，R=10k，则τ=10e-6×10e3=0.1s 在初始状态Uc=0时，接通电源，则过0.1s（1τ）时，电容器上电压Uc为0+（1-0）×0.632=0.632倍电源电压U，到0.2s（2τ）时，Uc为0.632+（1-0.632）×0.632=0.865倍U……以此类推，直到t=∞时，Uc=U。放电时同样运用，只是初始状态不同，初始状态Uc=U。
单片机复位(上电复位和按键复位，复位脉宽10ms，R常取值10k~47k，c 取值10~100uf，电容大些为好)： 原理：如果复位是高电平复位，加电后电容充电电流逐渐减少，此时经电阻接地的单片机IO是没电压的，因为电容是隔直流的，直到充电完毕开始放电，放电的过程同样是电流逐渐减少的，开始放电时电流很大，加到电阻上后提供给IO高电平，一段时间（电容器的充放电参数：建立时间等）后，电流变弱到0，但是复位引脚已经有了超过3us的高电平，所以复位就完成了； 手动复位，如加按键，则是直接将电容短路，给复位引脚送高电平，此部分就只有电容在起作用；当然电源较大（一般3.3v-5v）的话，加电阻是为了分压，防止烧坏引脚。 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
氧化石墨烯的制备及表征
氧化石墨烯的制备及表征 文献综述 材料0802班 李琳 200822046
氧化石墨烯的制备及表征 李琳 摘要：石墨烯(又称单层石墨或二维石墨)是单原子厚度的二维碳原子晶体,被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元[1]。石墨烯可通过膨胀石墨经过超声剥离或球磨处理来制备[2,3]，其片层厚度一般只能达到30~100 nm，难以得到单层石墨烯(约0.34 nm)，并且不容易重复操作。所以寻求一种新的、容易和可以重复操作的实验方法是目前石墨烯研究的热点。而将石墨氧化变成氧化石墨，再在超声条件下容易得到单层的氧化石墨溶液，再通过化学还原获得，已成为石墨烯制备的有效途径[4]。通过述评氧化石墨及氧化石墨烯的制备、结构、改性及其与聚合物的复合,展望了石墨烯及其复合材料的研究前景。 关键词：氧化石墨烯，石墨烯，氧化石墨，制备，表征 Oxidation of graphite surfaces preparation and Characterization LI Lin Abstrat：Graphite surfaces (also called single graphite or 2 d graphite )is the single atoms thickness of the 2 d carbon atoms crystal, is considered fullerenes, carbon nanotubes and graphite basic structure unit [1].Graphite surfaces can through the expanded graphite after ultrasonic stripping or ball mill treatment topreparation [2,3], a piece of layer thickness normally only up to 30 to 100 nm, hard to get the single graphite surfaces (about 0.34 nm), and not easy to repeated operation. So to search a new, easy to operate and can be repeated the experiment method of the graphite surfaces is the focus of research. And will graphite oxidization into oxidation graphite, again in ultrasonic conditions to get the oxidation of the single graphite solution, again through chemical reduction get, has become an effective way of the preparation of graphite surfaces [4]. Through the review of graphite oxide and oxidation graphite surfaces of the preparation, structure, modification of polymer and the
超级电容器原理及电特性
