電化學(xué)工作站介紹及使用方法

1、電化學(xué)工作站介紹及使用方法 RST5200E電化學(xué)工作站提供了許多適合于超級(jí)電容器研究的電化學(xué)測(cè)試方法，如：“恒流限壓快速循環(huán)充放電”、“微分電容-頻率”、“線性掃描循環(huán)伏安法“交流阻抗譜”等，可對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行深入的研究。 以前，人們大多用“電池循環(huán)充放電儀”對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充放電研究。隨著超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，特別是對(duì)快速充放電要求的提高，使得用電池測(cè)試儀器研究超級(jí)電容器顯得力不從心。 對(duì)超級(jí)電容器實(shí)施快速循環(huán)充放電，需要設(shè)立一個(gè)限壓換流模塊，屬于反饋控制。就是當(dāng)采集單元檢測(cè)到超級(jí)電容器兩端的電壓超越限定值后，立即通知驅(qū)動(dòng)單元改變電流方向。 限壓換流的過(guò)程必須快速，否則就控制不住了

2、。在 RST5200E 電化學(xué)工作站中，限壓換流功能由硬件實(shí)現(xiàn)，從而確保該反饋控制過(guò)程小于1mS。下表列出了一些電化學(xué)測(cè)試儀器的指標(biāo)： 儀 器循環(huán)充放電 功能循環(huán)次數(shù)限壓換流時(shí)間最小充放電周期普通電化學(xué)工作站無(wú)-普通電池循環(huán)充放電儀有1000次1S100S高檔電池循環(huán)充放電儀有1000次0.1S10S超級(jí)電容器循環(huán)充放電儀有10000次0.01S1SRST5200E電化學(xué)工作站有（快速）10000次0.001S0.1S可見(jiàn)，電化學(xué)儀器的硬件結(jié)構(gòu)決定了是否能對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行精密測(cè)試。 下面對(duì)RST5200E 電化學(xué)工作站中的“恒流限壓快速循環(huán)充放電”方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 1. 超級(jí)電容器的連接 工

3、作電極引線夾（綠藍(lán)）接超級(jí)電容器正極。 參比電極引線夾（白黃）接超級(jí)電容器負(fù)極；輔助電極引線夾（紅）接超級(jí)電容器負(fù)極。 運(yùn)行中，請(qǐng)勿斷開(kāi)超級(jí)電容器。 2 .軟件功能 2.1 界面布局 左上部為文本框，用于顯示運(yùn)行參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。 左下部為操作面板，用于接受操作者的選擇。 右邊為圖形框，用于顯示被選中的循環(huán)，這些循環(huán)屬于該曲線的一部分。 2.2 定位顯示 本方法將測(cè)量獲得的曲線以充放電循環(huán)作為單元顯示于圖形框中。通過(guò)操作面板，可調(diào) 整顯示參數(shù)：起始循環(huán)、循環(huán)數(shù)量。 2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算 軟件自動(dòng)對(duì)顯示于圖形框中的循環(huán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其結(jié)果顯示于文本框中，有：充電電量、放電電量、充電能量、放電能量、電容

4、量、等效串聯(lián)電阻等。 2.4 刪除多余的循環(huán) 在菜單<數(shù)據(jù)處理>中，設(shè)有三個(gè)子菜單。 2.4.1 <刪除最初一個(gè)循環(huán)>：通常，由于電容器測(cè)試前的初始儲(chǔ)能狀態(tài)不確定，使得 第一個(gè)循環(huán)的充放電不完整，通過(guò)該菜單可以刪除這個(gè)循環(huán)。再次操作該菜單，可再刪除一個(gè)循環(huán)。 2.4.2 <刪除最后一個(gè)循環(huán)>：如果手動(dòng)停止實(shí)驗(yàn)，最后一個(gè)循環(huán)的充放電可能不完整，通過(guò)該菜單可以刪除這個(gè)循環(huán)。再次操作該菜單，可再刪除一個(gè)循環(huán)。 2.4.3 <刪除未顯示的循環(huán)>：如果只對(duì)顯示于圖形框中的那些循環(huán)感興趣，可用該菜單刪除顯示區(qū)域之外的循環(huán)。 3. 設(shè)定參數(shù) 3.1 充電電流

5、充電過(guò)程中的恒定電流。其 最大值Im可由下式估算：Im =（充電限制電壓 - 放電限制電壓）/ 等效串聯(lián)電阻。如果所設(shè)的充電電流超過(guò) Im，則電壓曲線立即越過(guò)充電限制電壓線，無(wú)法對(duì)超級(jí)電容器實(shí)施充電。充電電流一般應(yīng)設(shè)在Im / 2以下。 3.2 放電電流 放電過(guò)程中的恒定電流。其最大值Im可由下式估算：Im =（充電限制電壓 - 放電限制電壓）/ 等效串聯(lián)電阻。如果所設(shè)的放電電流超過(guò) Im，則電壓曲線立即越過(guò)放電限制電壓線，無(wú)法對(duì)超級(jí)電容器實(shí)施放電。放電電流一般應(yīng)設(shè)在Im / 2以下。 3.3 充電限制電壓 應(yīng)低于超級(jí)電容器的擊穿電壓，例如：3V。 3.4 放電限制電壓 應(yīng)低于充電限制電壓，例

