用电化学工作站测试超级电容器

郑州世瑞思仪器科技有限公司

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：

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。

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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。