电池性能中大电流脉冲检测方案(电化学工作站)

应用报告大电流脉冲用于电池研究 GAMRY NSTRUMENTS Counte Reference 3000 Work tentiostat/Galvanostat/ZRA Cell o Overload 31112 Ser Pouer YiB c 前言 测试电池和电池材料的性能有许多不同的方法，传统方法包括长期循环确定循环寿命和容量衰减；电化学阻抗谱(EIS)分析内部电阻、电容和其他特性； 恒电位/恒电流间歇滴定技术 (PITT / GITT)研究扩散速率、漏电流及自放电，还有很多其他的技术，但这些都建立在大量测试的基础之上。 为了模拟真实的电池使用状况和电池管理，最近人们对电池快速、大电流脉冲研究感兴趣。当使用一系列脉冲来模拟城市驾车过程中的启动和停止时，将得到许多新信息。这些脉冲大约在100微秒到100毫秒之间完成，其驱动电池的方式与通常的直流充电/放电不同，常规方法很难满足实际要求。 Gamry仪器早已能够做到快速、大电流脉冲，例如Reference 3000电化学工作站和Reference 30k Booster电流放大器，这两者结合可以使脉冲在微秒量级时间内达到30A。当然，我们的设备可以实现，并不意味着你的电池也可以。本应用报告旨在表明我们的设备可以处理这些苛刻的应用，过后仍需要您进一步研究，看看电池是否可以响应这些类型的脉冲。 CAMRY 1： ReferencelM 3000(左)、、ReferencelM 30k Booster (右)，以及校准测试用标准电路板(绿色)。 我们将30k校准测试用标准电路板作为电池来进行测试，该电路板经过精心设计： 无论是校准电路还是测试电路，都采用真正的四端子传感方式 保证电流测量回路极小的电感 ●保证电流和电压测量回路之间极小的交互电感率达到 Gamry仪器使用校准电路，进行控制电流方式下的阻抗测试时，即使频率达到300 kHz， 相位差仍小于2° 本应用报告是我们对Gamry仪器深入研究的数据结果。 实验部分 测试在Reference 3000电化学工作站和 Reference 30k Booster电流放大器上进行。30k校准测试用标准电路板始终与30k Booster连接。电池的连接使用标配的1米电流线和1.5米电压传感测试线。 绝大多数的测试都是使用电路板的校准电路。校准电路对应一个200 mQf的电阻，以及对电极线缆一侧的一根2.5A保险丝。保险丝可以保护这个1W的电阻，以免被过大的电流烧坏，保险丝的电阻为34mＱ。如果电流脉冲时间足够短，大于保险丝额定电流2.5A的快速电流脉冲，并不会使保险丝熔断。 电路板的测试电路对应一个3mＱ、四端子方式连接的电阻。它不需要保险丝，因为可以承受30A电流。 许多测试是在不同的控制放大器速度 (CA Speed)设计，可以参考Gamry应用报告“电化学工作站原理” 部分测试需要使用Tektronix 2024C数字示波器来显示CA的响应，示波器通过恒电位仪后部的E monitor或Imonitor BNC端口连接。 Results 使用Gamry Framework软件，记录在200m电池上施加2A脉冲的结果曲线： 下面图2是使用Reference 30k Booster及Reference 3000(3A量程)施加的2A电流脉冲，每次持续200us。 图2： 上方曲线代表电压曲线，下方曲线代表电流曲线；不同颜色对应不同的控制放大器速度CA Speed(绿色： Fastest； 红色： Fast；蓝色： Norm)。 注意上升和下降波形的对称性。脉冲一侧漏掉的电荷，在另一侧得到了补充。 示波器通过E Monitor BNC端口采集的200 mQ电池数据： 一根BNC线连接Reference 3000后面板的E Monitor输出端口和示波器的输入端口。 图3是200-us内，对校准电路200mQ电池施加2A电流脉冲的电压-时间曲线。CA Speed：： Fast speed fast. 图3：通过E Monitor 端口记录的数据 图4中示波器屏幕截图显示一个非常相似的波形。 图4：示波器记录的数据(与图5条件相同)。 Reference 3000 Booster 在 200mQ电池上施加一系列电流脉冲： 图5是Gamry仪器施加的一系列电流脉冲。最小的2A脉冲不需要30k Booster就能实现。大一些的电流(4A至12A)需要用到30k Booster。从曲线上看，信号转换速率对波形几乎没有影响。 图5： 一系列电流脉冲曲线。最小电流2A的曲线不需使用30k Booster； 44A至12A的大电流使用了30k Booster。 图6显示的是控制放大器速度CA Speed对于8A脉冲的影响。 (蓝色曲线：Fast：红色曲线： Fastest) 红色曲线波形为矩形，但上升和下降的瞬间，信号有振荡。 图6：8A脉冲曲线。 CA Speedd：： Fast(蓝色)； Fastest(红色) 图7：4A(蓝色)和8A(红色)的响应曲线对比。CA Speed ： Fastest). 3mＱ电池的测试结果 连接标准电路板的测试电路，该电路对应一个3m、 4WW的电阻。30A时，功率消耗仅2.7W，因此，即使有连接错误或振荡，也会比较安全。 图8是在该电池上施加2A脉冲得到的结果，由Reference 3000即可进行。上方的系列曲线代表电压；下方曲线代表电流。不同的曲线颜色对应不同的CASpeed (绿色： Fastest； 红色： Fast；蓝蓝色： Norm)。 图8：对标准电路板的测试电路施加2A脉冲。CA Speed(绿色： Fastest；红色： Fast：；蓝色：Norm) CA Speed 选择Fastest模式时，曲线有略微的振荡。 下面图9是在不同CA Speed模式下，对标准电路板的测试电路施加4A脉冲得到的结果，曲线的位置分布和颜色与上图相同。 图9：对标准电路板的测试电路施加4A脉冲得到的结果。CA Speed(绿色： 7下方曲线：电流 图9中， CA Speed选择Fastest 和 Fast 模式时，曲线都有轻微的振荡。图10是施加4A脉冲， CA Speed 选择Fastest时的电压波形，示波器通过E Monitor则测，同样显示有振荡。 图10：对标准电路板测试电路施加4A脉冲，示波器监测到的电压波形。 (CA Speed：Fastest) 50 s电流脉冲 图11是在50ms内，对标准电路板校准电路200mQ电阻施加2A和4A电流脉冲得到的曲线。绿色：4A，， CA Speed (Fastest)；红色：4A，CASpeed(Fast)；+蓝色： 2A，CA Speed (Fast) 图11：标准电路板校准电路的50us脉冲数据。 2A(蓝色)； 4 A Fast(红色)； 4A Fastest(绿色). 边缘部分信号上升瞬间损失的电量，在缓慢下降阶段得到了弥补。 30A脉冲 Gamry仪器甚至可以施加30A电流脉冲，施加在5m的低电阻上，如图12所示。 图12：使用Reference 3000以及 30k Booster， 生成的30A电流脉冲信号。红色曲线代表电流；： 蓝色代表电压。 总结 Gamry Reference 3000电化学工作站结合Reference 30k Booster电流放大器，能够在几十微秒内，准确、可靠地生成大电流脉冲信号。 关于最佳的CA Speed设置，Gamry建议用户在正式实验之前，先进行预实验，连接待测电池，测量上升时间。 对于电容性电池，恒电流仪模式更加稳定，本应用报告没有讨论这方面的影响。 大致信号上升时间t如下表所示： 仪器型号 电池 t forFastest t for Fast t for Norm Reterence3000 200m t<6 usringing T~10us t~29us 3m t<6 usringing T≈7us T~23us 30k Booster 200m t<5 usringing T~7us T~17us 3mΩ t<2 usringing t~6us T~22us 其他资源 如果你需要其他更多信息，请访问我们的官方网站查找资源和支持 技术支持 联系技术支持获得Gamry电化学专 硬件和软件技术支持信息汇编 家的技术支持 软件更新下载Gamry最新版本软件 指导视频CH访问Gamry油管账户，可查看所 有视频 文档下载下载硬件和软件说 明书 电化学课程和培训 狄得有天课桂札增训的相关信息 For help from our technical staff or questions about our products，please call us at 215-682-9330. 734 Louis Drive·Warminster， PA 18974·Tel. 215 682-9330Fax 215 682-9331 ·gamry.com 刚瑞(上海)商务信息咨询有限公司 上海市杨浦区逸仙路25号同济晶度310室 邮编：200437+-cn. gamry.com+ cn.gamry.com 测试电池和电池材料的性能有许多不同的方法，传统方法包括长期循环、确定循环寿命和容量衰减；电化学阻抗谱（EIS）分析内部电阻、电容和其他特性；模拟真实的电池使用状况和电池管理，对电池快速、大电流脉冲研究，本应用报告旨在表明我们的设备可以处理这些苛刻的应用，过后仍需要您进一步研究，看看电池是否可以响应这些类型的脉冲。