Das Testen des Widerstands von Lithium-Ionen-Batterien umfasst üblicherweise drei Methoden: DCIR, ACIR und EIS.Jede Methode verfügt über unterschiedliche Testprinzipien und physikalische Bedeutung und bietet einzigartige Einblicke in die Leistung der Batterie.Um die Unterschiede zwischen diesen Methoden zu verstehen, müssen wir zunächst verschiedene Begriffe klären, die den Widerstand gegen den Stromfluss beschreiben.
01. Was ist Widerstand?
Widerstand bezieht sich nicht unbedingt auf eine Widerstandskomponente;Vielmehr beschreibt es den Widerstand, den ein Gerät oder Material dem Stromfluss entgegensetzt und der elektrische Energie grundsätzlich irreversibel in andere Energieformen umwandelt.Widerstand ist ein spezieller Fall von Impedanz, wenn der Reaktanzanteil Null ist.
02. Begriffe, die den aktuellen Widerstand beschreiben
Der Innenwiderstand einer Lithium-Ionen-Batterie umfasst den ohmschen Widerstand, die Grenzflächenimpedanz, die Ladungsübertragungsimpedanz, die Diffusionsimpedanz, den ohmschen Polarisationswiderstand, den elektrochemischen Polarisationswiderstand und den Konzentrationspolarisationswiderstand.
- Ohmscher Widerstand: Besteht hauptsächlich aus dem Widerstand von Elektrodenmaterialien, Elektrolyten, Separatoren und dem Kontaktwiderstand verschiedener Teile.Dies hängt von der Größe, Struktur und Montage der Batterie ab.
- Polarisationswiderstand: Bezieht sich auf die Abweichung des Elektrodenpotentials vom Gleichgewichtspotential, wenn Strom durch die Elektrode fließt.Sie entsteht durch elektrochemische Reaktionen und ist nicht konstant;Sie ändert sich während des Ladens und Entladens aufgrund von Schwankungen in der Zusammensetzung der aktiven Materialien, der Elektrolytkonzentration und der Temperatur.Der ohmsche Widerstand folgt dem Ohmschen Gesetz, während der Polarisationswiderstand mit der Stromdichte zunimmt, jedoch nicht linear, sondern oft linear mit dem Logarithmus der Stromdichte.
Verschiedene Batterietypen haben unterschiedliche Innenwiderstände.Selbst innerhalb desselben Typs kann der Innenwiderstand aufgrund unterschiedlicher chemischer Eigenschaften variieren.Der Innenwiderstand wird in Milliohm gemessen und ist ein entscheidender technischer Indikator für die Batterieleistung.Typischerweise weist ein niedrigerer Innenwiderstand auf eine stärkere Fähigkeit zur Hochstromentladung hin, während ein höherer Innenwiderstand auf eine schwächere Entladungsfähigkeit hindeutet.
03. Was ist DCIR?
DCIR (Direct Current Internal Resistance) misst den Gesamtwiderstand innerhalb der Batterie, einschließlich ohmscher Widerstand, Grenzflächenimpedanz, Ladungsübertragungsimpedanz, Diffusionsimpedanz, ohmscher Polarisationswiderstand, elektrochemischer Polarisationswiderstand und Konzentrationspolarisationswiderstand.Da Li-Ionen während der Prüfung erhebliche räumliche Veränderungen erfahren, spricht man von dynamischem Widerstand.
DCIR wird getestet, indem die Batterie mit einer bestimmten Stromrate (I) für eine bestimmte Dauer (t) geladen und entladen wird und die Spannung vor (U1) und nach (U2) des Vorgangs aufgezeichnet wird:
R = (U2 – U1)/I
Der Zweck des DCIR-Tests besteht darin, die Impedanz der Batterie unter tatsächlichen Betriebsbedingungen zu ermitteln.
04. Was ist ACIR?
ACIR (Alternating Current Internal Resistance) misst den Batteriewiderstand mithilfe von Wechselstrom, um die Auswirkungen der Polarisation zu eliminieren und den Stromwiderstand des Materials direkt zu messen.Bei einer ausreichend hohen Frequenz (f = 1/T) ist der Stromzyklus kurz genug, dass sich Li-Ionen nicht wesentlich von ihrer ursprünglichen Position bewegen, sondern lediglich hin und her oszillieren.
Bei hohen Frequenzen werden folgende Annahmen getroffen:
1. Es findet keine Ladungsbewegung statt, es kommt also zu keiner Ladungsanhäufung und es findet keine Polarisation statt.
2. Die Kapazität bleibt unverändert, da sich die Ladungsverteilung nicht ändert.
3. Es gibt keine Diffusionsimpedanz, da sich die Position der Li-Ionen nicht ändert.
Typischerweise wird eine Frequenz von 1000 Hz verwendet, wobei der ACIR-Wert als äquivalent zum ohmschen Widerstand angesehen wird, vorausgesetzt, dass sich die Batterie wie ein reiner Widerstand verhält.
05. Was ist EIC?
Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS): Es handelt sich um eine zerstörungsfreie Parameterbestimmung und eine effektive Methode zur Bestimmung des kinetischen Verhaltens von Batterien.An das Batteriesystem wird ein sinusförmiges Spannungssignal mit kleiner Amplitude und einer Frequenz von w1 angelegt, und das System erzeugt eine sinusförmige Stromantwort mit einer Frequenz von w2.Die Änderung des Verhältnisses von Erregerspannung zu Antwortstrom ist das Impedanzspektrum des elektrochemischen Systems.
Hier ist zu erkennen, dass die ACIR- und EIS-Testmethoden gleich sind und beide Wechselstrom zum Testen verwenden.ACIR ist jedoch nur ein Test bei einer bestimmten Frequenz, während EIS ein Test innerhalb eines Frequenzbereichs ist und die Zwecke der beiden unterschiedlich sind.
EIS verwendet zum Testen Wechselstrom innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs.Verschiedene Komponenten reagieren unterschiedlich auf Ströme unterschiedlicher Frequenz, um den Stromkreis in verschiedene Teile aufzuteilen und dann künstlich festzulegen, dass jeder Teil einer bestimmten Komponente entspricht.Tatsächlich nimmt am EIS-Test die gesamte Schaltung bei jeder Frequenz teil und jede Komponente trägt dazu bei.
Daher besteht der Zweck von EIS darin, die Leistung bestimmter Komponenten durch unterschiedliche Frequenzen zu verstärken, um sie grob aufzuteilen und eine spezifische Analyse einer bestimmten Komponente durchzuführen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. Juli 2024
