超級電容 第一部分: 充放電循環測試
在所有的能源相關產品, 超級電容前景最被看好,尤其用在電子產品上面. 大部分的電子產品都有短時間快速充放電的需求(請參考Fig.1). 剛好, 類似的用法, 超級電容的特性都剛好符合需求
Fig. 1 一般的電子產品所需的脈衝訊號輸出
電容的組成都是由陽極陰極中間夾著介電層(dielectric membrane) (請參考Fig.2)
當電容值超過1F時就稱為超級電容.
Fig. 2 超級電容的簡易圖
本篇會探討超級電容的充放電特性. 一開始, 先對超級電容做快速連續的充放電, 接著再做定電量的放電.
(如果想參考資料, 請用EC-lab開啟Sample Folder裡面的technique_supercap.mpr)
2. 本測試使用VMP3配上一個標準板子.
測試的超級電容特性如下:
-電容值: 22F
-最大操作電壓: 2.3V
-測試樣品重量: ~10g
與VMP3的連接是用正常的兩極式連接.
3. 充放電循環測試
蓄電裝置的最重要特性(或要求), 就是可以快速地充放電後不會造成裝置的蓄電能力下降. 待會的測試會使用動態電壓掃描, 可是用較慢的速率來掃描. 本測試總共做41次循換, 掃描速率為 3mV/s, 操作電壓在0到2.3V. (Fig. 3)
Fig. 3 循環測試的設定
您可以看到 I vs E以及 C vs E之圖檔在Fig.4, 這些曲線可以看到電流以及電容值在41圈後還是很穩定. 多圈的測試並沒有降低超電容的表現.
註: C vs E 的圖檔是使用EC-Lab的強大功能做出的, EC-Lab圖形都可以客製化.
Fig. 4 充放電循環測試結果
4. 定電量放電
蓄電裝置的圖形表現常常會使用Ragone plot (E vs P). 這種圖檔可以很輕易的在定電量放電測試完畢後加上數學計算來表現.
請參考Fig. 5來設定定電量的實驗. 本定電量的測試分別使用200, 100, 50, 20, 10, 5以及1 mW的梯狀測試(steps experiment).
Fig. 5 定電量測試設定
Fig. 6 定電量測試結果
您可以使用EC-Lab的分析工具來分析結果, 請參考Fig. 7 (Constant Power protocol summary)的工具可以讓使用者計算每個step的開始以及結束的能量, 電壓以及電流. 這個超電容的能量為10mW/h.
Fig. 7 定電量分析工具
最後, 透過以上的數據可以做出Ragone plot (Fig. 8)
Fig. 8 Ragone Plot
5. 結語
透過動態電位以及定電量放電的測試, 超電容的循環測試可使讓使用者得知樣品是否滿足他們的需求. 時間常數的定義以及分析都在第二部分中討論.
References
[1] Supercapacitors and electrochemical pulse
source. R. A. Huggins, Solid State Ionics, 2000,
13, 179-195.
[2] Supercapacitors investigations.
Part II: time constant determination, Application note
34, http://www.bio-logic.info/potentiostat/notes.html
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