实验测试方法

为了获得相关准确数据，可采用以下测试方法。

5.7.1 单电极测试方法

1. 循环伏安测试

采用三电极体系进行循环伏安测试，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，参比池与测量池之间用盐桥连接，辅助电极为测试电极。测试系统为恒电位仪、信号发生器、函数记录仪。

超级电容的双电层可以利用平行板电容器模型进行等效处理，根据平行板电容器模型，电容量计算公式为

式中，C为电容(F);ε为介电常数;S为电极板正对面积、等效双电层有效面积(m2);d为电容器两极板之间的距离、等效双电层厚度(m)。

这里可以看出，超级电容的容量与双电层的有效面积和双电层厚度有关，双电层有效面积与所测电极的比表面积及碳的质量有关，双电层厚度则是受到溶液中离子的影响。所以电极制备好以后，电解液确定，容量便基本确定了。利用公式d Q=idt和C=Q/φ可得

式中，i为电流(A);d Q为电量的微分(C);dt为时间的微分(s);dφ为电位的微分(V)。

因而，如果给电极加上一个线性变化的电位信号，得到的电流响应信号将会是一个不变的量。如果给定的是一个在一定电位范围内来回线性变化的信号，电流信号将会是一个正电流信号或者一个负电流信号。给定信号和响应信号如图5-18所示，响应信号在i-φ图中呈一个矩形。

图5-18 循环伏安测试的给定信号图与响应信号图

(a)给定信号图;(b)响应信号图

循环伏安测试时就是给定一个线性变化来回扫描的电位信号，检测出电路中的电流变化信号，从所得图谱中得到需要的电极状况的信息。当然，实际所得的响应信号不会像图中所示的那样是一个标准的矩形，其形状随所测体系的不同而发生变化。

2. 单电极恒流充放电测试

采用恒电位仪作为恒流源，在三电极体系中进行测试。采用记录仪记录充放电过程中研究电极相对于参比电极的电位变化曲线。对于超级电容，采用恒定电流进行充放电时，如果电容量C为恒定值，那么dφ/dt将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系，恒流随时间是线性变化的关系，恒流充放电曲线是一条直线，与电池的充放电曲线不同。实际所测的充放电曲线并不完全是直线，与所测体系有关。测试系统如图5-19所示。

图5-19 单电极恒电流充放电测试系统

3. 交流阻抗测试

交流阻抗测试的原理是在工作电极上施加一个小幅交流信号，通过检测所得的电流信号得到复数阻抗，分析阻抗图谱可以得到需要体系的信息。

5.7.2 双电极测试方法

1. 双工作电极测试

测试采用三电极体系进行，将两个待测电极平行放置，相距1～2mm。电极间距不能太大，否则溶液中的欧姆压降比较明显。与甘汞参比电极相连的鲁金毛细管平行于两电极放置，管口置于电极几何中心。鲁金毛细管应拉得很细，以免影响两电极之间的电力线分布。采用恒流源对电极进行恒流充放，采用X—Y记录仪同时记录两个工作电极相对于参比电极的电位变化及两工作电极之间的电压变化。电极和毛细管分布如图5-20所示。

图5-20 双工作电极测试电极分布示意图

双工作电极法是试验中摸索出的一种新的实验方法，对于单电极的研究方法，可以得到电极性质的许多信息，但是对于电池和超级电容器而言，电极都是成对工作的，两个电极对于总电压各自的贡献无法从单电极性能中得到。然而这一信息对于电池或电容的电极匹配、性能优化等又较为重要。利用双工作电极法可以在恒流充放电的过程中同时得到两个电极的电位随时间的变化关系，从而得到正负极分别对总电压的贡献。

2. 双电极恒流充放电循环

对于双电极和组装后的电容器须考察其循环性能，采用恒流充放电循环，恒流源与控制单元连接后与电容测试单元相连，电容器两端的电压经过A/D变换后通过计算机采集数据，计算机通过判断所采集的数据发出指令控制充放电换向开关。采用此系统可对所测电容器进行上万次的循环测试。