Elektrokémiai impedancia új lehetőségeket nyit az akkumulátorok tesztelésére

Miért van szükség új tesztelési módszerekre?

Az akkumulátorokat  manapság már nem csak a motorok beindítására alkalmazzák, de egyre több eszközben jelenik meg. Ilyenek lettek az akkumulátoros szerszámgépek, akkumulátoros fűnyírók ( több oldalon is megtalálja a GOOGLE-ban, csak néhány példa ):  https://akkucentral.hu/sct/695661/Akkuk-es-Toltok,  https://aktivkft.hu/category/listshow/309,  https://www.argep.hu/main.aspx?suche=black%20decker%2012v%20akkumul%C3%A1tor.

Egyre gyakoribb a nagy kapacitású akkumulátor állomások alkalmazása az iparban. Az elektromos automobilok elterjedése szintén igénylik a pontosabb tesztelési lehetőségeket.

A felhasználó és a gyártó szemszögéből is fontos, hogy jó minőségű akkumulátorok hagyják el a gyárakat. Ezért fontos a termékek , pontosabban most csak az alkalmazott akkumulátorokról beszélünk, minőségi ellenőrzése a beszerelés előtt vagy utána. Ezért is jelennek meg az akkumulátor fejlesztésnél alkalmazott elektrokémiai impedancia méréseken alapuló módszerek az ipari tesztelésekre alkalmas munkaállomásokban.

Cikkünkben szeretnénk bemutatni a BioLogic  akkumulátor tesztállomásainak a példáján az új lehetőségeket az akkumulátorok gyors , precíziós tesztelésére.

 

Milyen eredményeket kell kiadni a teszteknek?

A tesztelések végeredményének nem csak arra kell adni választ, hogy jó vagy nem az adott akkumulátor, de fontos meghatározni a probléma okát is, vagyis az akkumulátor melyik eleme – elektróda (katód, anód) elektrolit, szeparátor stb. okozza a problémát.

Az elektrokémiai impedancia alapján mérhető az elektrokémiai rendszerekben végbemenő folyamatok paraméterei. Az impedancia méréseknél az alap polarizációs jelre rátett kis amplitúdójú váltóáram frekvenciáját nagyon széles spektrumban lehet változtatni ( ezért is  a neve a módszernek- Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia – rövidítve EIS ) és ezáltal felmérni különböző folyamatok mechanizmusát.

Az impedancia módszert leggyakrabban az akkumulátor töltésállapotának (SoC) gyors meghatározására, valamint az akkumulátor ciklikus töltés/kisülés során megjelenő teljesítmény csökkenésének (öregedési folyamat) mérésére és az akkumulátor élettartamának a megjövendölésére szokták használni.

Ezek a vizsgálatok fontosak a BMS (Battery Management System – akkumulátor kezelő rendszer) fejlesztése és a minőségi tesztelés szempontjából. Az impedancia méréseket javasolja az US Department of Energy  (Amerikai Energiaügyi Minisztérium) az elektromos járművek (EVs -Electrical Vehicles) akkumulátorainak fejlesztésére és tesztelésére .

Cikkünkben szeretnénk ízelítőt adni azokból az új lehetőségekből, amelyeket az elektrokémiai impedancia mérése (általában EIS néven ismerik – mint az Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia rövidítése) biztosít az akkumulátorok tesztelésénél.

Cikkünk a BioLogic cég akkumulátor tesztállomásaihoz kiadott segéd információkon alapul (http://www.bio-logic.net/en/applications/battery-cycling/ ). Magáról az elektrokémiai impedancia módszerről olvasson bővebben itt (http://www.bio-logic.net/en/tutorials/ ).

 

Az akkumulátor tesztelésének alapjai

Az akkumulátornak egy egyenárammal történő kisülése vagy töltése során, csak az U (t) potenciálkülönbséget lehet az idő függvényében mérni. Az adatok elemzésének egyetlen módja az Ohm törvényének alkalmazása, és az “adott időben mért egyenáramú ellenállásnak” kiszámolása a görbéből az alábbi egyenlet szerint:

Ábra 1: Li-ion akkumulátor kisülési görbéje (Idischarge = 50 mA) (balra) és egyenáramú ellenállás (jobbra) alakulása.

RDCR (t) = U (t) / I  .

A fenti görbék éppen ezt mutatják be.

Akkumulátorok tesztelése impedancia módszerrel.

Impedancia mérések elvégezhetőek az akkumulátoron mind üresjárat feszültségnél ( Open Circuit Voltage (OCV) ) vagy működés (töltés vagy kisülés) alatt, de legelőnyösebb áramvezérelt üzemmódban, azaz galvanosztatikus üzemmódban történő mérések kivitelezése.

Példaként egy Li-ion akkumulátoron mért impedancia grafikont mutatunk be az alábbi ábrán.

 

Ábra 2.Li-ion akkumulátor impedancia grafikonja. A méréseket OCV alatt emf=3,844 V végezték.

