實驗一鋰電池堿性電池和鎳氫電池的性能測試

1、1實驗一 鋰電池、堿性電池和鎳氫電池的性能測試一、實驗的基本原理1. 鋰電池的電極反應（1）二次鋰電池的電極反應Positive electrode: LiFePO4 + e - = Li+ + Fe2+ PO43-Negative electrode: Lix C - e- = x Li + +COverall reaction: LiFePO4 + Lix C = x Li + + C + LiFePO4 E = 3.8 VFig. 1 Charge and discharge of lithium battery（2）一次鋰電池的電極反應Positive electrode: MnO2

2、+ e- = MnO2Negative electrode: Li - e- = Li+Overall reaction: MnO2 + Li = LiMnO2 E = 3.5 V2. 堿性鋅錳干電池總反應Positive electrode: 2MnO2 + H2O + 2e- = Mn2O 3 +2OH-Negative electrode: Zn + 2OH ZnO + H2O + 2eOverall reaction: Zn + 2MnO2 = ZnO + Mn2O 3 E = 1.5 V 3.鎳氫二次電池的電極反應Positive electrode：NiOOH + H2O + e-

3、 Ni(OH2 + OH-Negative electrode：MH + OH- M + H2O + e-Overall reaction: MH + NiOOH M + Ni(OH2 E = 1.2 V二、儀器和材料21儀器CorreTest CS350 2一次性紐扣鋰電池（CR2032）及干電池和5號或7號鎳氫電池以及充電器，其中四套備用）三、電池的性能測試CorrTest電化學測試系統(tǒng)由CS系列電化學工作站（恒電位/電流儀）和CorrTest控制與數(shù)據(jù)分析軟件組成。可以進行穩(wěn)態(tài)電化學方法測試，如開路電壓、恒電位極化、動電位掃描等；暫態(tài)電化學測試，如恒電位（流）階躍、恒電位（流）方波；可以

4、進行電分析化學方法，如線性掃描伏安分析、循環(huán)伏安分析以及各種方波、差分伏安分析等；以及交流阻抗測試等。它在電極過程研究、化學電源、電鍍、電解、相分析、金屬腐蝕研究、電化學保護參數(shù)測定等方面具有廣泛用途。圖1中接線說明：綠色工作電極(WE ；紅色對電極(CE ；黃色參比電極(RE 。圖1 Corrtest CS350電化學工作站1開路電位（Open Circuit Potential）V oc圖2 開路電壓測試的實驗參數(shù)設置界面3菜單位置：“測試方法”“穩(wěn)態(tài)測試”“開路電位”。根據(jù)圖示界面分別設置恒電位儀、電解池和測量時間等參數(shù)。（具體參考武漢科斯特儀器有限公司CorrTest CS系列電化學工

5、作站說明書）把測量電池正確接入測試系統(tǒng)，點擊開始按鈕，開始進行測量，記錄電位、電流-時間曲線。 注：(1先建立新數(shù)據(jù)文件; (2坐標類型設置為電位電流-時間模式。2恒電位極化（Constant Potential Polarization） 菜單位置：“測試方法”“穩(wěn)態(tài)測試”“恒電位極化”圖3恒電位極化測試的實驗參數(shù)設置界面根據(jù)圖示界面分別設置恒電位儀、電解池、極化電位（± 0.1 0.3 V vs Voc ）和極化時間等參數(shù)。點擊開始按鈕，開始進行測量，記錄電流-時間曲線。 注：(1先建立新數(shù)據(jù)文件; (2坐標類型設置為電流-時間模式。3恒電位階越（Constant Potenti

6、al Step）恒電位階躍也可用來測量溶液電阻R s 和工作電極的極化電阻R p ，還可以計算雙電層電容C d 。具體計算方法請參見劉永輝所編的電化學測試技術一書，北京航空學院出版社，1987年10月第1版。 菜單位置：“測試方法”“暫態(tài)測試”“恒電位階躍”圖4恒電位階越測試的實驗參數(shù)設置界面4根據(jù)圖示界面分別設置恒電位儀、電解池、階越電位（<10 mV）和極化電位選擇V oc 等參數(shù)。點擊開始按鈕，開始進行測量，記錄電流-時間曲線。 注：(1先建立新數(shù)據(jù)文件; (2坐標類型設置為電流-時間模式。4線性掃描伏安法（Linear Scan Voltammetry LSV）線性掃描伏安法（L

