【液流电池科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以新威充放电测试仪为例）

文摘 2024-11-22 07:05 湖北

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科普干货

一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法

（以新威充放电测试仪为例）

本文通过图文并茂形式介绍常见的单电池性能测试和数据处理方法，包括不同电流密度下的充放电性能测试，某一电流密度下的长期循环性能测试，极化曲线和功率密度曲线测试，充放电容量测试，自放电测试等。

1、搭建一体化液流单电池测试系统（YTH-1）

准备工作：

（1）单电池夹具正确安装质子膜和电极，确保不漏液，组装完毕后取下金属定位棒；

（2）正负极储液罐各注入20mL 3.5价钒电池电解液，负极储液罐充氮气保护；

（3）电脑安装新威充放电测试仪软件；

（4）新威充放电测试仪正负极鳄鱼夹（红：正极，黑：负极）连接单电池夹具对应的正负极铜板（未充电前，不区分正负极）；

（5）新威充放电测试仪和电脑通过网线连接，确保通讯正常。

一体化液流单电池测试系统（YTH-1）配置如表1所示。

表1 一体化液流单电池测试系统（YTH-1）配置表

图1 一体化液流单电池测试系统（YTH-1）实物图

2、不同电流密度下的充放电性能测试（CE VS 电流密度、VE VS 电流密度、EE VS 电流密度）

（1）测试目的

主要用于评估各种液流电池材料（如膜、电极、双极板、电解液等）在不同电流密度下的综合性能。

（2）测试程序

在新威充放电测试仪软件中工步编辑器中设置不同电流密度下的恒流充放电程序（如下图2所示，50mA cm^-2电流密度下循环5次+100mA cm^-2电流密度下循环5次+150mA cm^-2电流密度下循环5次等等），电流根据电流密度x电极面积计算得到，如2x2的电极，50mA cm^-2电流密度下对应的电流为 200mA。一般每个电流密度重复5-6圈，处理数据时最好去掉第一圈的数据（调整电流密度后第一圈数据波动较大），测试时间主要与电解液体积及电流密度和循环次数相关。

图2 不同电流密度下的恒流充放电程序工步设置界面

（3）数据导出及处理

测试后得到数据一般选择excel格式进行导出，便于查看和处理。数据查看分两种情况，第一种是测试时的即时数据查看，第二种是历史数据查看。

a、测试即时数据查看及导出

查看及导出即时数据，以查看通道2即时数据为例：选中需要查看数据的通道，右键点击“通道数据”，打开数据界面后点击“导出报表”，在弹出界面中输入文件名后，直接“导出”即可得到excel数据。

图3 通道2即时数据点击操作

图4 即时数据查看

图5 即时数据导出操作

b、历史数据查看及导出

点击测试软件界面左下界面的标签，进入历史界面，如下图所示：通常直接点击左下的搜索即可查到软件默认时间区间内的测试数据。如需查询特定通道或特定日期范围的数据，可在下图左侧可输入搜索条件，输入“通道号”及日期区间/“最近□天”等搜索条件，点击左下的“搜索”，即可得到相应数据。在界面右侧需求数据上选中，点击右键，可以对历史数据进行，删除，数据另存为，查看通道数据等操作。通过导出数据方式可直接导出excel数据。另外，通过查看通道数据时，选择数据格式为excel，即可导出数据。

图6 新威充放电测试软件历史数据导出界面

基于上述EXCEL数据，根据设置的不同电流密度，通过Origin软件进行作图得到图7所示不同电流密度下充放电性能图（b：CE VS 电流密度、c：VE VS 电流密度、d：EE VS 电流密度、e：EE VS 电流密度），注意：删除每个电流密度下第一个循环数据，如上图展示数据中可能会出现库伦效率大于1或远小于1的情况（电解液活化、波动等原因）。

图7 不同电流密度下充放电性能图（范例）（b：CE VS 电流密度、c：VE VS 电流密度、d：EE VS 电流密度、e：EE VS 电流密度）

3、某一电流密度下的长期循环性能测试（容量保持率VS 循环次数、能量效率VS 循环次数）

（1）测试目的

主要用于评估液流电池某一种材料（如膜、电极、电解液等）的耐久性。

（2）测试程序

一般选择能稳定工作且尽可能大的电流密度，主要关注长时间循环下某一指标（如能量效率、放电容量等）的变化。图8是200mA cm^-2电流密度下充放电1000次（有可能不满1000次就会损坏，跑循环测试时应经常留意单电池夹具运行状态）。循环测试时间主要与电解液体积、电流密度和循环次数相关，往往需要数天甚至数月。

