实验一锂电池碱性电池和镍氢电池的性能测试

图 3 恒电位极化测试的实验参数设置界面
根据图示界面分别设置恒电位仪、电解池、极化电位（± 0.1 ~ 0.3 V vs Voc）和极 化时间等参数。点击开始按钮，开始进行测量，记录电流-时间曲线。 注：(1)先建立新数据文件; (2)坐标类型设置为电流-时间模式。 3．恒电位阶越（Constant Potential Step）
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4． 李荻编，《电化学原理》北京航天航空大学出版社，1999 年. 5． 刘永辉编,《电化学测试技术》第 1 版，北京航空学院出版社，1987 年 10 月.
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Fig. 1 Charge and discharge of lithium battery （2）一次锂电池的电极反应
Positive electrode: MnO2 + e- = MnO2 Negative electrode: Li - e- = Li+ Overall reaction: MnO2 + Li = LiMnO2 [E = 3.5 V] 2. 碱性锌锰干电池总反应 Positive electrode: 2MnO2 + H2O + 2e- = Mn2O3 +2OHNegative electrode: Zn + 2OH− → ZnO + H2O + 2e− Overall reaction: Zn + 2MnO2 = ZnO + Mn2O3 [E = 1.5 V] 3.镍氢二次电池的电极反应 Positive electrode：NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OHNegative electrode：MH + OH- → M + H2O + eOverall reaction: MH + NiOOH → M + Ni(OH)2 [E = 1.2 V]
3.8475 0
50
100
150
200
Time (Sec)
0.015
I (Amps/cm2)
0.010 0.005
0
0
50
100
150
200
Time (Sec)
Figure10 Curve of constant potential polarization of lithium cell
E (Volts)
循环伏安法（cyclic voltammetry）是以快速线性扫描的方式将激发电位施加 于极化池上，循环伏安法的激发信号是一个等腰三角波电位。从起始电位Ei 开 始，电位沿某一方向线性变化至终止电位Em，立即换向回扫至起始电位。
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图6 循环伏安测试的实验参数设置界面 根据图示界面分别设置恒电位仪、电解池、电压扫描速率和初始电位→高电位→ 低电位→初始电位，并往复循环，电压扫描范围<1 V vs Voc。点击开始按钮，开 始进行测量，记录电流-电压曲线。 注：(1)先建立新数据文件; (2)坐标类型设置为电流-电压模式。 6．交流阻抗（Electronic Impedance Spectrometry EIS）
-20
Z''
-10
0
五、结论
10
0
10
20
30
40
Z'
Figure 14 Curve EIS of lithium cell
参考文献
1． 刘永辉,《应用电化学》第 3 版，第三版，科学出版社，2008 年. 2． A. J. Bard 著，邵元华等译，《电化学方法-原理和应用》，化学工业出版社，2005 年. 3． 查全性著，《电极过程动力学导论》第 3 版，科学出版社，2002 年.
