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用RST电化学工作站测试超级电容器

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         RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法,如:“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法”“交流阻抗谱”等,可对超级电容器进行深入的研究。

        以前,人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。随着超级电容器应用领域的不断扩展,特别是对快速充放电要求的提高,使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。         

        对超级电容器实施快速循环充放电,需要设立一个限压换流模块,属于反馈控制。就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后,立即通知驱动单元改变电流方向。限压换流的过程必须快速,否则就控制不住了。在 RST5200E电化学工作站中,限压换流功能由硬件实现,从而确保该反馈控制过程小于1mS。下表列出了一些电化学测试仪器的指标:


可见,电化学仪器的硬件结构决定了是否能对超级电容器进行精密测试。
下面对RST5200E电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。
1. 超级电容器的连接
工作电极引线夹(绿蓝)接超级电容器正极。
参比电极引线夹(白黄)接超级电容器负极;辅助电极引线夹(红)接超级电容器负极。
运行中,请勿断开超级电容器。
2.软件功能
2.1 界面布局
左上部为文本框,用于显示运行参数和测量数据。
左下部为操作面板,用于接受操作者的选择。
右边为图形框,用于显示被选中的循环,这些循环属于该曲线的一部分。
2.2 定位显示
本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。通过操作面板,可调整显示参数:起始循环、循环数量。
2.3 数据计算
软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算,其结果显示于文本框中,有:充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。
2.4 删除多余的循环
在菜单<数据处理>中,设有三个子菜单。
2.4.1 <删除最初一个循环>:通常,由于电容器测试前的初始储能状态不确定,使得第一个循环的充放电不完整,通过该菜单可以删除这个循环。再次操作该菜单,可再删除一个循环。
2.4.2 <删除最后一个循环>:如果手动停止实验,最后一个循环的充放电可能不完整,通过该菜单可以删除这个循环。再次操作该菜单,可再删除一个循环。
2.4.3 <删除未显示的循环>:如果只对显示于图形框中的那些循环感兴趣,可用该菜单删除显示区域之外的循环。
3. 设定参数
3.1 充电电流
充电过程中的恒定电流。其最大值Im可由下式估算:Im =(充电限制电压 - 放电限制电压)/ 等效串联电阻。如果所设的充电电流超过Im,则电压曲线立即越过充电限制电压线,无法对超级电容器实施充电。充电电流一般应设在Im / 2以下。
3.2 放电电流
放电过程中的恒定电流。其最大值Im可由下式估算:Im =(充电限制电压 - 放电限制电压)/ 等效串联电阻。如果所设的放电电流超过Im,则电压曲线立即越过放电限制电压线,无法对超级电容器实施放电。放电电流一般应设在Im / 2以下。
3.3 充电限制电压
应低于超级电容器的击穿电压,例如:3V。
3.4 放电限制电压
应低于充电限制电压,例如:0V。
3.5采样周期
采样周期应根据不同的测量目的来设定,一般以每个充放电循环100至1000个样点为为宜。例如:(A)测量电压阶跃值,可将采样周期设为0.01S、0.001S,以便准确找出电压突变点,但应减少循环次数,以免数据量太大。(B)对于循环次数很多的实验,如超级电容器化成、循环寿命测量等,则应增大采样周期,设为0.1S、1S或更大,以免数据量太大。
3.6 电流阶跃值(导出参数)
这个参数由操作者设定的充电电流和放电电流计算得到,电流阶跃值= 充电电流 - 放电电流。
3.7 电压阶跃值(测量参数)
可以从电压时间曲线上测得,就是电压突变处的电压差值。为了准确找出电压突变点,可按如下参数设置:采样周期(S)= 0.001、循环次数(N)= 2。
4. 测量结果
4.1 电容量
当测得1个循环后,即可从文本框中直接读取“电容量”。

如果您关心的是不同区域的微分电容量,可按C = I * dt / du算得,I 是充电或放电电流,dt是曲线上的时间变化量、du是曲线上的电压变化量。如果为了准确描述超级电容器在不同频率下的电容量,建议采用“微分电容-频率”方法,该方法同时测出在不同频率下的电容量及损耗角正切值。
4.2 等效串联电阻
对于超级电容器,该参数主要由电极材料电阻引起,约为几欧姆至几百欧姆。当测得1个循环后,即可从文本框中直接读取“等效串联电阻”。对于电解电容器、陶瓷电容器、薄膜电容器等小电容器,等效串联电阻可用“恒流限压快速循环充放电”、“单电流阶跃E-t曲线”、“多电流阶跃E-t曲线” 等方法,在曲线或导出的数据中获取电流阶跃值、电压阶跃值。等效串联电阻= 电压阶跃值/ 电流阶跃值。
4.3 漏电阻及漏电流
漏电阻主要由电极的极化电阻形成。漏电阻= 工作电压/ 漏电流。工作电压不同,漏电阻不同。因此,测量时应选择一个合适的工作电压,注意,工作电压不可超过击穿电压。漏电流的测量方法,可选“恒电位电解I-t曲线”,静置电位应与恒定电位一致,都属工作电压,如3V。先用大电流量程(如500mA档)运行2000秒,等电流稳定(曲线成为一条直线)后,再改用合适的小量程(如2mA档)再运行1000秒,精确测定其漏电流。注意,改变量程时,千万不要改变工作电压。测量漏电流,也可采用“单电位阶跃计时电流法”,静置电位应与阶跃电位一致。
5. 数据图谱
以下列出一些用不同方法测量所得到的图谱:
5.1 用“恒流限压快速循环充放电”方法,进行循环充放电测试。
这是一种快速方法,最高采样率为1000sps。用于研究超级电容器的高频充放电特性,如:充放电对称性、高频电容特性、温升特性、串联电阻特性等。



5.2 用 “电池恒流循环充放电” 方法,进行循环充放电测试。
这种方法提供充放电之间的等待期。可隔离充电过程与放电过程,并降低器件温升。


5.2 用“微分电容-频率”方法,测量超级电容器电容量随频率变化的特性。
由图可见,超级电容器电容量在高频区域几乎没有电容量。在低频率区,具有极大的电容量。


5.3 用“交流阻抗谱”方法,可测得超级电容器的全频谱特性。



5.4 用“线性循环伏安法”,可测得超级电容器的循环伏安曲线。
在该曲线中,可分析电极、电解质特性。如:非法拉第过程的有效区间、杂质干扰的严重程度、验证工作电压范围等。



5.5 用“恒流限压快速循环充放电”方法,测量等效串联电阻。
下图曲线以1000sps采样率测得,因此,每个样点间的时间为1mS。将曲线在时间轴上展开并显示样点,我们可以清晰地看到电压跳变点。以下式计算等效串联电阻:等效串联电阻= 电压阶跃值/ 电流阶跃值



5.6 下图是用“恒流限压快速循环充放电”方法测量一个10微法的小电容。可见,其循环周期只有100mS左右。


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