6、如：0V。 3.5采樣周期 采樣周期應(yīng)根據(jù)不同的測(cè)量目的來(lái)設(shè)定，一般以每個(gè)充放電循環(huán) 100 至 1000 個(gè)樣點(diǎn)為為宜。例如：（A）測(cè)量電壓階躍值，可將采樣周期設(shè)為0.01S、0.001S，以便準(zhǔn)確找出電壓突變點(diǎn)，但應(yīng)減少循環(huán)次數(shù)，以免數(shù)據(jù)量太大。（B）對(duì)于循環(huán)次數(shù)很多的實(shí)驗(yàn)，如超級(jí)電容器化成循環(huán)壽命測(cè)量等，則應(yīng)增大采樣周期，設(shè)為 0.1S、1S或更大，以免數(shù)據(jù)量太大。 3.6 電流階躍值（導(dǎo)出參數(shù)） 這個(gè)參數(shù)由操作者設(shè)定的充電電流和放電電流計(jì)算得到，電流階躍值 = 充電電流 - 放電電流。 3.7 電壓階躍值（測(cè)量參數(shù)） 可以從電壓時(shí)間曲線上測(cè)得，就是電壓突變處的電壓差值。為了準(zhǔn)確找出電壓

7、突變點(diǎn)，可按如下參數(shù)設(shè)置：采樣周期（S）= 0.001、循環(huán)次數(shù)（N）= 2。 4. 測(cè)量結(jié)果 4.1 電容量 當(dāng)測(cè)得1 個(gè)循環(huán)后，即可從文本框中直接讀取“電容量”。 如果您關(guān)心的是不同區(qū)域的微分電容量，可按C = I * dt / du算得，I 是充電或放電電流，dt 是曲線上的時(shí)間變化量、du 是曲線上的電壓變化量。如果為了準(zhǔn)確描述超級(jí)電容器在不同頻率下的電容量，建議采用“微分電容-頻率”方法，該方法同時(shí)測(cè)出在不同頻率下的電容量及損耗角正切值。 4.2 等效串聯(lián)電阻 對(duì)于超級(jí)電容器，該參數(shù)主要由電極材料電阻引起，約為幾歐姆至幾百歐姆。當(dāng)測(cè)得1個(gè)循環(huán)后，即可從文本框中直接讀取“等效串聯(lián)電阻”

8、。 對(duì)于電解電容器、陶瓷電容器、薄膜電容器等小電容器，等效串聯(lián)電阻可用“恒流限壓快速循環(huán)充放電”、“單電流階躍E-t曲線”、“多電流階躍E-t曲線” 等方法，在曲線或?qū)С龅臄?shù)據(jù)中獲取電流階躍值、電壓階躍值。等效串聯(lián)電阻 = 電壓階躍值 / 電流階躍值。 4.3 漏電阻及漏電流 漏電阻主要由電極的極化電阻形成。漏電阻 = 工作電壓 / 漏電流。工作電壓不同，漏電阻不同。因此，測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)合適的工作電壓，注意，工作電壓不可超過(guò)擊穿電壓。漏電流的測(cè)量方法，可選“恒電位電解I-t曲線”，靜置電位應(yīng)與恒定電位一致，都屬工作電壓，如 3V。先用大電流量程（如 500mA 檔）運(yùn)行 2000 秒，等電流

9、穩(wěn)定（曲線成為一條直線）后，再改用合適的小量程（如2mA 檔）再運(yùn)行1000秒，精確測(cè)定其漏電流。注意，改變量程時(shí)，千萬(wàn)不要改變工作電壓。測(cè)量漏電流，也可采用“單電位階躍計(jì)時(shí)電流法”，靜置電位應(yīng)與階躍電位一致。 5. 數(shù)據(jù)圖譜 以下列出一些用不同方法測(cè)量所得到的圖譜： 5.1 用“恒流限壓快速循環(huán)充放電”方法，進(jìn)行循環(huán)充放電測(cè)試。 這是一種快速方法，最高采樣率為 1000sps。用于研究超級(jí)電容器的高頻充放電特性，如：充放電對(duì)稱性、高頻電容特性、溫升特性、串聯(lián)電阻特性等。5.2 用 “電池恒流循環(huán)充放電” 方法，進(jìn)行循環(huán)充放電測(cè)試。 這種方法提供充放電之間的等待期?？筛綦x充電過(guò)程與放電過(guò)程，并降低器件溫升。5.2 用“微分電容-頻率”方法，測(cè)量超級(jí)電容器電容量隨頻率變化的特性。 由圖可見(jiàn)，超級(jí)電容器電容量在高頻區(qū)域幾乎沒(méi)有電容量。在低頻率區(qū)，具有極大的電容量。5.3 用“交流阻抗譜”方法，可測(cè)得超級(jí)電容器的全頻譜特性。 放大圖片 5.4 用“線性循環(huán)伏安法”，可測(cè)得超級(jí)電容器的循環(huán)伏安曲線。 在該曲線中，可分析電極、電解質(zhì)特性。如：非法拉第過(guò)程的有效區(qū)間、雜質(zhì)干擾的嚴(yán)重程度、驗(yàn)證工作電壓范圍等。 5.5 用“恒流限壓快速循環(huán)充放電”方法，測(cè)量等效串聯(lián)電阻。 下圖曲