Elektrokémiai impedancia új lehetőségeket nyit az akkumulátorok tesztelésére
Miért van szükség új tesztelési módszerekre?
Akkumulátorok működtetik többek között a szerszámgépeket, fűnyírókat és számos hordozható eszközt. A változó terhelés és az elektromos járművek használata a kapacitásmérés mellett részletesebb állapotvizsgálatot is indokolhat.
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 Műszerkatalógus a példáján az új lehetőségeket az akkumulátorok gyors , precíziós tesztelésére.
Milyen eredményeket kell kiadni a teszteknek?
A vizsgálat célja lehet megfelelőségi döntés vagy a hibához kapcsolódó folyamatok feltárása. Az impedancia segítheti a diagnózist, de egy teljes cella spektruma nem feltétlenül választja szét egyértelműen a katód, anód, elektrolit és szeparátor hozzájárulását.
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 EIS az állapotváltozás, polarizáció és öregedés vizsgálatára használható. SoC- vagy élettartam-becsléshez kalibrált és független adatokon validált modell szükséges; nincs minden kémiára érvényes közvetlen átszámítás.
Ezek az adatok támogathatják a BMS (Battery Management System, akkumulátorkezelő rendszer) fejlesztését és a minőségellenőrzést. A mérési protokollt az alkalmazáshoz kell igazítani.
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 (Műszerkatalógus ). Magáról az elektrokémiai impedancia módszerről olvasson bővebben itt (EIS-útmutató ).
Az akkumulátor tesztelésének alapjai
A ciklizálás feszültség-, áram- és időadataiból töltés, energia és más mennyiségek számíthatók. A teljes kapocsfeszültség U(t)/I hányadosa működő akkumulátornál nem a belső ellenállás, mert az egyensúlyi cellafeszültséget is tartalmazza.
Ábra 1: Li-ion akkumulátor kisütési görbéje (Idischarge = 50 mA) (balra) és egyenáramú ellenállás (jobbra) alakulása.
DC-impulzusnál, pozitív kisütési előjellel: RΔt = [Uelőtte − Uutána,Δt]/[Iutána − Ielőtte]. A kiértékelési időt és az áramlépcsőt közölni kell. A megőrzött ábra U/I jellegű része nem tekinthető önmagában helyes DCIR-mérésnek.
Az eredeti ábra történeti szemléltetés; a belső ellenállás értelmezésénél a fenti különbségi képlet az irányadó. Részletes DC/AC-útmutató.
Akkumulátorok tesztelése impedancia módszerrel.
Impedancia mérések elvégezhetőek az akkumulátoron mind üresjárat feszültségnél ( Open Circuit Voltage (OCV) ) vagy működés (töltés vagy kisütés) 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.
A spektrum alacsony, közepes és magas frekvenciás tartományai különböző időskálákhoz kapcsolódhatnak. A fizikai folyamatok azonban átfedhetnek, és a kábelezés is hozzájárulhat. A frekvenciatartomány önmagában nem egyértelmű mechanizmusazonosító.
Ábra 3. LixC elektróda impedancia spektrumának az interpretációja.
A megőrzött ábra lítiált szén, LiₓC elektródra mutat be lehetséges értelmezést; ez tipikusan negatív elektródanyag, nem általánosan katód. A nagyfrekvenciás ohmos rész, a határfelületi folyamatok és a lassabb transzport hozzárendelése mindig a konkrét rendszer vizsgálatát igényli.
Akkumulátorok tesztelése impedancia módszerrel.Gyakorlati példa.
Az ekvivalens áramköri illesztéshez modellt, kiindulási értékeket és értelmes korlátokat kell választani. A szoftver becsüli a paramétereket; a jó illeszkedés nem igazolja automatikusan a fizikai modellt.
Az alábbi rajz illusztrálja a paraméterek kiszámítását egy Li – akkumulátor esetében.
Ábra 4. LiFePO4 alapú akkumulátor paramétereinek meghatározása BioLogic illesztő programmal
A kék pontok a mért, a pirosak az illesztett adatokat jelölik. A szoftver a modell paramétereit változtatja az eltérés csökkentésére. Az elemek fizikai hozzárendelése külön igazolást igényel.
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)
Az impedancia és SoC közti empirikus kapcsolat csak az adott kémiára és körülményekre kalibrált, független adatokon ellenőrzött modellben használható. A hőmérséklet, öregedés és előtörténet hatását is vizsgálni kell.
A SoH vagy a várható élettartam becsléséhez hosszú távú összehasonlító mérések és validált modell szükséges. Egy ekvivalens áramköri paraméter változása önmagában nem ad biztos élettartam-előrejelzést.
A ciklizálási és impedanciaadatok együtt több szempontból jellemzik a cellát; a diagnózist az alkalmazott módszer korlátain belül kell megfogalmazni.
Ábra 7. BioLogic akkumulátor tesztállomás: BCS 8XX sorozat
A képen szereplő BCS-8xx és a hivatkozott BT-Lab/ModuloBat munkafolyamat az eredeti, 2019-es műszerpélda. Jelenlegi rendszer kiválasztásához a műszerkatalógus és az adott konfiguráció adatlapja az irányadó.
Dr. Kovács István,
Kémiai tudományok kandidátusa, Labornite Kft. ügyvezetője
www.labornite.hu
+ 36 20 5466451