Het testen van de weerstand van lithium-ionbatterijen gebeurt doorgaans met drie methoden: DCIR, ACIR en EIS. Elke methode heeft zijn eigen testprincipes en fysieke betekenis, en biedt unieke inzichten in de prestaties van de batterij. Om de verschillen tussen deze methoden te begrijpen, moeten we eerst de verschillende termen verduidelijken die de weerstand tegen stroom beschrijven.
01. Wat is weerstand?
Weerstand verwijst niet noodzakelijkerwijs naar een weerstandscomponent; het beschrijft eerder de weerstand die een apparaat of materiaal biedt aan de stroom, waardoor elektrische energie fundamenteel onomkeerbaar wordt omgezet in andere vormen van energie. Weerstand is een specifiek geval van impedantie wanneer het reactantiedeel nul is.
02. Termen die stroomweerstand beschrijven
De inwendige weerstand van een lithium-ionbatterij omvat de ohmse weerstand, interface-impedantie, ladingsoverdrachtsimpedantie, diffusie-impedantie, ohmse polarisatieweerstand, elektrochemische polarisatieweerstand en concentratiepolarisatieweerstand.
- Ohmse weerstand: voornamelijk samengesteld uit de weerstand van elektrodematerialen, elektrolyten, scheiders en contactweerstand van verschillende onderdelen. Deze weerstand is gerelateerd aan de grootte, structuur en samenstelling van de batterij.
- Polarisatieweerstand: Verwijst naar de afwijking van het elektrodepotentiaal ten opzichte van het evenwichtspotentiaal wanneer er stroom door de elektrode stroomt. Deze weerstand wordt veroorzaakt door elektrochemische reacties en is niet constant; deze verandert tijdens het laden en ontladen als gevolg van variaties in de samenstelling van de actieve materialen, de elektrolytconcentratie en de temperatuur. De ohmse weerstand volgt de wet van Ohm, terwijl de polarisatieweerstand toeneemt met de stroomdichtheid, maar niet lineair, maar vaak lineair met de logaritme van de stroomdichtheid.
Verschillende batterijtypen hebben verschillende interne weerstanden. Zelfs binnen hetzelfde type kan de interne weerstand variëren als gevolg van inconsistenties in chemische eigenschappen. De interne weerstand wordt gemeten in milliohm en is een cruciale technische indicator van de batterijprestaties. Een lagere interne weerstand duidt doorgaans op een sterker vermogen tot ontlading met hoge stroomsterkte, terwijl een hogere interne weerstand duidt op een zwakker ontladingsvermogen.
03. Wat is DCIR?
DCIR (Direct Current Internal Resistance) meet de totale weerstand in de batterij, inclusief ohmse weerstand, interface-impedantie, ladingsoverdrachtsimpedantie, diffusie-impedantie, ohmse polarisatieweerstand, elektrochemische polarisatieweerstand en concentratiepolarisatieweerstand. Omdat lithiumionen tijdens het testen aanzienlijke ruimtelijke veranderingen ondergaan, wordt dit dynamische weerstand genoemd.
DCIR wordt getest door de batterij gedurende een bepaalde tijdsduur (t) op te laden en te ontladen met een specifieke stroomsterkte (I) en de spanning vóór (U1) en ná (U2) het proces te registreren:
R = (U2 – U1)/I
Het doel van het testen van DCIR is om de impedantie van de batterij te verkrijgen zoals die is onder werkelijke bedrijfsomstandigheden.
04. Wat is ACIR?
ACIR (Alternating Current Internal Resistance) meet de batterijweerstand met behulp van wisselstroom om de effecten van polarisatie te elimineren en direct de weerstand van het materiaal tegen stroom te meten. Met een voldoende hoge frequentie (f = 1/T) is de stroomcyclus kort genoeg zodat Li-ionen niet significant van hun oorspronkelijke positie bewegen, maar slechts heen en weer oscilleren.
Bij hoge frequenties worden de volgende aannames gedaan:
1. Er vindt geen ladingbeweging plaats, dus is er geen ladingaccumulatie en vindt er geen polarisatie plaats.
2. De capaciteit blijft ongewijzigd omdat de ladingsverdeling niet verandert.
3. Er is geen diffusie-impedantie omdat de positie van de Li-ionen niet verandert.
Normaal gesproken wordt een frequentie van 1000 Hz gebruikt, waarbij de ACIR-waarde als gelijkwaardig aan de ohmse weerstand wordt beschouwd, ervan uitgaande dat de batterij zich als een zuivere weerstand gedraagt.
05. Wat is EIC?
Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS): Dit is een niet-destructieve parameterbepaling en een effectieve methode om het kinetisch gedrag van batterijen te bepalen. Een sinusvormig spanningssignaal met een kleine amplitude en frequentie w1 wordt op het batterijsysteem toegepast, waarna het systeem een sinusvormige stroomrespons genereert met frequentie w2. De verandering in de verhouding tussen de excitatiespanning en de responsstroom is het impedantiespectrum van het elektrochemische systeem.
Hieruit blijkt dat de ACIR- en EIS-testmethoden hetzelfde zijn en beide wisselstroom gebruiken voor de tests. ACIR is echter alleen een test op een bepaalde frequentie, terwijl EIS een test binnen een frequentiebereik is, en de doelen van beide zijn verschillend.
EIS gebruikt wisselstroom binnen een bepaald frequentiebereik om te testen. Verschillende componenten reageren verschillend op stromen van verschillende frequenties om het circuit in verschillende delen te splitsen en vervolgens kunstmatig te bepalen dat elk deel overeenkomt met een bepaald onderdeel. In feite neemt bij de EIS-test het hele circuit deel aan elke frequentie en draagt elk onderdeel bij.
Het doel van EIS is dan ook om de prestaties van specifieke componenten via verschillende frequenties te versterken, zodat je ze grofweg kunt opdelen en een specifieke analyse van een bepaald component kunt maken.
Plaatsingstijd: 12 juli 2024
