İçeriğe atla
Wattality
ENTR
Teknoloji

Teknoloji · Empedans spektroskopisi

Empedans spektrumu, hücrenin iç süreçlerini hızlarına göre birbirinden ayırır.

Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), hücreye küçük bir alternatif akım uygular ve gerilim cevabını geniş bir frekans aralığında ölçer. Ortaya çıkan spektrum; iletim direncini, elektrot yüzeyindeki reaksiyonu ve lityumun elektrot malzemesi içindeki hareketini ayrı ayrı gösterir. Kapasite, güç ve bakım kararlarının ihtiyaç duyduğu hücre bilgisi bu ayrımdan gelir.

İlke

Küçük bir uyarım, iki ölçüm: genlik ve faz.

Hücreye küçük bir sinüzoidal akım uygulanır; hücre aynı frekansta bir gerilim dalgasıyla cevap verir. Uyarım küçük tutulur, çünkü yöntem hücrenin doğrusal davrandığı bölgede geçerlidir ve ölçüm hücrenin çalışma noktasını değiştirmemelidir. Aynı ölçüm yüksek frekanstan düşük frekansa doğru tekrarlanır.

Z(f) = V(f) / I(f) = Z′ + jZ″

Uyarım ve cevap
Şematik
t312
  1. Akım genliği
  2. Gerilim genliği
  3. Faz kayması φ
Akım uyarımıGerilim cevabı
  1. 01

    Genlik oranı

    Gerilim genliğinin akım genliğine oranı, empedansın büyüklüğüdür: hücrenin o frekansta akıma ne kadar karşı koyduğunu gösterir.

  2. 02

    Faz açısı

    Gerilim dalgasının akım dalgasından ne kadar geride kaldığıdır. Sıfır faz saf direnci, büyüyen gecikme kapasitif davranışı gösterir.

  3. 03

    Frekans taraması

    Her iç süreç kendi zaman ölçeğinde cevap verir: iyon iletimi anında, yüzey reaksiyonu daha yavaş, difüzyon en yavaş. Frekansı taramak bu süreçleri birbirinden ayırır.

Spektrumu okumak

Nyquist eğrisinde her bölge bir fiziksel süreçtir.

Nyquist eğrisi her frekanstaki empedansı tek bir nokta olarak çizer: yatay eksende gerçel kısım, dikey eksende sanal kısmın negatifi. Frekans soldan sağa doğru azalır; yüksek frekanslar hızlı süreçleri, düşük frekanslar yavaş süreçleri gösterir.

Nyquist eğrisi
Şematik
Z′−Z″123f ↓4
  1. Ohmik direnç · yüksek frekans
  2. SEI ve yük transferi yayları · orta frekans
  3. Difüzyon kuyruğu, Warburg · düşük frekans
  4. Frekans soldan sağa azalır

Çok yüksek frekansta eğri eksenin altına iner. Bu bölüm kabloların ve hücre yapısının endüktansından gelir.

  1. 1

    Ohmik direnç

    Eğrinin yüksek frekansta yatay ekseni kestiği nokta. R0; elektrolitin, ayırıcının, akım toplayıcıların ve bağlantıların toplam seri direncidir. Yük altındaki anlık gerilim düşümünü ve hücrenin ürettiği ısının bir bölümünü belirler.

  2. 2

    Yaylar: SEI ve yük transferi

    Orta frekanslardaki yaylar. Anot yüzeyindeki katı elektrolit ara fazı (SEI) içinden iyon geçişi ve elektrot yüzeyindeki yük transfer reaksiyonu burada görünür. Yayın genişliği, o sürecin karşılaştığı direnci gösterir; iki süreç çoğu zaman üst üste binmiş iki yay olarak çıkar.

  3. 3

    Difüzyon kuyruğu (Warburg)

    Düşük frekansta, ideal durumda yaklaşık 45 derecelik eğimle yükselen çizgi. Lityumun elektrot parçacıkları içinde ve elektrolitte difüzyonla taşınmasını gösterir. En yavaş süreçtir; ölçülmesi de en uzun süreyi alır.

Eşdeğer devre

Eşdeğer devre, spektrumu zaman içinde izlenebilen parametrelere çevirir.

Spektrum, her süreci bir devre elemanıyla temsil eden bir modele oturtulur. En yaygın başlangıç Randles devresidir: seri direnç R0, ardından çift katman kapasitansı Cdl ile paralel bağlı bir kol. Bu kolda yük transfer direnci Rct ile difüzyonu temsil eden Warburg elemanı W seri durur. Gerçek hücrelerde ideal kapasitör yerine çoğunlukla sabit faz elemanı (CPE), SEI için de ek bir RC kolu kullanılır.

