Die Widerstandsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien erfolgt üblicherweise mit drei Methoden: DCIR, ACIR und EIS. Jede Methode hat unterschiedliche Prüfprinzipien und physikalische Bedeutungen 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 Stromflusswiderstand beschreiben.
01. Was ist Widerstand?
Widerstand bezieht sich nicht unbedingt auf eine Widerstandskomponente; er beschreibt vielmehr den Widerstand, den ein Gerät oder Material dem Stromfluss entgegensetzt und der elektrische Energie irreversibel in andere Energieformen umwandelt. Widerstand ist ein Sonderfall der Impedanz, wenn der Reaktanzanteil Null ist.
02. Begriffe zur Beschreibung des Stromwiderstands
Der Innenwiderstand einer Lithium-Ionen-Batterie umfasst den ohmschen Widerstand, die Grenzflächenimpedanz, die Ladungstransferimpedanz, die Diffusionsimpedanz, den ohmschen Polarisationswiderstand, den elektrochemischen Polarisationswiderstand und den Konzentrationspolarisationswiderstand.
Ohmscher Widerstand: Er setzt sich hauptsächlich aus dem Widerstand von Elektrodenmaterialien, Elektrolyten, Separatoren und dem Kontaktwiderstand verschiedener Teile zusammen. Er hängt mit der Größe, Struktur und Montage der Batterie zusammen.
- Polarisationswiderstand: Bezeichnet die Abweichung des Elektrodenpotenzials vom Gleichgewichtspotenzial bei Stromfluss durch die Elektrode. Er wird durch elektrochemische Reaktionen verursacht und ist nicht konstant; er verändert sich beim Laden und Entladen aufgrund von Schwankungen in der Zusammensetzung der Aktivmaterialien, der Elektrolytkonzentration und der Temperatur. Der Ohmsche Widerstand folgt dem Ohmschen Gesetz, während der Polarisationswiderstand mit der Stromdichte, jedoch nicht linear, sondern oft linear mit dem Logarithmus der Stromdichte ansteigt.
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 wichtiger technischer Indikator für die Batterieleistung. Ein niedrigerer Innenwiderstand deutet typischerweise auf eine höhere Entladefähigkeit hin, während ein höherer Innenwiderstand auf eine geringere Entladefähigkeit hindeutet.
03. Was ist DCIR?
DCIR (Direct Current Internal Resistance) misst den Gesamtwiderstand innerhalb der Batterie, einschließlich Ohmscher Widerstand, Grenzflächenimpedanz, Ladungstransferimpedanz, Diffusionsimpedanz, Ohmscher Polarisationswiderstand, elektrochemischer Polarisationswiderstand und Konzentrationspolarisationswiderstand. Da Lithium-Ionen während des Tests erhebliche räumliche Veränderungen erfahren, spricht man vom dynamischen Widerstand.
DCIR wird getestet, indem die Batterie mit einer bestimmten Stromstärke (I) für eine bestimmte Dauer (t) geladen und entladen wird und die Spannung vor (U1) und nach (U2) dem Vorgang aufgezeichnet wird:
R = (U2 – U1)/I
Der Zweck des DCIR-Tests besteht darin, die Impedanz der Batterie so zu ermitteln, wie sie unter tatsächlichen Betriebsbedingungen wäre.
04. Was ist ACIR?
ACIR (Alternating Current Internal Resistance) misst den Batteriewiderstand mithilfe von Wechselstrom, um die Polarisationseffekte zu eliminieren und den Stromwiderstand des Materials direkt zu messen. Bei einer ausreichend hohen Frequenz (f = 1/T) ist der Stromzyklus kurz genug, sodass sich die Lithium-Ionen nicht wesentlich von ihrer ursprünglichen Position entfernen, sondern lediglich hin und her schwingen.
Bei hohen Frequenzen werden folgende Annahmen getroffen:
1. Es findet keine Ladungsbewegung statt, daher gibt es keine Ladungsakkumulation und es tritt keine Polarisation auf.
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.
Normalerweise wird eine Frequenz von 1000 Hz verwendet. Bei diesem Wert wird der ACIR-Wert als dem ohmschen Widerstand gleichwertig angesehen, vorausgesetzt, die Batterie verhält sich wie ein reiner Widerstand.
05. Was ist EIC?
Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS): Sie ist eine zerstörungsfreie und effektive Methode zur Bestimmung des kinetischen Verhaltens von Batterien. Ein sinusförmiges Spannungssignal mit kleiner Amplitude und der Frequenz w1 wird an das Batteriesystem angelegt, wodurch eine sinusförmige Stromantwort mit der Frequenz w2 erzeugt wird. Die Änderung des Verhältnisses von Anregungsspannung zu Antwortstrom entspricht dem Impedanzspektrum des elektrochemischen Systems.
Hier ist zu sehen, dass die Prüfmethoden ACIR und EIS identisch sind und beide Wechselstrom verwenden. ACIR ist jedoch nur eine Prüfung bei einer bestimmten Frequenz, während EIS eine Prüfung innerhalb eines Frequenzbereichs ist. Die Zwecke der beiden sind unterschiedlich.
EIS nutzt Wechselstrom innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zum Testen. Verschiedene Komponenten reagieren unterschiedlich auf Ströme unterschiedlicher Frequenzen, wodurch der Schaltkreis in verschiedene Teile aufgeteilt wird. Anschließend wird künstlich festgelegt, dass jeder Teil einem bestimmten Bauteil entspricht. Tatsächlich nimmt am EIS-Test der gesamte Schaltkreis bei jeder Frequenz teil, und jede Komponente trägt ihren Beitrag.
Der Zweck von EIS besteht daher darin, die Leistung bestimmter Komponenten durch unterschiedliche Frequenzen zu verstärken, um sie grob aufzuteilen und eine spezifische Analyse einer bestimmten Komponente durchzuführen.
Veröffentlichungszeit: 12. Juli 2024