超级电容器原理及电特性 Principle & Electric characteristics of Ultra capacitor 辽宁工学院陈永真孟丽囡宁武 Chen Yongzhen Liao Ning Institute of Technology 摘要：叙述了超级电容器的基本结构和工作原理，比较全面地介绍了超级电容器的特点和在特定测试条件下的电特性，分析了如较大的ESR、发热等特殊电特性产生的原因，提出一些注意事项。 关键词：超级电容器 ESR 放电电流 Abstract:Basic structure & principle of ultra-capacitor are described in this paper. The characteristics about ultra-capacitor and electric characteristics in special measuring conditions are also introduced in detail. Some reasons of special electric characteristics are analyzed, such as big ESR and heat, at last some attentions are also put forward. Key words: ultra-capacitor ESR Discharging current 超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。 1. 级电容器的原理及结构 1.1 超级电容器结构 图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界 面的表面面积。 由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸 附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一 特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更 少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。 这种超级电容器有几点比电池好的特色。 图1超级电容器结构框图 1.2 工作原理 超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到 超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 2.3 主要特点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：
液相法制备石墨烯
液相法制备石墨烯 摘要 近年来, 石墨烯以其独特的结构和优异的性能, 在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣。石墨烯是一种二维单元子层厚度的晶体，其碳原子呈蜂窝状晶格排布，并在单原子层厚度上集合了优异的电学、机械、光学与热学性质。目前人们已经在石墨烯的制备方面取得了积极的进展, 为石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障。现有的石墨烯的制备方法有微机械剥离法、化学气相沉积法、液相或气相直接剥离法、晶体外延生长法﹑氧化-还原法等，但大规模高质量制备技术仍然是制约其进入实际应用的瓶颈之一。 本文采用液相直接剥离石墨来制备石墨烯，按照正交试验设计方案，通过多次实验，改变石墨与溶剂的配比、超声时间、超声功率等，使得石墨剥离充分，通过适当时间的高速离心得到分散较好的石墨烯分散液。再选用不同的溶剂同样对石墨进行剥离得到石墨烯分散液。实验结果表明使用二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂剥离石墨,当浓度配比在0.14mg/ml，超声时间在9小时时效果最好，丁达尔效应表明分散液分散效果良好, 紫外光谱(UV)结果分析得出DMF剥离石墨没有引入其他官能团，利用扫描电子显微镜(SEM)得出微观图，得到低于五层的石墨烯。 与其他石墨烯制备方法相比，本论文所采用的液相直接剥离法制备石墨烯具有仪器设备简单、原材料便宜易得、液相体系便于材料加工成型等优点。直接利用数控超声机对放有石墨的溶剂进行超声剥离，不涉及化学变化从而得到的样品质量高。 关键词：石墨烯，液相剥离，正交试验设计
Graphene by Liquid Phase-based Exfoliation ABSTRACT Graphene has attracted much interest in recent years due to its unique and outstanding properties. Graphene is a two-dimensional crystal with atomic thickness, whose atoms are arranged in a honey comb lattic. Different routes to prepare graphene have been developed and achieved. Preparation methods of graphene used in recent years are intensively introduced, including micromechanical cleavage, chemical vapor deposition, liquid/gas phase-based exfoliation of graphite, epitaxial growth on an insulator, chemical reduction of exfoliated graphene oxide, etc. But large high quality preparation technology is still restrict the bottleneck of entered actual