Was ist ein Galvanostat?
Ein Galvanostat ist ein Gerät in der Elektrochemie.
Das Gerät legt eine Spannung an eine Probe an, um eine chemische Reaktion auszulösen oder eine durch eine chemische Reaktion verursachte Änderung einer physikalischen Größe festzustellen. Galvanostaten werden häufig in Kombination mit Potentiostaten verwendet, die ebenfalls zu den Messgeräten in der Elektrochemie gehören.
Diese beiden Geräte steuern eine Zelle, die drei Arten von Elektroden enthält: eine Probenelektrode, eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode. Potentiostaten und Galvanostaten steuern unterschiedliche Dinge: Erstere kontrollieren die Spannung, letztere den Strom.
Anwendungen von Galvanostaten
Galvanostaten werden in der Chronopotentiometrie und bei Batterieentladungstests eingesetzt.
1. Chronopotentiometrie
Bei dieser Methode werden Daten gemessen, indem Änderungen des elektrischen Potenzials über die Zeit verfolgt werden. In der Regel wird ein konstanter Strom an die Probenelektrode angelegt und die Parameter der elektrochemischen Reaktionen werden ermittelt, wenn kein Fluss zwischen der Probenelektrode und dem Elektrolyten besteht.
Zu den erhaltenen Parametern gehören die Konzentration der an der Redoxreaktion beteiligten Stoffe und der Diffusionskoeffizient. Um die Redoxreaktionen der im Elektrolyten vorhandenen Komponenten zu bewältigen, wird für diese Messung Platin als Elektrode verwendet, da es sich nicht leicht in Ionen auflöst.
2. Batterieentladungtests
Batterien können Primär- oder Sekundärbatterien sein. Primärbatterien sind verbrauchte Batterien und können nur entladen werden. Sekundärbatterien hingegen können entladen und wieder aufgeladen werden und können wiederholt verwendet werden.
Galvanostaten werden verwendet, um die Entlade- und Ladeleistung zu beurteilen. Lithium-Ionen-Batterien sind Beispiele für wiederaufladbare Batterien, die entladen und wieder aufgeladen werden können. Lithium-Ionen-Batterien werden in Smartphones und Hybridfahrzeugen verwendet.
Funktionsweise eines Galvanostaten
Galvanostaten benötigen einen Signalgeber und einen PC für die Messung sowie das zu messende Objekt. Für den Signalgeber wird ein Frequenzganganalysator (FRA) verwendet, der eine Sinuskurve mit konstanter Frequenz addiert; die vom FRA ausgegebene Sinuskurve wird in den Galvanostaten eingegeben, der eine Spannung erzeugt. Die im Galvanostaten erzeugte Spannung bewirkt, dass ein Strom durch das Messobjekt fließt, und das von der Probe abgegebene Antwortsignal wird in den Galvanostaten eingegeben.
Das in den Galvanostaten eingegebene Signal wird in eine Welle umgewandelt und in die FRA eingegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird aus der sinusförmigen Eingangswelle eine sin(ω)-Welle mit einer Phasenverschiebung von ω erzeugt. Die Phasenverschiebung hängt von dem zu messenden Objekt ab.
Die sin(ω)-Welle wird in der FRA Fourier-Transformation unterzogen und nur die Komponenten der Messfrequenz werden extrahiert. Schließlich werden die durch die Fourier-Transformation extrahierten Daten an einen PC gesendet. Die Überwachung dieser Werte ermöglicht eine quantitative Bewertung der Parameter.
Weitere Informationen zu Galvanostaten
1. Prinzip des FRA
Der FRA (Frequency Response Analyzer), auch als Frequenzganganalysator bekannt, ist ein Gerät, das ein sinusförmiges Signal an ein zu prüfendes Objekt anlegt und dessen Frequenzgang beobachtet. Der FRA verwendet eine digitale Korrelationsmethode namens SSC (Single Sine Correlation), um die Impedanz zu bestimmen.
Mit einer grundlegenden Amplitudengenauigkeit von 0,1 % und einer grundlegenden Phasengenauigkeit von 0,1° ist FRA die am häufigsten verwendete Messmethode in elektrochemischen Messanwendungen. Das vom Messobjekt zurückgegebene Antwortsignal enthält nicht nur die Frequenz des Eingangssignals, sondern auch andere Frequenzkomponenten.
Um nur die Frequenz des Eingangssignals zu erhalten, multipliziert FRA das Antwortsignal mit einer Sinuswelle, die mit dem Eingangssignal in Phase ist und einer Sinuswelle mit einer Phasenverschiebung von 90°. Durch die Aufteilung der Frequenzkomponenten in reale und imaginäre Komponenten ist es möglich, im Antwortsignal die gleichen Frequenzkomponenten wie im Eingangssignal zu erhalten.
2. Merkmale von FRA
Eines der Merkmale der FRA ist ihre hervorragende Rauschunterdrückungsfunktion: Die FRA kann hochfrequente Komponenten in einer einzigen Messung mit der Single-Sinus-Korrelationsmethode auf -60 dB oder weniger reduzieren und weitere Rauschkomponenten können durch Erhöhung der Anzahl der Integrationen entfernt werden. Selbst wenn das zu analysierende Signal eine Amplitude unterhalb des Rauschens hat, kann es noch extrahiert werden.
Ein weiterer Vorteil ist der große Frequenzbereich (10 uHz bis 1 MHz), über den Messungen durchgeführt werden können. Durch die digitale Verarbeitung, einschließlich der Ausgabe des internen Oszillators, werden Wellenformverzerrungen eliminiert.