Töltés-kisütés görbe elemzése -maximális információ az akkumulátorokról

Ennek a cikknek az eredeti angol nyelvű verziója a BioLogic weboldalán található:

https://www.biologic.net/topics/how-to-read-cycling-curves/

Bevezetés

Az akkumulátorokkal különféle kísérleti technikák alkalmazhatók az elektrokémiai reakciók és az akkumulátorok viselkedésének tanulmányozására.

A leghagyományosabb és legközvetlenebb módszer a feszültség és a töltés alakulásának rögzítése az egymást követő töltési / kisütési ciklusok esetében ( töltés-kisütés görbe ) , ideális esetben az áram rendszeres növelésével.

Ebből a „ciklikus” protokollból nagyszámú kulcsparamétert határozhatunk meg egy adott akkumulátor jellemzésére, például a kapacitást vagy a koulombikus hatékonyságot. Meg lehet becsülni az akkumulátorok egészségi állapotát a polarizáció, hiszterézis és túlfeszültség jelenségek követésével is. Ugyanabból az adatkészletből több érdekes reprezentáció ábrázolható kiegészítő információkkal.

Az U / I vs. idő görbe lehetővé teszi a felső és alsó feszültséghatárok, valamint a ciklusidő egyértelmű megjelenítését (1. ábra). Tehát egyrészt ezzel az időgörbével az összes ciklus azonosítható, és a töltési / kisütési szakaszok általában szimmetrikusak, ha a folyamatok reverzibilisek. Másrészt, azonos áram esetén a töltési időnél rövidebb kisütési idő az alacsony koulombikus hatékonyságot jelzi. Az akkumulátor élettartama végén csökken az akkumulátor töltési és lemerülési ideje. A potenciál hirtelen változása figyelhető meg, hasonló képen mintha mikrorövidzárlat vagy belső alkatrészhiba történt volna.

Ezen a ponton választhatunk az öregedés tanulmányozása mellett, a koulombikus hatékonyság és a kapacitás reprezentációjának felhasználásával a ciklusok függvényében, vagy pedig egy adott ciklust izolálhatunk az inszerciós folyamat részletesebb tanulmányozása érdekében.

Anyagjellemzés az akkumulátorokban: differenciál kapacitás mérések

Az elektrokémiai folyamatok szorosabb megfigyelése érdekében jó kiindulópontként gyakran egy izolált ciklus E és kapacitás ábrázolását mutatjuk be, amint azt a 2. ábra mutatja.

Az E vs. kapacitás görbe ( töltés-kisütés görbe ) lehetővé teszi a töltési és ürítési folyamatokban résztvevő különböző fázisváltozások, valamint a kapcsolódó kapacitások azonosítását. Ezt a görbét kiegészíti a differenciál kapacitás dQ/dE vs. E (potenciál) függvénye (3. ábra).

A DC görbe előnye, hogy az E vs. Q töltési görbe fennsíkjai egyértelműen azonosítható csúcsokként jelenhetnek meg a dQ/dE vs. E görbén. Ezek a csúcsok az elektród anyag fázisátalakulásaihoz kapcsolódnak, ha egy fél cellát vagy egy teljes cellát tekintünk referenciaként egy harmadik vagy negyedik elektróddal. A kisülés alakja és a töltési görbék információt nyújtanak az elektróda reakció reverzibilitásáról. A dQ/dE (DCS / DCA) differenciálkapacitás és a feszültség függvényében történő ábrázolás lehetővé teszi a csúcsok bármely változásának (hely, magasság, szélesség és terület) megfigyelését egyik ciklusról a másikra, és segíthet a lebomlás észlelésében hosszú tesztciklusok alatt.

A Li-ion akkumulátorok tesztelési módszereiről, közöttük a DCA – differenciál kapacitás analízis kivitelezéséről BioLogic potenciosztátok vagy tesztállomások segítségével bővebben írtunk egy régebbi blog cikkünkben: https://ec-labor.hu/li-ion-akkumulatorok-tesztelese/ .