3.4375 3.4350 3.4325 3.4300 3.4275 3.4250
0
0.05
0.10
0.15
0.20
Time (Sec)
I (Amps/cm2)
0.002
0.001
0
-0.001 0
0.05
0.10
0.15
0.20
Time (Sec)
E (Volts)
Figure 11 Constant potential step of lithium cell
四、结果与讨论 1．开路电位（Open Circuit Potential Voc） 2．恒电位极化（Constant Potential Polarization）（很耗电池电量） 3．恒电位阶越（Constant Potential Step） 4．线性扫描伏安法（Linear Scan Voltammetry LSV） 5．循环伏安法（Cyclic Voltammetry CV） 6．交流阻抗（Electronic Impedance Spectrometry EIS）
三、电池的性能测试 CorrTest 电 化 学 测 试 系 统 由 CS 系 列 电 化 学 工 作 站 （ 恒 电 位 / 电 流 仪 ） 和
CorrTest控制与数据分析软件组成。可以进行稳态电化学方法测试，如开路电压、 恒电位极化、动电位扫描等；暂态电化学测试，如恒电位（流）阶跃、恒电位（流） 方波；可以进行电分析化学方法，如线性扫描伏安分析、循环伏安分析以及各种 方波、差分伏安分析等；以及交流阻抗测试等。它在电极过程研究、化学电源、 电镀、电解、相分析、金属腐蚀研究、电化学保护参数测定等方面具有广泛用途。 图1中接线说明：绿色—工作电极(WE)；红色—对电极(CE)；黄色—参比电极 (RE)。
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E (Volts)
I (Amps/cm2)
-1 -2 -3 -4 -5 -6
0
0.50
10
20
30
40
50
Time (Sec)
0.25
0
-0.25
-0.50 -6
-30
-5
-4
-3
-2
-1
E (Volts)
Figure 13 CV curve of lithium cell
EIS_button battery_20131208.Z60
图5 线性扫描伏安测试的实验参数设置界面 根据图示界面分别设置恒电位仪、电解池、电压扫描速率和扫描初始和终止电位 （电压扫描范围<1 V vs VOC）等参数。点击开始按钮，开始进行测量，记录电 位、电流-时间曲线。点击开始按钮，开始进行测量，记录电流-电压曲线。 注：(1)先建立新数据文件; (2)坐标类型设置为电流-电压模式。 5．循环伏安法（Cyclic Voltammetry CV）
3.3405
E (Volts)
I (Amps/cm2)
3.3400 0
100
200
300
Time (Sec)
0
-1e-8
-2e-8
-3e-8 0
100
2Hale Waihona Puke 0300Time (Sec)
Figure 9 Open circuit potential and current
6
3.8500
E (Volts)
电化学阻抗谱方法是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号，来 测量电极体系的各种阻抗的电化学测量方法。 菜单位置：“测试方法”→“交流阻抗”→“阻抗～频率扫描”
图 7 交流阻抗测试的实验参数设置界面
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图8 电化学阻抗测试分析器实验参数设置界面 根据图 7、8 所示界面分别设置恒电位仪、电解池参数、极化交流幅值（< 10 mV vs Voc）、初始和终止频率等，具体参考 CS 系列电化学工作站说明书。点击开始 按钮，开始进行测量，记录 Nyquist 和 Bode 图。 注：(1)先建立新数据文件; (2)记录Nyquist和Bode图。
实验一 锂电池、碱性电池和镍氢电池的性能测试
一、实验的基本原理 1. 锂电池的电极反应 （1）二次锂电池的电极反应
Positive electrode: LiFePO4 + e- = Li+ + Fe2++ PO43Negative electrode: LixC - e- = xLi+ +C Overall reaction: LiFePO4 + LixC = xLi+ + C + LiFePO4 [E = 3.8 V]
恒电位阶跃也可用来测量溶液电阻Rs和工作电极的极化电阻Rp，还可以计算 双电层电容Cd。具体计算方法请参见刘永辉所编的《电化学测试技术》一书，北 京航空学院出版社，1987年10月第1版。 菜单位置：“测试方法”→“暂态测试”→“恒电位阶跃”
图 4 恒电位阶越测试的实验参数设置界面
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根据图示界面分别设置恒电位仪、电解池、阶越电位（<10 mV）和极化电位选 择 Voc 等参数。点击开始按钮，开始进行测量，记录电流-时间曲线。 注：(1)先建立新数据文件; (2)坐标类型设置为电流-时间模式。 4．线性扫描伏安法（Linear Scan Voltammetry LSV） 线性扫描伏安法（Linear Scan Voltammetry）是以线性扫描方式将激发电位施加 于工作电极上。从起始电位开始线性扫描至终止电位后即终止，其扫描历程相当 于循环伏安法的半个循环。 菜单位置：“测试方法”→“伏安分析”→“线性扫描伏安”
二、仪器和材料
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1．仪器 CorreTest CS350 电化学工作站； 2．一次性纽扣锂电池（CR2032）及 CR2032 纽扣锂电池座；5 号或 7 号碱性锌锰 干电池和 5 号或 7 号镍氢电池以及 5 号或 7 号电池充电器。（需购买 8 套电池和 充电器，其中四套备用）
批注 [微软用户1]: 已准备四 个。
4.50 4.25 4.00 3.75 3.50 3.25