Kondensatoren sind elektronische Bauteile, die für den Erfolg der Elektronikindustrie eine wichtige Rolle spielen. Sie sind inzwischen auch wesentliche Bestandteile von Elektro- und Hybridfahrzeugen.
Elektrochemische Tests, wie z. B. die potentiostatische Cyclovoltammetrie (CV, zyklische Voltammetrie), werden zur Überprüfung der Leistung von Kondensatoren eingesetzt.
Das VIONIC-Messsystem beherrscht sowohl die Staircase-Cyclovoltammetrie (treppenförmige Potentialstufen) als auch die lineare (analoge) Cyclovoltammetrie. Diese Application Note vergleicht die beiden Cyclovoltammetrie-Varianten und verdeutlicht, weshalb die lineare Cyclovoltammetrie verwendet werden muss, um die Leistung von Kondensatoren optimal zu untersuchen.
Die Experimente wurden mit einem Metrohm Autolab VIONIC-Messsystem durchgeführt, gesteuert mittels der Software INTELLO (Abbildung 1).
Das VIONIC-Messgerät ist standardmäßig mit einem linearen Scan-Generator ausgestattet, der dem Benutzer die Möglichkeit bietet, lineare Sweeps und lineare zyklische Voltammetrie durchzuführen.
Die INTELLO-Prozedur wurde sowohl aus linearen CVs als auch aus Staircase-CVs zusammengestellt. Für beide Varianten wurden je fünf Scans durchgeführt, wobei die Scanraten linear von 1 V/s bis 5 V/s ansteigen.
Das Abtastintervall (sampling interval) der linearen CVs wurde auf 30 ms festgelegt. Die Höhe der Potentialstufe (step height) der Staircase-CVs wurde so gewählt, dass eine Schrittdauer (step duration) von 30 ms erreicht wurde. Auf diese Weise waren das Abtastintervall der linearen CV und die Schrittdauer der Staircase-CV identisch.
Bei allen CV-Experimenten wurde das Potenzial von 0 V auf 10 V und wieder zurück auf 0 V gescannt.
Für die Experimente wurde ein 1 µF-Kondensator verwendet und an das VIONIC-System unter Verwendung der Zwei-Elektroden-Anordnung angeschlossen. Ein Anschluss des Kondensators war mit den Leitungen CE + RE (Gegenelektrode und Referenzelektrode) und der andere Anschluss mit dem Leitungen WE + S (Arbeitselektrode und Sense-Leitung) verbunden.
In Abbildung 2 sind die Cyclovoltammogramme, resultierend aus den Staircase-CVs am Kondensator dargestellt.
In Abbildung 2 ist deutlich zu erkennen, dass die resultierenden Daten in Linien angeordnet sind, die einer Hysterese ähneln, wobei die Stromwerte weit unter den erwarteten Werten liegen.
Bei der Staircase-CV wird das gemessene Signal am Ende der Potentialstufe abgetastet, so dass nur der faradaysche Strom aufgezeichnet wird und der Strom, der durch die Aufladung der Doppelschicht entsteht, dagegen vernachlässig wird.
Der Strom, der durch einen Kondensator ausgetauscht wird, entspricht jedoch keinem Faraday-Strom. Daher ist es nicht möglich, das Stromsignal eines Kondensators mittels Staircase-Cyclovoltammetrie zu messen.
In Abbildung 3 sind die Cyclovoltammogramme resultierend aus den linearen CVs am Kondensator dargestellt.
Alle Cyclovoltammogramme ähneln der erwarteten Form des Cyclovoltammogramms des Kondensators. Auch der Stromwert entspricht dem erwarteten Wert für jede Scanrate.
In einem Kondensator ist der Strom i (A) direkt proportional zur Scanrate dV/dt (V/s), gemäß Gleichung 1.
Der Proportionalitätskoeffizient ist die Kapazität C (F). Dies ist in Abbildung 4 dargestellt, in welcher der Grenzstrom jedes linearen Scans aus Abbildung 3 gegen die Scanrate aufgetragen ist.
Eine lineare Regression der Daten ergibt eine Kapazität von 1,03 µF. Das Diagramm und die Regressionsanalyse wurden mittels NOVA-Software erstellt, unter Verwendung der INTELLO IN2NOVA-Schaltfläche innerhalb der INTELLO-Software.
Es wurde ein Vergleich zwischen linearer Cyclovoltammetrie und Staircase-Cyclovoltammetrie an einem Kondensator durchgeführt, wobei die Ergebnisse eindeutig zeigen, dass die lineare Cyclovoltammetrie zuverlässige Ergebnisse liefert, wenn sie zur Untersuchung der Leistung von Kondensatoren eingesetzt wird.
Weitere Informationen zu dieser Application Note und der zugehörigen INTELLO-Softwareprozedur erhalten Sie von Ihrer lokalen Metrohm-Vertretung. Weitere Informationen zu den Gerätespezifikationen finden Sie hier:
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