application. In this paper, liquid phase-based exfoliation of graphite method was used to fabricate graphene. By controlling the graphite and solvent ratio, the ultrasonic time, ultrasonic power according to orthogonal test design. Make graphite stripping fully, and at the same time through proper time of high-speed centrifugal get spread good graphene dispersed, and then choose different solvents of graphite and on the same stripped of graphene to dispersed. The experimental shown that when using DMF as solvent stripping graphite, it brought the best results when the ultrasonic time is nine hours and the concentration ratio is 0.14mg/ml. Then Tyndall effect shown that the dispersion liquid had a good dispersion effect Ultraviolet spectroscopy (UV) analysis of the results obtained that other functional groups were not introduced in DMF stripped graphite.Finally, the Graphene less than five layers could be observed in the microgram obtained by scanning electron microscopy (SEM) In comparison with other methods, liquid phase-based exfoliation of graphite method in preparation of grapheme has advantages that the devices required are simple, raw materials are cheap and easy to get, liquid-phase state is easy to be further processed and suitable for mass production. Numerical control ultrasonic machine using directly to a solvent with graphite for ultrasound dissection, not only simple operation, but also very safe. KEY WORDS: graphene, liquid phase-based exfoliation, orthogonal experimental design
电容的充放电过程及其应用
电容的充放电过程及其应用 一、实验目的 1．观察RC 电路的矩形脉冲响应。 2．了解RC 微分电路、积分电路及耦合电路的作用及特点。 3．学习双踪示波器的使用方法。 二、实验原理 1． RC 串联电路的充放电过程 在由电阻R 及电容C 组成的直流串联电路中，暂态过程即是电容器的充放电过程（图1），当开关K 打向位置1时，电源对电容器C 充电，直到其两端电压等于电源E 。这个暂态变化的具体数学描述为q ＝CUc ，而I = dq / dt ，故 dt dUc C dt dq i == （1） E iR Uc =+ （2） 将式(1)代人式(2)，得 E RC Uc RC dt dUc 11=+ 考虑到初始条件t=0时，u C =0，得到方程的解： []()() ?? ?? ?? ?-=-=-==RC t E U E U RC t R E i RC t E U C R /exp /exp ）/-（exp -1C 上式表示电容器两端的充电电压是按指数增长的一条曲线，稳态时电容两端的电压等于电 源电压E ，如图2(a) 所示。式中RC=具有时间量纲，称为电路的时间常数，是表征暂态过程进 行得快慢的一个重要的物理量，由电压u 上升到，1/e ≈，所对应的时间即为。 当把开关k 1打向位置2时，电容C 通过电阻R 放电，放电过程的数学描述为 图2 RC 电路的充放电曲线 （a ）电容器充电过程 （b ）电容器放电过程 U R Uc K 1 2 V E R C 图1 RC 串联电路
