电池线性扫描伏安法及稳压器设计

线性扫描伏安法比万用表需要更多的时间。

谁知道将来会发生什么。随着人们对替代能源和气候变化的关注，用于储能的电池研究和电力电子技术往往退居次要地位。如果您正在设计用于储能系统和电池调节/充电系统的电力电子设备，那么在开始设计电子设备时，您将需要目标电池的一些数据。

其中一种基本的测量方法是线性扫描伏安法，以及一种相关的测量技术——循环伏安法。这种测量旨在检查在电解质中产生的电流如何取决于施加在电解质上的电压降。这些测量值很容易收集，但如果你不是化学家，就很难解释它们。一旦你理解了这些测量的含义，就更容易为你的电池系统设计充电器或调节器。

线性扫描伏安法分析

电池中含有与电极接触的电化学溶液，电池中正负极之间的电流流动是由电化学反应驱动的。这种电化学反应是氧化还原反应，电子离开一个电极(阴极)进入另一个电极(阳极)。这两种溶液的氧化还原电位差和电池电极上的终端电压将决定电池的输出电压。

为可充电电池供电的电化学反应是可逆的，就像许多其他化学反应一样。当给定足够强的电压时，氧化还原反应可以逆转，电池可以充电。制造电池充电器的核心思想是确定系统应该使用的充电电流。通过对特定电池化学成分的正确充电电流进行配对，您可以确定正确的充电时间，开路电压，甚至您的电池的使用寿命电池。

下图显示了线性扫描伏安法测量的结果。在这种测量中，施加到3电极电化学电池的电压随时间以线性方式扫过。扫描速率通常应该慢到足以收集稳定的测量值，但也不能慢到当氧化还原反应中可用的反应物被消耗时电流开始减少。当扫过电压时，测量电化学电池中的电流，并将电流与电压的数据绘制在图表上。

线性扫描伏安曲线

在上图中，只有一个单峰，它对应于电极上氧化还原反应的进展。在一个真正的线性扫描伏安图中，你经常会看到一系列的峰，对应不同的化学反应，在不同的电压下以高速率发生。一组常见的反应是在其中一个电极上的吸附/解吸反应。解释这种类型的图表需要彻底了解电池中的化学成分。

线性扫描伏安法与循环伏安法

一种检测电池性能的相关测量技术是循环伏安法。在这种测量中，电压在两个值之间线性地来回扫过，产生两个电流与电压的迟滞曲线。其中一条曲线对应于阴极的还原，另一条对应于阳极的氧化。这条曲线是与磁滞。请注意，您需要关注驱动基本氧化还原反应的施加电压范围，而不是任何吸附/解吸反应或副反应。

循环扫描伏安曲线绘制与美国和IUPAC惯例。箭头表示实验中的电压扫描方向。

这些图中峰值处的施加电压是电化学电池的标准电极电位。由此，您可以使用电池中氧化和还原物质的活性来确定每个电极的能势(即开路电压):

从循环伏安法数据求开路电压的能思特方程。

在这里，每个ai是阳极或阴极反应的活度，Ec和Ea分别是循环伏安图上的阳极和阴极电位。其余的符号在电化学文献中有其通常的含义。

确定充电速率和电压

充电系统背后的想法是调节流入电池的充电电流，同时将电压保持在固定值。这个想法是驱动电池内部的自发氧化还原反应，这需要施加一个略高于开路电压的电压。电池电压会非线性下降由于电池氧化还原反应中反应物的浓度被消耗，因此开路电压也是非线性的。

典型的方法不是在充电过程中跟踪开路电压并在开路上方施加固定电压，而是简单地将施加电压设置在最大开路电压之上几个V。为了确定电池调节系统的充电率，典型的方法是使用理论容量的20%到25%的电流，即使用能使电池在4到5小时内充满电的充电率。

防止充电时的副反应

这是一种简单但广泛使用的方法，用于确定充电调节器的适当电流和电压输出，以用于电池充电。当使用较新的电池材料(例如，用于先进锂离子电池的独特多孔分离器)时，应非常小心，以免在施加电压和/或电流过大时发生意外的副反应。

一些副反应会导致隔膜材料或电解质的形态变化，从而降低总容量、最大放电率和其他重要的电池指标。对于非常敏感的电池，你可能别无选择，只能建立一个控制系统来跟踪电池充电时的电压。这有助于防止在充电过程中可能发生的任何副反应。

开发新的电池材料和控制系统是材料科学和工程研究的一个持续领域。线性扫描伏安法和相关测量将继续是开发这些系统的基础。如果你能进入正确的PCB布局和设计软件，您可以设计这些系统所需的重要电子充电和调节组件。Allegro PCB DesignerCadence已经满了设计工具套件是设计这些系统和模拟其行为的理想方法。

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