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 közvetlen vizsgálati módszerek egyike a feszültség és a töltés rögzítése az egymást követő töltési és kisütési ciklusok során. A C-ráta változtatása külön terhelhetőségi vizsgálat része lehet; öregítési összehasonlításnál a protokoll azonossága fontos.
Ebből a „ciklikus” protokollból nagyszámú kulcsparamétert határozhatunk meg egy adott akkumulátor jellemzésére, például a kapacitást vagy a coulombos hatásfokot. 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(t) és I(t) görbék megmutatják a feszültséghatárokat, a lépéseket és a ciklusidőt. Azonos, állandó áramnagyság és azonosan kijelölt szakaszok mellett a rövidebb kisütési idő kisebb visszanyert töltést jelent. A hirtelen feszültségváltozást külön ki kell vizsgálni: önmagában nem bizonyít belső rövidzárlatot.
Ezen a ponton választhatunk az öregedés tanulmányozása mellett, a coulombos hatásfok 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 differenciálkapacitás-görbén az E–Q görbe platói csúcsokként jelenhetnek meg. A csúcshely, magasság, szélesség és terület változása segítheti a szerkezeti változások követését. Teljes cellában mindkét elektród hozzájárul; a csúcsok egyértelmű hozzárendeléséhez további információ vagy referenciaelektródos mérés szükséges.
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-ráta 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-ráta változásával. Ezenkívül a leadott energia mennyisége, amely a kisütési görbe alatti területhez kapcsolódik, szintén erősen C-rátatől függ. Ha a ciklusos protokoll növekvő C-rátaű ciklusokat tartalmaz, akkor lehetőség van az egyes C-rátaek 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: az elektródreakciók véges sebességéhez kapcsolódó többletfeszültség.
- Koncentrációs polarizáció: az anyagtranszport és a koncentrációkülönbségek hozzájárulása a feszültségeltéréshez.
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.
A ciklusélettartam a meghatározott vizsgálati feltételek mellett, előre rögzített végpontig elért ciklusszám. A végpont lehet például a kezdeti kapacitás adott hányada; a választott határértéket közölni kell, és nem minden alkalmazásra ugyanaz érvényes.
A kapacitásmegmaradás és a coulombos hatásfok (CE) külön mennyiség. A kapacitásmegmaradás az adott protokollban mért kisütési kapacitás és a kiindulási érték aránya. CE = Qkisütés/Qtöltés az egymáshoz rendelt töltési és kisütési szakaszokra; a ciklusszámozást rögzíteni kell. A CE nem önmagában méri a teljes kapacitásvesztést. Mindkét mennyiség függhet az áramtól, a hőmérséklettől és a protokolltól.
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.
A különböző C-ráták, az OCV-pihentetések és az impulzusok további információval egészíthetik ki a ciklizálást. Ezeket előre megtervezett protokollban érdemes alkalmazni, mert a vizsgálat maga is módosíthatja a cella állapotát.
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,
HPC, nagy pontosságú koulometria, coulombos hatásfok , akkumulátor élettartam meghatározása, akkumulátor kisütési görbéje, parazita reakciók, aktivációs polarizáció, koncentrációs polarizáció.
Műszerek a mérések kivitelezésére:
https://www.biologic.net/product_category/battery-cyclers/
https://www.biologic.net/product_category/potentiostats-galvanostats/
Számpélda: két külön arány
Saját szemléltető adatok: a kezdeti kisütési kapacitás 2,00 Ah, a későbbi ciklus töltése 1,82 Ah, kisütése 1,80 Ah. A kapacitásmegmaradás 1,80/2,00 = 90%, míg ugyanazon későbbi ciklus CE-je 1,80/1,82 = 98,90%. A két szám eltérő kérdésre válaszol; egyikből sem számítható önmagában a hátralévő élettartam.
Részletes feldolgozás: DCA-útmutató és akkumulátortesztelő és integrált mennyiségek.