将dt dUc C i =，代人上式得01 =+Uc RC dt dUc 由初始条件t ＝0时，Uc ＝E ，解方程得 ? ??? ?--=--=-=) /exp()/exp() /exp(RC t E U RC t R E i RC t E Uc R 表示电容器两端的放电电压按指数律衰减到零，也可由此曲线衰减到所对应的时间 来确定。充放电曲线如图2所示。 2. 半衰期T 1/2 与时间常数τ有关的另一个在实验中较容易测定的特征值，称为半衰期T 1/2，即当U C （t ）下降到初值（或上升至终值）一半时所需要的时间，它同样反映了暂态过程的快慢程度，与t 的关系为：T 1/2 =τln2 = τ（或τ= 2） 3. RC 电路的矩形脉冲响应。 若将矩形脉冲序列信号加在电压初值为零的RC 串联电路上，电路的瞬变过程就周期性地发生了。显然，RC 电路的脉冲响应就是连续的电容充放电过程。如图3所示。 图3 RC 电路及各元件上电压的变化规律 若矩形脉冲的幅度为U ，脉宽为t p 。电容上的电压可表示为： ?? ??? ≤≤?≤≤-=- -211 0)1()(t t t e U t t e U t u t t c τ τ ) (t u i )(t u R ) (t C R C ) (t u i (t u R (t u C u u u -t t t 1t 2 t 2t p t 1t 1 t 3 t 2t 3 t 3 t
石墨烯的化学气相沉积法制备_图文(精)
收稿日期:2010 12 31; 修回日期:2011 02 14 基金项目:国家自然科学基金(50872136,50972147,50921004、中国科学院知识创新项目(K J CX 2 YW 231. 通讯作者:任文才,研究员.E m ai:l w cren@i m r .ac .cn;成会明,研究员.E m ai:l chen g @i m r .ac .cn ;高力波.E m ai:l l bgao @i m r .ac .cn 作者简介:任文才(1973-,男,山东东营人,博士,研究员,主要研究方向为石墨烯和碳纳米管的制备、物性和应用. E m ai:l w cren @i m r .ac .cn 文章编号: 1007 8827(201101 0071 10 石墨烯的化学气相沉积法制备 任文才, 高力波, 马来鹏, 成会明 (中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合实验室,辽宁沈阳110016 摘要: 化学气相沉积(CVD 法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、生长面积大等优点,逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法(胶带剥离法、化学剥离法、S i C 外延生长法和CV D 方法的原理和特点,重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等方面评述了CV D 法制备石墨烯及其转移技术的研究进展,并展望了未来CVD 法制备石墨烯的可能发展方向,如大面积单晶石墨烯、石墨烯带和石墨烯宏观体的制备与无损转移等。关键词: 石墨烯;制备;化学气相沉积法;转移中图分类号: TQ 127.1+1 文献标识码: A 1 前言 自从1985年富勒烯[1] 和1991年碳纳米管[2]
超级电容测试方案
10.备用电源系统测试 10.1测试工具及仪器 （1）数字万用表FLUKE 289 1台； （2）数字示波器Tektronix DPO3034 1台（含电流卡钳A622，高压隔离探头P5210）；（3）数字兆欧表HIOKI 345 1台，VC60D 1台； （4）功率分析仪YOKOGAWA WT1600 1台； （5）耐压测试仪 TOS5101 1台； （6）输出可调超级电容充电机 BN-CDJ350V 1台； （7） 24V直流电源一台； （8）变桨距系统控制柜轴一柜； （9）变桨试验台SY_BJ_T_V3.1 1台； （10）调压器9KV A 1台； （11）PRODIGIT 3257电子负载； （12）滑动变阻器 BX8-27-2.5A 2台； 10.2.超级电容单体性能测试 10.2.1单体容量测试 ★测试方法： 采用恒流放电法测90V超级电容模块的总容量，由于90V超级电容模块含36个超级电容单体，将总容量乘以36即可得到超级电容单体的容量。 测试电路如图10.1所示。
图10.1. 容量测试电路图 放电电流I1及放电电压下降的电压U1和U2见下表。分级方法应根据分立标准。 ★测试步骤： （1）如图10.1进行接线，设定充电机充电电压为150V，闭合F1； （2）断开F3，闭合F2，对超级电容模块C充电。C达到额定电压后，保持充电机输出30min，以I2=1A电流充电，每15s记录一次150V超级电容模块端电压；以I2’=2A电流充电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压； （3）将示波器电压探头接C的正负极端，将电子负载设置为恒流模式，电流值设置为I1=4A放电。断开F2并闭合F3对超级电容进行放电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压。 （4）记录C的正负极之间电压U随时间的变化曲线（如图10.2示意）；
CVD法制备石墨烯
题目： CVD法制备石墨烯及其进展
目录 1. 石墨烯 1.1 石墨烯简介 2.石墨烯的制备方法 2.1 物理方法制备石墨烯 2.1.1机械剥离法 2.1.2取向附生法—晶膜生长 2.1.3 液相和气相直接剥离法 2.2 化学法制备石墨烯 2.2.1 化学气相沉积法 2.2.2外延生长法 2.2.3 氧化石墨还原法 3.化学气相沉淀法制备石墨烯 3.1碳源 3.2生长基体 3.3 生长条件 4.不同基体时制备特点 4.1以镍为基体 4.2以铜为基体 5.讨论 6.总结与展望 参考文献
