施加的恒电流是通过目标倍率（C-rate）乘以电极的额定容量获得的。 对于具有活性物质质量 (m)、比容量 (C_\mathrm{sp}) 和目标充放电时间 (t) 的电极，
[ I=\frac{C_\mathrm{sp}m}{t} ]
请使用统一的单位：如果 (C_\mathrm{sp}) 的单位是 mAh/g，(m) 的单位是 g，(t) 的单位是小时，则结果的单位为 mA。
核心要点： 根据活性物质质量计算电极的总容量，然后除以所需的循环时间。电压限制决定了步骤何时停止；它们不决定施加的电流。
分步计算电流
确定活性物质质量
使用电化学活性物质的质量，而不是直接使用电极涂层的总质量。
对于复合电极，活性物质质量通常不包括集流体、粘结剂和导电添加剂，除非您的报告惯例明确包含它们。
选择比容量
容量值应与实验基础相匹配。它可以是：
- 实际测量容量
- 类似条件下的文献容量
- 用于初步估算的理论容量
使用实际容量通常会产生更符合实验室循环的电流。
将倍率（C-rate）转换为循环时间
倍率规定了标称容量充放电的速度：
- (1\mathrm{C})：一小时充电或放电
- (C/2)：两小时充电或放电
- (C/20)：二十小时充电或放电
如果倍率写为 (r\mathrm{C})，则对应的时间为
[ t=\frac{1}{r}\ \text{小时} ]
因此，(C/20) 对应于 (r=1/20) 且 (t=20) 小时。
计算电极总容量
电极容量为
[ Q=C_\mathrm{sp}m ]
例如，使用 (14) mg 石墨和 (280) mAh/g 的实际容量：
[ m=0.014\ \text{g} ]
[ Q=(280\ \text{mAh/g})(0.014\ \text{g})=3.92\ \text{mAh} ]
计算施加电流
在 (C/20) 倍率下，充放电时间为 (20) 小时：
[ I=\frac{3.92\ \text{mAh}}{20\ \text{h}} =0.196\ \text{mA} ]
因此，所需的电流为
[ \boxed{I=0.196\ \text{mA}=196\ \mu\text{A}} ]
相同计算的替代形式
直接使用倍率
电流也可以写为
[ I=rC_\mathrm{sp}m ]
其中 (r) 是以小时倒数为单位的数值倍率。
对于 (C/20)，
[ r=\frac{1}{20}\ \text{h}^{-1} ]
所以
[ I=\frac{1}{20}(280)(0.014)=0.196\ \text{mA} ]
使用目标电流密度
研究人员有时会指定电流为质量归一化电流，而不是倍率：
[ I=j_m m ]
其中 (j_m) 是以 mA/g 为单位的目标电流密度。
例如，对 (0.014) g 的材料施加 (20) mA/g 的电流，需要
[ I=(20\ \text{mA/g})(0.014\ \text{g})=0.280\ \text{mA} ]
这种方法是有效的，但等效倍率取决于所使用的比容量。
根据电极质量调整电流
在相同的比容量和倍率下，电流与活性物质质量成线性比例。
活性物质质量加倍，所需电流加倍；质量减半，电流减半。
循环期间电流的使用方式
充放电方向
在锂半电池中，仪器符号惯例通常规定：
- 负电流为锂嵌入或嵌锂
- 正电流为锂脱出或脱锂
然而，显示的符号取决于电池测试仪和接线惯例。应使用仪器手册和实际电压响应来确认方向。
电压限制终止电流步骤
恒电流步骤使电流保持大致恒定，直到达到预定义的电压限制。
例如，锂半电池可以在约 (10) mV 和 (2) V vs (\mathrm{Li^+/Li}) 之间循环，具体取决于材料和研究设计。
电压限制决定了步骤何时结束，而电流决定了标称速率。电流步骤后可能会增加静置期或恒压保持期，但这是单独的控制模式。
容量由电流和时间获得
在恒流步骤中测得的容量为
[ Q=I\Delta t ]
其中 (I) 单位为 mA，(\Delta t) 单位为小时，得到的 (Q) 单位为 mAh。
测得的比容量为
[ C_\mathrm{sp,measured}=\frac{I\Delta t}{m} ]
如果实验旨在以定义的实际倍率而非理论倍率运行，则该测量值可用于优化后续循环的电流。
为什么准确的电流设置很重要
解析电化学行为
微安级的控制对于小型实验室电极非常重要，因为即使是微小的绝对电流误差也可能导致目标倍率出现较大偏差。
测量库仑效率
充放电容量是根据随时间积分的电流计算得出的。因此，电流精度会影响测得的初始库仑效率：
[ \mathrm{ICE}= \frac{Q_\mathrm{discharge}}{Q_\mathrm{charge}}\times100% ]
评估容量保持率
只有在施加速率、电压窗口、静置条件和质量基准一致的情况下，长期保持率的比较才有意义。
当电流处于微安范围时，可靠的实验室电池测试仪尤为重要。
理解权衡因素
理论容量与实际容量
使用理论容量可以得到基于理想值的标称倍率，但电极在实际中可能提供的容量要少得多。
使用不切实际的高容量可能会使实际实验比预期的慢，而使用不切实际的低容量可能会使实际速率比预期的更激进。
活性物质质量的不确定性
对于毫克级的电极，微小的称重误差会变得显著。活性物质比例、涂层均匀性或质量估算中的误差会直接影响计算出的电流和报告的比容量。
请明确说明质量基准是仅活性物质还是完整的电极涂层。
速率一致性与自适应电流
固定电流提供了一种直接的恒电流测试，常用于倍率比较。
基于前一个循环测量容量的自适应电流可以保持更接近的标称倍率，但这使得直接比较变得不那么简单，应明确报告。
仪器限制与极小电流
计算出的电流可能低于测试仪的可靠精度或分辨率范围。在这种情况下，如果不改变电极质量、测试时间或仪器，标称倍率可能无法实现。
不要通过静默舍入电流来进行补偿；请报告实际施加的值及其依据。
为您的目标做出正确的选择
在开始测试之前选择计算基础，并记录质量、容量假设、倍率、电压限制和仪器电流。
- 如果您的主要重点是倍率性能： 从明确说明的实际或标称容量计算 (I)，并在所有电极上使用相同的电流基准惯例。
- 如果您的主要重点是基本电压行为： 使用足够低且受控准确的电流，以便动力学极化不会掩盖电压平台和反应特征。
- 如果您的主要重点是容量和库仑效率： 始终使用活性物质质量，并在完整的充放电步骤中对实际电流进行积分。
- 如果您的主要重点是长期循环： 在循环过程中保持电流、电压窗口、静置期和质量归一化方法不变。
- 如果您的主要重点是比较不同的电极质量： 使电流与活性物质质量成线性比例，以便每个电极经历相同的标称倍率。
在单位统一且容量基准明确的情况下，恒电流计算即为电极的目标容量除以所需的充放电时间。
总结表：
| 步骤 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
| 1. 确定活性物质质量 | 测量电化学活性物质的质量，不包括粘结剂和添加剂。 | 14 mg 石墨 = 0.014 g |
| 2. 选择比容量 | 选择合适的容量值（实际、文献或理论）。 | 280 mAh/g |
| 3. 将倍率转换为时间 | 时间 (h) = 1 / 倍率。 | 对于 C/20，时间 = 20 h |
| 4. 计算总容量 | Q = 比容量 × 质量。 | Q = 280 × 0.014 = 3.92 mAh |
| 5. 计算电流 | I = Q / 时间。 | I = 3.92 / 20 = 0.196 mA = 196 µA |
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