Az akkumulátor sajátos viselkedésének vizsgálatának másik módja a feszültség ábrázolása az áram vagy a C-sebesség függvényében, ahogy a polarizációs görbét kapjunk (4. ábra). Mivel a kimeneti áram nagyon fontos szerepet játszik az akkumulátor belsejében bekövetkező veszteségek meghatározásában, ezért figyelembe kell venni az akkumulátor teljesítményének összehasonlításakor. Az akkumulátor terminálfeszültsége, valamint a leadott töltés jelentősen változhat a C-sebesség változásával. Ezenkívül a leadott energia mennyisége, amely a kisülési görbe alatti területhez kapcsolódik, szintén erősen C-sebességtől függ. Ha a ciklusos protokoll növekvő C-sebességű ciklusokat tartalmaz, akkor lehetőség van az egyes C-sebességek különböző töltöttségi állapotú potenciáljának kinyerésére és a polarizációs görbe rekonstruálására.

Ezen tényezők miatti feszültségesés elsősorban a következő kategóriákba sorolható:

IR csökkenés – A cella feszültségének ez az esése az akkumulátor belső ellenállásán átfolyó áramának tudható be.
Aktivációs polarizáció – Ez a kifejezés az elektrokémiai reakció kinetikájára jellemző különféle késleltető tényezőkre utal, mint például az a munkafunkció, amelyet az ionoknak az elektródok és az elektrolit határfelületén kell legyőzniük.
Koncentrációs polarizáció – Ez a tényező figyelembe veszi azt az ellenállást, amelyet a tömegmozgási (pl. Diffúziós) folyamat okoz, és amelynek során az ionok az elektroliton át egyik elektródáról a másikra mozognak.

Teljesítményvizsgálatok

Az elméletről az alkalmazásra haladva az akkumulátor releváns fizikai tulajdonságai különböző esetekben eltérőek lehetnek. Előfordul, hogy a fajlagos energia és a fajlagos teljesítmény (a tömegre jutó energia és teljesítmény) fontosak, mint a jármű meghajtási alkalmazásaiban. Az egységnyi térfogatra tárolt energia mennyisége, az úgynevezett energia sűrűség néha fontosabb lehet. Mindezek a változók kiszámíthatók a töltési / kisütési ciklusok alatt.

Fontos szempont, amelyet figyelembe kell venni, a ciklus élettartama, azaz az akkumulátorok újratöltésének száma, mielőtt a kapacitása meghaladja az elfogadható határokat (általában ~ 20-30%).

Az akkumulátor kapacitásának romlása az öregedéssel, amelyet a ciklus élettartamának paramétere foglal magában, a Coulombic Efficiency (CE) segítségével számszerűsíthető, amelyet az n ciklusnál elérhető töltési kapacitás és az n + 1 ciklus kisütési kapacitásának részeként határozunk meg. . Ez számos tényezőtől függ, különösen az áramlástól és az egyes ciklusok kisütési mélységétől. Az akkumulátorok tárolási és üzemeltetési hőmérséklete szintén jelentős hatással van a CE-re. A klasszikus ábrázolás a töltési kapacitás (Qc) vagy a kisütési kapacitás (Qd) vagy a CE és a ciklus száma azonos vagy eltérő C-sebességgel (5. ábra).

A viszonylag egyszerű, csak egyenáramú adatokat tartalmazó ciklikus protokollok ( töltés-kisütés görbe) szó szerint tele vannak létfontosságú információkkal, amelyek segítenek megérteni az akkumulátor élettartama alatt bekövetkező elektrokémiai jelenségeket. Mindezen jellegzetes változók kinyerése és egyértelmű ábrázolása jelentősen optimalizálja a ciklikus adatok felhasználását.

Valóban, a növekvő C-arány, a rövid OCV-periódusok használata különböző töltési állapotban a polarizációs grafikon helyreállításához vagy az impulzusok használata jelentősen javítja jövedelmezőségét a ciklikus teszteléseknek, amelyek általában hosszadalmasak és intenzív erőforrás igényesek.

A klasszikus ciklikus tesztek mellett a városi profil szcenárió típusa lehetővé teszi az akkumulátor viselkedésének szimulálását a valós fogyasztási profilhoz képest részleges töltésekkel és kisütésekkel, teljesítménycsúcsokkal és változó pihenőidővel.

Kulcsszavak:

töltés-kisütés görbe,

töltés-kisütés görbe elemzése

HPC, nagy pontosságú koulometria, koulombikus hatékonyság , akkumulátor élettartam meghatározása, akkumulátor kisütési görbéje, parazita reakciók, aktivációs polarizáció, koncentrációs polarizáció.