7、inear Scan Voltammetry）是以線性掃描方式將激發(fā)電位施加于工作電極上。從起始電位開始線性掃描至終止電位后即終止，其掃描歷程相當于循環(huán)伏安法的半個循環(huán)。 菜單位置：“測試方法”“伏安分析”“線性掃描伏安”圖5 線性掃描伏安測試的實驗參數(shù)設置界面根據(jù)圖示界面分別設置恒電位儀、電解池、電壓掃描速率和掃描初始和終止電位（電壓掃描范圍<1 V vs VOC ）等參數(shù)。點擊開始按鈕，開始進行測量，記錄電位、電流-時間曲線。點擊開始按鈕，開始進行測量，記錄電流-電壓曲線。 注：(1先建立新數(shù)據(jù)文件; (2坐標類型設置為電流-電壓模式。5循環(huán)伏安法（Cyclic Voltammetr

8、y CV）循環(huán)伏安法（cyclic voltammetry）是以快速線性掃描的方式將激發(fā)電位施加于極化池上，循環(huán)伏安法的激發(fā)信號是一個等腰三角波電位。從起始電位E i 開始，電位沿某一方向線性變化至終止電位E m ，立即換向回掃至起始電位。 5圖6 循環(huán)伏安測試的實驗參數(shù)設置界面根據(jù)圖示界面分別設置恒電位儀、電解池、電壓掃描速率和初始電位高電位低電位初始電位，并往復循環(huán)，電壓掃描范圍<1 V vs Voc 。點擊開始按鈕，開始進行測量，記錄電流-電壓曲線。注：(1先建立新數(shù)據(jù)文件; (2坐標類型設置為電流-電壓模式。6交流阻抗（Electronic Impedance Spectrome

9、try EIS）電化學阻抗譜方法是一種以小振幅的正弦波電位（或電流）為擾動信號，來測量電極體系的各種阻抗的電化學測量方法。 菜單位置：“測試方法”“交流阻抗”“阻抗頻率掃描”圖7交流阻抗測試的實驗參數(shù)設置界面圖8 電化學阻抗測試分析器實驗參數(shù)設置界面 根據(jù)圖 7、8 所示界面分別設置恒電位儀、電解池參數(shù)、極化交流幅值（< 10 mV vs Voc） 、初始和終止頻率等，具體參考 CS 系列電化學工作站說明書。點擊開始 按鈕，開始進行測量，記錄 Nyquist 和 Bode 圖。 注：(1先建立新數(shù)據(jù)文件; (2記錄Nyquist和Bode圖。 四、結果與討論 1開路電位（Open Cir

10、cuit Potential Voc） 2恒電位極化（Constant Potential Polarization） （很耗電池電量） 3恒電位階越（Constant Potential Step） 4線性掃描伏安法（Linear Scan Voltammetry LSV） 5循環(huán)伏安法（Cyclic Voltammetry CV） 6交流阻抗（Electronic Impedance Spectrometry EIS） 3.3405 E (Volts 3.3400 0 100 200 300 Time (Sec 0 I (Amps/cm2 -1e-8 -2e-8 -3e-8 0 100 2

11、00 300 Time (Sec Figure 9 Open circuit potential and current 6 3.8500 3.8475 0 50 100 150 200 E (Volts Time (Sec 0.015 I (Amps/cm2 0.010 0.005 0 0 50 100 150 200 Time (Sec Figure10 Curve of constant potential polarization of lithium cell 3.4375 E (Volts 3.4350 3.4325 3.4300 3.4275 3.4250 0 0.05 0.10

12、 0.15 0.20 Time (Sec 0.002 I (Amps/cm2 0.001 0 -0.001 0 0.05 0.10 0.15 0.20 Time (Sec Figure 11 Constant potential step of lithium cell 4.50 4.25 E (Volts 4.00 3.75 3.50 3.25 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Time (Sec 0.100 0.075 I (Amps/cm2 0.050 0.025 0 3.25 3.50 3.75 4.00 4.25 4.50 E (Volts Figure 12 Curve of l

13、inear scan voltammetry of lithium cell 7 -1 -2 E (Volts -3 -4 -5 -6 0 10 20 30 40 50 Time (Sec 0.50 0.25 I (Amps/cm2 0 -0.25 -0.50 -6 -5 -4 -3 -2 -1 E (Volts Figure 13 CV curve of lithium cell -30 EIS_button battery_20131208.Z60 -20 Z'' -10 0 10 0 10 20 30 40 Z' Figure 14 Curve EIS of lithium cell 五、結論