摘要： 石墨烯作为一种近年来发现的新材料，拥有许多独特的理化性质，在多个领域具有很大的应用潜力，成为了目前研究的热点。在多种制备石墨烯的方法中，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)法所制备的石墨烯具有面积大、质量高、均匀性好、层数可控等优点，被广泛采用。一般可采用镍，铁，铜，铂等过渡金属作为生长衬底，目前，研究中多采用铜衬底，这是由于其相对比较经济且所生长的石墨烯质量较好。但是如何利用化学气相沉积（CVD）在金属镍（Ni）和铜（Cu）衬底上实现高质量大面积石墨烯的可控生长还存在很大的难度。本文将重点介绍化学气相沉淀法制备石墨烯。 关键词：化学气相沉淀法，石墨烯 1. 石墨烯 1.1 石墨烯简介 石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335 纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。 石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料[12]。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。 2石墨烯的制备方法
热膨胀剥离法制备石墨烯及其表征
以-48μm高纯鳞片石墨为原料，先采用Hummers法制备氧化石墨，再采用高温热膨胀剥离法制备石墨烯。利用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、原子力显微镜(AFM)、N2 吸附-脱附(BET)等研究了氧化石墨及石墨烯的晶体结构、表面官能团、表面形貌、比表面积、孔径分布等。XRD 研究结果表明，氧化石墨层间距为0.94 nm，原有的石墨峰消失;热膨胀所得石墨烯(2θ=25.6°， d(002)=0.348nm)为无定形态。FT-IR 分析表明，石墨氧化过程中结构层间形成大量含氧官能团，经高温还原后仅残存部分含氧官能团。石墨烯具有较高的比表面积(336.7m2/g)，其厚度在0.4~0.7 nm 之间，为1~2 层石墨烯。 2004 年，英国曼切斯顿大学K S Novoselov 和A K Geim 等人，在实验中通过胶带反复剥离石墨片发现了只有1 个原子厚度单晶石墨膜——石墨烯。石墨烯材料具有理论高比表面积 (2600 m2/g) 以及奇特的电性能 (15000cm2/(V·s))、导热性能(3000 W/(m·K))、拉伸模量(1.01 TPa)、极限强度(116 GPa) 和光学性质，引起了科学家的广泛关注。 目前，石墨烯的制备方法主要分为化学法和物理法。化学法包括热膨胀剥离法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法、电化学法、石墨插层法等。物理法包括机械剥离法、爆炸法、加热SiC 法、取向附生法。石墨烯可通过膨胀石墨超声或者球磨制备，其片层厚度一般为30~100 nm，难以得到单层石墨烯。本实验首先采用Hummers 法制备氧化石墨，在 1050 ℃高温热膨胀，并通过在水溶液中超声制备了1~2 层石墨烯。 1、实验部分 1.1、原料及试剂 天然高纯鳞片石墨，含碳99.99%，粒径为-48μm，其X 射线衍射分析表明(002)晶面间距为0.336 nm。高锰酸钾、98% 浓硫酸、硝酸钠、30%双氧水、5% 盐酸，均为分析纯。 1.2、实验方法 氧化石墨制备：采用Hummers 法制备氧化石墨。首先在干燥烧杯中加入55 mL 98%浓硫酸和1 g 硝酸钠，冰浴条件下冷却，当体系温度低于5 ℃时，搅拌中加入2 g 鳞片石墨，混合均匀后，缓慢加入5 g 高锰酸钾，控制反应液温度不超过 20 ℃，反应2 h，然后将烧杯置于 35 ℃左右的恒温水浴中，均匀搅拌，待混合液温度升至 35 ℃，反应30 min，加入92 mL 去离子水，控制反应液温度在 98 ℃左右，继续搅拌15 min，然后加入280 mL 去离子水将反应终止，同时加入20 mL 30% 双氧水，这时溶液从棕黑色变为鲜亮的黄色，趁热过滤，并用2
超级电容器实验报告
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
超级电容常识
超级电容常识 超级电容基本知识 寿命 超级电容具有比电池更长的使用寿命，但是寿命也不是无限延长的。寿命终止失效模式为等效串联内阻的增加（ESR）升高和容量降低。超级电容实际的寿命失效取决于应用要求，比如长期置于 高温下，高电压和超电流将会导致ESR升高和容量降低。这些参数降低将会延长超级电容的寿命。 电压 超级电容具有推荐的额定工作电压，电压值是根据超级电容在最高的额定温度下最长寿命来设定的。如果使用电压超出额定电压，将会导致寿命缩短，若过压时间较长则内部电解液将会分解为气体，当气体的压力逐渐增强时，超级电容内部将会漏液或防爆阀破裂。 极性 超级电容采用对称的电极设计，正负极具有类似的结构，当电容首次装配时，任一电极都可以被当成正极或者负极，一旦超级电容被第一次充满电时，超级电容将会形成极性化。所以我们在生产过程中将会100%的充放电将极性定型，同时在每一个电容的外壳上面都有一个负极标志。提醒一点：虽然超级电容可以被放电使电压降低到零电压,但是电极还是保留非常少的电荷，此时变换极 性是不可以的。超级电容按照一个方向被充电的时间越长，他们的极性就变得越强。