（3）数据处理

测试完毕后导出数据方法与本文第二节类似，导出得到EXCEL数据。通过Origin软件进行作图得到图9所示某一电流密度下恒流充放电循环图（f：容量保持率VS 循环次数、h：能量效率VS 循环次数）。

图8 某一电流密度下恒流充放电循环程序工步设置界面

图9 某一电流密度下恒流充放电循环图（范例）（f：容量保持率VS 循环次数、h：能量效率VS 循环次数）注意：钒电池长时间循环测试过程中，经过几百次循环后容量会逐渐衰减至很低，若打算接着测试，可以通过更换新电解液恢复容量后继续循环测试，如图h。

4、极化曲线（V-I）和功率密度曲线（P-I）测试

（1）测试说明

测试时，先将单电池充满电（100％SOC），充电时的电流密度不宜过大，一般用50~100 mA cm^-2。放电电流为 0~1000 mA cm^-2（根据单电池性能预估，或逐步扩大/减小电流密度），一般取50 mA cm^-2 为一个间隔。

放电过程持续30~60s，整个放电容量至少不得超过充电容量。

例如，对于活性面积为2cmx2cm的单电池而言，100 mA cm^-2的电流密度即400 mA充电2h达到100％SOC，则充电容量为0.8Ah，在50-1000 mA cm^-2（电流200-4000mA）不同电流密度下放电t h，应确保（0.05t+0.1t+0.15t+…+1t）＜0.8Ah。

根据不同电流密度下放电结束时单电池的最后一个电压值和电流值（采集点尽可能的密集一些，否则很可能出现一个电流密度下就一个数据），可以绘制极化曲线与功率密度曲线，评价电极的反应活性。

（2）测试程序

新威测试程序工步设置如下图10所示（50 mA cm^-2电流密度充电，0-1000 mA cm^-2放电60s，间隔为50 mA cm^-2）。

图10 新威测试程序工步设置界面

图11 新威测试软件显示界面

（3）数据处理

Excel格式测试数据导出后如下图12所示。

图12 excel格式数据界面示例

在origin中利用双Y轴图进行绘制，得到极化曲线和功率密度曲线，如图13所示。

图13 极化曲线（V-I）和功率密度曲线（P-I）（范例）

5、充放电曲线（容量）测试（电压 VS 容量）

测试方法与本文第二节相同，只是数据导出方法不同，见图14新威测试软件数据导出界面图。点击软件上部excel图标，选择“自定义列表”，键入“文件名”，导出数据选择“excel”，即可导出数据。

图14 新威测试软件数据导出界面图

图15 新威数据处理软件导出EXCEL表格数据示例

基于上述EXCEL数据，通过Origin软件进行作图得到图16充放电曲线图（电压 VS 容量）。

图16 充放电曲线（容量）图（电压 VS 容量）（范例）

6、某一SOC状态下的自放电测试（以50％SOC为例）

自放电测试本质也是充放电测试，测试方法与充放电测试略有相似。测试可以分为3步：

（1）活化单电池、获得50％SOC下的截止电压

首先进行一轮完整的单电池恒流充放电过程（取平稳运行的电流密度，如50mA cm^-2即200mA，电压范围：0.8V~1.65V），得到正常的充放电曲线，计算50％SOC下的截止电压1.37V如图17。

图17 计算50％SOC下的截止电压。

（2）将单电池充电到50％SOC

通过新威充放电程序先采用50mA cm^-2恒流充电到1.37V，然后转恒压充电，截止电流稍微设小点就行，根据电流密度大概估选，这里选择了1 mA。程序工步编辑器设置如图18。

图18单电池充电到50％SOC新威测试程序工步设置界面

（3）自放电曲线测试（静置程序）

该测试有2种情况，可以以放电截止电压或时间为条件，即放电电压达到一定值终止测量，或测试一定时间终止测量，选择一个即可。若要使自放电完全放电，全钒液流电池截止电压设置为0.8V，如图19。将图18和图19连起来就是完整测试程序。最后利用本文第二节中的方法导出数据后，通过Origin软件绘制图20中的曲线。

图19 新威自放电程序工步设置界面（设置截止电压或测试时间）

图20 单电池50％SOC下的自放电曲线（g）（范例）

往期回顾

【科普干货】新手入门！新威充放电测试仪安装及简易使用教程（以全钒液流单电池测试为例）

【科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以蓝电测试仪为例）

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