Per testare la resistenza delle batterie agli ioni di litio, vengono comunemente utilizzati tre metodi: DCIR, ACIR ed EIS. Ogni metodo ha principi di prova e significati fisici distinti, offrendo informazioni uniche sulle prestazioni della batteria. Per comprendere le differenze tra questi metodi, è necessario innanzitutto chiarire i vari termini che descrivono la resistenza al flusso di corrente.
01. Che cosa è la resistenza?
La resistenza non si riferisce necessariamente a un componente resistivo; piuttosto, descrive l'opposizione che un dispositivo o un materiale oppone al flusso di corrente, convertendo fondamentalmente l'energia elettrica in altre forme di energia in modo irreversibile. La resistenza è un caso specifico di impedenza quando la componente reattanza è zero.
02. Termini che descrivono la resistenza alla corrente
La resistenza interna di una batteria agli ioni di litio comprende la resistenza ohmica, l'impedenza di interfaccia, l'impedenza di trasferimento di carica, l'impedenza di diffusione, la resistenza di polarizzazione ohmica, la resistenza di polarizzazione elettrochimica e la resistenza di polarizzazione di concentrazione.
- Resistenza ohmica: composta principalmente dalla resistenza dei materiali degli elettrodi, degli elettroliti, dei separatori e dalla resistenza di contatto di varie parti. È correlata alle dimensioni, alla struttura e all'assemblaggio della batteria.
- Resistenza di polarizzazione: si riferisce alla deviazione del potenziale dell'elettrodo dal potenziale di equilibrio quando la corrente lo attraversa. È causata da reazioni elettrochimiche e non è costante; varia durante la carica e la scarica a causa di variazioni nella composizione dei materiali attivi, nella concentrazione dell'elettrolita e nella temperatura. La resistenza ohmica segue la legge di Ohm, mentre la resistenza di polarizzazione aumenta con la densità di corrente ma non linearmente, spesso aumentando linearmente con il logaritmo della densità di corrente.
Diversi tipi di batterie hanno resistenze interne diverse. Anche all'interno dello stesso tipo, la resistenza interna può variare a causa di incongruenze nelle caratteristiche chimiche. La resistenza interna si misura in milliohm ed è un indicatore tecnico cruciale delle prestazioni della batteria. In genere, una resistenza interna inferiore indica una maggiore capacità di scarica ad alta corrente, mentre una resistenza interna più elevata suggerisce una minore capacità di scarica.
03. Che cosa è il DCIR?
La resistenza interna a corrente continua (DCIR) misura la resistenza totale all'interno della batteria, includendo resistenza ohmica, impedenza di interfaccia, impedenza di trasferimento di carica, impedenza di diffusione, resistenza di polarizzazione ohmica, resistenza di polarizzazione elettrochimica e resistenza di polarizzazione di concentrazione. Poiché gli ioni di litio subiscono significative variazioni spaziali durante il test, questa resistenza viene definita resistenza dinamica.
Il DCIR viene testato caricando e scaricando la batteria con una corrente specifica (I) per una certa durata (t) e registrando la tensione prima (U1) e dopo (U2) il processo:
R = (U2 – U1)/I
Lo scopo del test DCIR è quello di ottenere l'impedenza della batteria così come sarebbe in condizioni operative reali.
04. Che cosa è l'ACIR?
L'ACIR (resistenza interna in corrente alternata) misura la resistenza della batteria utilizzando la corrente alternata per eliminare gli effetti della polarizzazione e misurare direttamente la resistenza del materiale alla corrente. Con una frequenza sufficientemente elevata (f = 1/T), il ciclo di corrente è sufficientemente breve da impedire agli ioni di litio di spostarsi significativamente dalle loro posizioni originali, limitandosi a oscillare avanti e indietro.
Alle alte frequenze si fanno le seguenti ipotesi:
1. Non si verifica alcun movimento di carica, quindi non si verifica alcun accumulo di carica e non si verifica alcuna polarizzazione.
2. La capacità rimane invariata poiché la distribuzione della carica non cambia.
3. Non c'è impedenza di diffusione perché la posizione degli ioni di Li non cambia.
In genere si utilizza una frequenza di 1000 Hz, punto in cui il valore ACIR è considerato equivalente alla resistenza ohmica, presupponendo che la batteria si comporti come un resistore puro.
05. Che cosa è l'EIC?
Spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS): si tratta di un metodo non distruttivo per la determinazione dei parametri e un metodo efficace per determinare il comportamento cinetico della batteria. Un segnale di tensione sinusoidale di piccola ampiezza con frequenza w1 viene applicato al sistema della batteria e il sistema genera una risposta in corrente sinusoidale con frequenza w2. La variazione del rapporto tra la tensione di eccitazione e la corrente di risposta costituisce lo spettro di impedenza del sistema elettrochimico.
Qui si può osservare che i metodi di prova ACIR ed EIS sono gli stessi, entrambi utilizzano la corrente alternata. Tuttavia, l'ACIR è un test che si esegue solo a una certa frequenza, mentre l'EIS è un test che si svolge entro un intervallo di frequenza, e gli scopi dei due sono diversi.
L'EIS utilizza la corrente alternata entro un certo intervallo di frequenza per effettuare i test. Diversi componenti rispondono in modo diverso a correnti di frequenze diverse per suddividere il circuito in parti diverse, e quindi stabilire artificialmente che ogni parte corrisponda a un determinato componente. Di fatto, nel test EIS, l'intero circuito partecipa a ciascuna frequenza e ciascun componente contribuisce.
Pertanto, lo scopo dell'EIS è quello di amplificare le prestazioni di componenti specifici attraverso diverse frequenze, in modo da suddividerle grossolanamente ed effettuare un'analisi specifica di un determinato componente.
Data di pubblicazione: 12 luglio 2024