若此时更改极性将会使电容的寿命缩短或损坏。 环境温度 能量型超级电容的正常工作温度是-25℃--70℃，功率型超级电容的正常工作温度是-40℃--60℃，温度及电压对超级电容寿命有影响。一般来说，超级电容的环境温度每升高10℃，超级电容的寿 命就会缩短一半。也就是说在可能的情况下尽可能在最低温度下使用超级电容，那么就可以降低电容的衰减与ESR的升高。若低于正常室温环境下，那么可以降低电压以抵消高温对电容的负面 影响。相反在低温下提高超级电容的工作电压，可以有效的抵消超级电容在低温下内阻的升高。在高温情况下，电容内阻升高。在低温下，电容的内阻升高时暂时的，因为在低温下电解液的稠性升高，降低了电离子的远动速度。 放电特性 超级电容放电时，是按照一条斜率曲线放电，当确定应用时超级电容的容量与内阻要求时，最重要的就是要了解电阻及容量对放电特性的影响。在高脉冲电流应用时，ESR是重要的因素。而在低电流应用时，容量是最重要的因素。计算公式如下： Vd=I(R+T/C) Vd是起始工作电压与截止电压之差，I是放电电流，R是超级电容的（ESR），T是放电时间，C是电容的容量。在脉冲应用中，由于瞬间放电流很大，为减少电压的降幅，选用低内阻（ESR） 的超级电容，而在低电流应用中则需要选用高容量的超级电容。 充电方法 超级电容可用各种方法进行充电，如：恒定电流、恒定功率、恒定电压或与能量储存器，或者电源并联（如电池、DC变换器等）。如果超级电容与电池并联，加一个低阻值串联电阻将降低超级 电容的充电电流，并提高电池的使用寿命。但是如果使用串联电阻，必须要保证电容的电压输出端是直接与应用器连接而不是通过电阻与应用器连接，否则超级电容的低内阻特性将是无效的。在高脉冲电流放电时，许多电池系统寿命均会缩短。 超级电容最大充电电流I计算公式如下： I=V/5R I是推荐的充电电流，V是充电电压，R是超级电容的ESR。超级电容持续大电流或者高压充电，超级电容将会过度发热，过度发热将会导致ESR增加，电解液分解气化，缩短寿命、漏液、防爆 阀爆裂。如果要使用高于额定值的电流或电压充电请与生产厂商联系。 自放电与漏电流 以不同方法进行测量时自放电与漏电流在本质上是相同的，针对超级电容的结构，从正极到负极具备高的耐电流特性。也就是说保留电容电荷，需要少量的额外电流，这个电流就是漏电流。而当移除充电电压时，电容不在负荷时，额外的电流会促使超级电容放电，称为自放电流。 电容串联 单体超级电容的电压一般为2.5V或2.7V，而在许多应用领域要求高电压，超级电容可以设置串联的方法来提高工作电压。确保单一的超级电容电压不超过其最大的额定工作电压是很重要的，否 则会导致电解液分解产生气体，ESR升高，寿命减短。 在放电或者充电时，在稳定状态下因容量和漏电流的差异，都将会导致串联的超级电容电压不平衡现象。在充电时，串联的超级电容将起到电压分配作用，因此低容量单体超级电容将承受更大的电压。例如: 2.5V1F的超级电容串联，两个容量分别为+20%与-20%，则电压分配如下： V1=V供*（C1/(C1+C2)） V供是供给给串联两端的充电电压。 假设V1是+20%容量偏差的电容，若供应充电电压是5V,则： V1=5*(1.2/(1.2+0.8))=3V 所以，为避免超出3V的超级电容浪涌电压范围，串联超级电容的容量必须在同一个趋势范围内。在选择上可以用主动电压平衡电路来降低因容量不平衡而产生的电压不平衡。注意大多数的电压 平衡方法都是取决于具体的应用。 主动电压平衡 主动电压平衡电路能使串联的超级电容上的电压与额定电压驱同而不管有多少电压不平衡产生。同时在确保精确的电压平衡时，主动平衡电路在稳定的状态下只有非常低的电流，只有当电压超出平衡范围时才会产生比较大的电流，这些特性使得主动电压平衡电路是超级电容频繁充放电及如电池等能量组件使用的最理想电路。 被动电压平衡 被动电压平衡电路是忽略超级电容的低内阻直接用高电阻来做平衡电路的一种方式，采用与电容并联电阻进行分压，这就允许电流从高电压的超级电容上流至低电压的超级电容上实现电压的平衡。最重要的是选择平衡电阻值来提供超级电容更高电流的流动而不增加超级电容的漏电流。同时要注意：“漏电流在温度升高的时候会上升的”。 被动平衡电路使用在不频繁对超级电容进行充放电的应用，同时要能够承受平衡电阻的额外电流负载时推荐使用。使用平衡电阻时，建议使用平衡电阻的应能提供最差超级电容漏电流50倍以上 的额外电流，根据最高使用温度选择在3.3KΩ-22KΩ。尽管更大阻值的平衡电阻在大多数情况下也能工作，但其不可能在不匹配的超级电容串联时起到保护作用。 逆向电压防护 当串联使用的超级电容被快速放电时，低容量超级电容的电压将潜在地变为负电压。这是不允许的，同时会降低超级电容的使用寿命。一个简单的防护逆向电压的方法是在超级电容上的两端增加一个二极管。使用适当的额定的限流二极管替代标准的二极管，还可以保护超级电容出现过电压现象。在选择二极管时，“二极管必须能够承受电源的峰值电流”。 脉动电流 超级电容虽然有比较低的内阻，但是相对电解电容而言，其内阻还是比较大的，若应用在脉冲电流的环境中容易引起内部发热，从而导致电解液分解、ESR增加，从而引起超级电容寿命缩短。为了保证超级电容的使用寿命，在应用在脉冲环境中时，最好要保证超级电容表面的温度上升不超过3℃。 比能量： 是指电容器在单位重量或单位体积下所给出的能量。（通常也叫：重量比能量、体积比能量、能量密度）单位：WH/KG、WH/L 超级电容器的能量与本身的容量与电压有关。其计算方式： E=CV2/2 (单位焦耳J)