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用RST5000系列電化學工作站測量超級電容器循環壽命

發布者:本網 | 瀏覽次數:


超級電容器的循環壽命與眾多因素有關,如:電極特性、溶液特性、工作溫度、充放電電流、最高充電電壓、封裝因素、工藝因素等。用RST5000系列電化學工作站中的“恒流限壓快速循環充放電”方法可對超級電容器進行測量,可獲得電容量、等效串阻、充放電周期等參數。如對超級電容器進行長時間測量,則可評估超級電容器的循環壽命。

1. 采集實驗數據

1.1設定參數

主要參數有:充電電流、充電限制電壓、放電電流、放電限制電壓、采樣周期、循環圈數、電壓量程。

充電電流及放電電流,應依據超級電容器的額定工作電流設置。

依充放電原理,最大充電電流 = 充電限制電壓/(2 * 等效串聯電阻)

在實際應用中,充電電流 < 充電限制電壓/(4 * 等效串聯電阻)

否則,充電期太短,甚至充電過程一晃而過。

放電電流可與充電電流相等。

對于二電極體系,充電限制電壓不應超過超級電容器的額定工作電壓,放電電壓可為零。對于三電極體系,超級電容器工作電極上的電位是相對參比電極電位而言的,因此,應根據該材料對參比電位的特性來設置電位,這種情況下,有可能出現負值,這是正常的。

采樣周期可根據經驗來設定,也可先測幾個循環試試,一般而言,只要每個循環周期包含100個到500個樣點就可以了,采樣周期≈循環周期/200。為便于觀察,可將采樣周期設成某些易讀值:如0.1S、1S、2S、10S等。過多的樣點會使存儲文件過大,開圖變慢。

循環圈數可根據需要設定。在實驗過程中可隨時停止。停止前的曲線數據都有效。

電壓量程應大于充電限制電壓。

本方法有自動數據備份功能,在菜單<系統設置—自動備份設置>中可設置備份間隔,默認60秒,一般無需調整。勾選<啟用自動備份>,表明已啟用自動備份功能。一旦停過電,可重啟電腦、重啟軟件,這時不要運行新實驗,打開菜單<文件—恢復上次實驗的自動備份數據>進行數據恢復操作。數據恢復后,在屏幕上可看到停電前已備份的數據曲線。注意,如果運行了新實驗,以前實驗備份數據將被覆蓋掉!

1.2 實驗運行

設定參數后,按下運行鍵,實驗即開始。在實驗過程中可觀察最新的兩個循環。在左上方的文本框中可獲得一些即時數據。

1.3請在實驗結束后,把實驗曲線數據存盤。

2. 用不同的顯示模式查看實驗數據

在RST5000電化學工作站軟件中,打開菜單<圖形瀏覽—選擇顯示模式>,此時,可看到在軟件窗口左上方疊加了一個<顯示模式>操作窗口,該操作窗口是懸浮于所有界面之上的,可用鼠標拖拽到合適的位置,方便觀察及操作,如下圖:


在該操作界面上,提供了多種顯示模式,我們可隨意切換查看。下面舉一些例子。

3. 查看原始曲線

3.1電壓電流—時間

這個曲線與實驗運行過程中看到的類似,但可以顯示更多的循環。

設置合適的起始循環,可使曲線從該循環開始顯示。循環數量就是在屏幕上可看到的循環個數。設好后,按下<應用>即可。<最初循環>及<最后循環>是兩個DEMO按鈕,分別可顯示實驗開始時的兩個循環和實驗結束前的兩個循環。

見下圖,電壓是紅色曲線,第一個循環就是實驗開始后的第1000個循環,曲線共顯示了6個完整循環。

時間值解讀,見圖中X軸下方的藍字,我們把時間分成了兩部分。時間值的前部稱為基礎時間,本例中為14555.300秒,就是起始循環開始的時間,即第1000個循環出現在啟動運行后的14555.300秒。時間值的后部稱為偏移時間t(S),可從坐標刻度上讀取,這樣可以簡單明了地看清每個周期的時間長度及充放電曲線特征點的相對時間位置。

勾選<顯示電流>可將電流曲線疊加在屏幕上方便對比,電流是灰色曲線。


3.2電壓—折疊時間,見下圖:


這是一種把許多循環疊在一起的直觀顯示圖。每個循環都從最左邊開始,但每個循環的時間長度是不同的。通常,實驗剛開始時的循環周期比較長,越到后面越短。

在曲線族的最左邊,軟件去掉了每個循環開始時的上跳沿,以便仔細觀察由等效串阻引起的上跳終位。另外,軟件把下個循環的上跳沿裝到了前一個循環的尾部,這樣可以清晰地看到每個循環結尾的時間點。

如果實驗曲線包含了太多的循環,就難以分辨了。在這種情況下,不妨試試減小抽樣率,這樣可以少顯示一些循環。實際上,以顯示10到50個循環為宜。


勾選<逐圈疊加>,可顯示慢動作,大致感受從前到后各個循環周期的變化規律,比如:循環周期減小是不是均勻,有否中間突然增大的現象(這被認為是容量再生)。

4. 查看統計曲線

4.1電容量—循環,見下圖:


上圖,明顯表明了電容量隨循環數量增加而衰減的過程。當電容量減小到不符合應用場景時,即被認為壽命終結,盡管這時電容器并沒有損壞。

4.2等效串阻—循環,見下圖:


一般地,等效串阻會隨著循環次數的增多而增大,表示其性能逐步下降。

注:等效串阻即等效串聯電阻。在超級電容器內部,歐姆型傳導電阻跟電極導電路徑及溶液離子濃度等因素有關,由于導電路徑及溶液連通路徑是彎彎繞繞的,電阻與電容呈分布式級聯,為方便研究,我們把這些分布電阻的作用等效到電容器外部,形成一個串聯電阻,就是等效串阻。分布阻容網絡具有明顯的相位滯后頻率特征,因此,在不同充放電速率下,這個等效串阻值是不同的。如果要比較兩個超級電容器的等效串阻,必須要在同等充放電電流下進行比較,而且要求兩個超級電容器的電容量要大致相當。

4.3充放電周期—循環,見下圖:


從上圖中,我們可以看到充放電周期隨著循環數的增大明顯變短,原因是:

(1)電容量的減小,使電壓變化率增大,導致充放電周期縮短;

(2)等效串阻的增大,使充放電電壓范圍縮小,導致充放電周期縮短。

5 還有三種查看統計曲線模式:

(1)電容量—時間,(2)等效串阻—時間,(3)充放電周期—時間。

它們的X軸為時間,曲線展示了各參數隨時間變化的規律。



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