 

Az impedancia grafikon több részre bontható. A rajzon a számok a mérési frekvenciákat mutatják. Különböző frekvenciákon más-más folyamatok regisztrálhatóak, mivel a folyamatok sebessége is más az oldatban (elektrolit) és a szilárd ionvezető anyagban (elektróda). Legalább három frekvencia tartományt lehet meghatározni: alacsony frekvenciákat (LF), közepes frekvenciákat (MF) és magas frekvencia tartományt (HF). Mindegyik tartománynak meg van a saját jellegzetes paraméterei, kinézete, ami megkülönbözteti őket és egyedi folyamatoknak felelnek meg. Ezeket a folyamatokat az előzetesen összegyűjtött tudás alapján már egyértelműen lehet beazonosítani és konkrét paramétereket kiszámítani az impedancia spektrum alapján.

Ábra 3.  LixC elektróda impedancia spektrumának az interpretációja.

 

A fenti ábrán példaként a LixC katód anyag impedancia spektrumának részeihez megfelelő folyamatok vannak csatlakoztatva. A magas frekvenciai rész az oldat vezetőképességével van kapcsolatban. A közepes frekvenciákon a kemény halmazállapotú ionvezető felületén végbemenő ion-elektron folyamatok érzékelhetőek. Az alacsony frekvencia tartomány pedig az ionmozgásért felelős az interkallációs folyamat alatt a szilárd elektrolitban.

Akkumulátorok tesztelése impedancia módszerrel.Gyakorlati példa.

A gyakorlati elemzést a spektrum analízis különböző módszereivel lehet elvégezni. A BioLogic akkumulátor teszt állomásaihoz mellékelt számítógépes programok leegyszerűsítik ezt a feladatot. Óriási választék van a gyakorlati rendszerekre jellemző ekvivalens sémákból, amelyeknek csak verzióját kell megadni a programnak és ezután már a program elvégzi a megfelelő számításokat és kiadja a séma paramétereit.

Az alábbi rajz illusztrálja a paraméterek kiszámítását egy Li – akkumulátor esetében.

 

Ábra 4.  LiFePO4 alapú akkumulátor paramétereinek meghatározása BioLogic illesztő programmal

A kék színű pontok a rajzon a mért értékek. A piros pontok, a kiszámított értékek. A számításokat a program a rajz alján lévő ekvivalens séma alapján végezte. A számítógép programja úgy változtatja az ekvivalens séma paramétereit, hogy a különbség a mért és kiszámított értékek között minimális legyen. Az ekvivalens séma elemei az akkumulátor rendszerében lévő konkrét fizikai elemek (elektródák, oldatok stb.) paramétereivel vannak kapcsolatba.

Ha megmérjük az impedanciai spektrumait ugyanannak az akkumulátornak terhelés közben, amikor a töltöttségi állapota ( SoC) változik, vagy különböző öregedési állapotában lévőt ( SoH ), akkor meglátjuk, hogy spektrumok kimutatják a változásokat ( Ábra 5).

 

Ábra 5.  Különböző töltöttségi állapotban  ( SoC) lévő Li- akkumulátor impedancia spektrumai.

Mivel két grafikont, amelyeknek csak formájuk változott nehéz összehasonlítani, ezért az adatokat a gyakorlatban más koordinátákban elemzik (az impedancia modulját nézik a frekvencia függvényében Ábra 6.)

Ábra 6.  Különböző töltöttségi állapotban  ( SoC) lévő Li- akkumulátor impedancia moduljának változása a frekvencia függvényében.

A grafikon szerint, az alacsonyabb frekvenciákon az impedancia modulja ( /Z/ )és a töltöttségi állapot ( SoC)között függőségi viszony van.

 

/Z/ =  f ( SoC)

Ha tanulmányozzuk az adott akkumulátor típusokra ezt a függőséget és megállapítjuk a megfelelő empirikus törvényt, akkor viszont megmérve az akkumulátor impedanciáját már ki is számíthatjuk a töltöttségi állapotát az akkumulátornak.

Hasonlóképpen elemezve a SoC vagy valamelyik ekvivalens séma elemnek a változását a ciklusok számától (az akkumulátor öregedése SoH ), megállapítható az öregedés törvényszerűsége és megjósolható az akkumulátor élettartalma.

A BioLogic tesztállomások még sok más paramétert is tudnak mérni és komplex diagnózist állítanak fel az akkumulátor állapotáról.

Ábra 7. BioLogic akkumulátor tesztállomás: BCS 8XX sorozat

A modern tesztállomások moduláris felépítésűek, ezért érdemesebb beszélni termékcsaládról, amelyiken belül a felhasználó igényei szerint összeállítható a megfelelő paraméterekkel bíró tesztállomás. A fenti ábrán látható BCS-8xx sorozathoz a speciálisan kifejlesztett BT-Lab és ModuloBat szoftvert mellékeli a gyártó, hogy megfeleljen a nagy áteresztőképességű akkumulátor tesztelési iparág követelményeinek.

 

Dr. Kovács István,

Kémiai tudományok kandidátusa, Labornite Kft. ügyvezetője

www.labornite.hu

info@labornite.hu

+ 36 20 5466451