Modelin parametreleri zaman içinde izlenebilen sayılardır. Hücrenin durumu, tek bir ölçümden çok bu sayıların eğiliminden okunur.

Randles eşdeğer devresi
Şematik
R0CdlRctW
  1. R0 · seri (ohmik) direnç
  2. Cdl · çift katman kapasitansı
  3. Rct · yük transfer direnci
  4. W · Warburg difüzyon elemanı

Yaşlanma ve arıza

Her yaşlanma mekanizması spektrumun farklı bir bölgesinde iz bırakır.

Aynı hücrenin farklı zamanlarda alınmış iki spektrumu karşılaştırıldığında, değişimin nereden geldiği görülür. Bu yorum genel elektrokimyaya dayanır; bir hücrenin gerçek durumu sıcaklığı, doluluk seviyesi ve geçmişiyle birlikte değerlendirilir.

Yeni ve yaşlanmış hücre
Şematik
Z′−Z″12
  1. Seri direnç artar, eğri sağa kayar
  2. Yaylar büyür: SEI ve yük transfer direnci artar

Yalnızca şekil; eksenlerde değer yoktur.

Yeni hücreYaşlanmış hücre
  1. 01

    Ohmik direncin artması

    Eğri sağa kayar. Elektrolitin ayrışması, bağlantıların ve akım toplayıcıların bozulması bu kaymaya yol açar.

  2. 02

    SEI büyümesi

    SEI yayı genişler. Anot yüzeyindeki katman kalınlaştıkça iyonlar bu katmandan daha zor geçer; katmanı büyüten reaksiyon da aktif lityumu tüketir.

  3. 03

    Aktif malzeme kaybı

    Yük transfer yayı büyür. Parçacıkların çatlaması ya da elektrotla temasını kaybetmesi reaksiyon yüzeyini azaltır; aynı akım daha küçük bir yüzeyden geçmek zorunda kalır.

  4. 04

    Lityum kaplama

    Düşük sıcaklıkta ya da hızlı şarjda lityum, anot yüzeyinde metal olarak birikebilir. Bu, yük transfer bölgesinde, en çok şarjdan hemen sonra görülen değişimler bırakır; tek bir spektrumdan çok, değişimin zaman içindeki seyri anlamlıdır.

  5. 05

    Sıcaklık

    Sıcaklık düştüğünde yük transferi ve difüzyon yavaşlar, yaylar büyür. Bu yaşlanma değildir; bu yüzden her spektrum ölçüldüğü sıcaklıkla birlikte yorumlanır.

Sahada ölçmek

EIS’i laboratuvardan çıkarıp çalışan sistemin içine, hücre hücre taşıyoruz.

Laboratuvarda hücre dinlenmeye alınır, sabit sıcaklıkta tutulur ve bir ölçüm cihazına bağlanır. Batarya kararları ise sahada, yük altındaki sistemde verilir. Ölçümü sahaya taşımak dört mühendislik problemini birlikte çözmeyi gerektirir.

  1. 01

    Çalışma sırasında uyarım

    Hücre zaten bir yük akımı taşır. Uyarımı bu akımın üzerine bindirecek ve cevabı yük akımından ayıracak şekilde tasarlıyoruz; uyarım, sistemin işletmesini etkilemeyecek kadar küçük tutulur.

  2. 02

    Gürültü

    Güç dönüştürücülerinin anahtarlama gürültüsü ve ani yük değişimleri, hücrenin küçük gerilim cevabını örtebilir. Ölçüm elektroniğini ve sinyal işlemeyi bu ortam için birlikte tasarlıyoruz.

  3. 03

    Sıcaklık

    Spektrum sıcaklıkla değişir. Her ölçüm hücre sıcaklığıyla birlikte kaydedilecek şekilde tasarlanıyor; sıcaklığın etkisini yaşlanmanın etkisinden ayıran modeller geliştiriyoruz.

  4. 04

    Zaman ve ölçek

    Bir depolama sisteminde çok sayıda hücre vardır ve her ölçüm diğerleriyle karşılaştırılabilir olmalıdır. Her ölçümü aynı saate bağlayacak şekilde tasarlıyoruz; böylece farklı hücrelerin spektrumları ve sistemdeki olaylar tek bir zaman ekseninde okunabilir.

Yaklaşımımız

Ölçüm elektroniği ve modeller, birlikte.

Sense, batarya modülünün üzerinde duran ölçüm kartı olarak geliştiriliyor. Gerilimi, sıcaklığı ve empedansı ölçmek; spektrumu kart üzerinde çalışan modellerle hücrenin iç direnci ve kimyasal durumuna ilişkin göstergelere çevirmek üzere tasarlanıyor.

Tasarlanan veri akışı

  1. Sense

    Hücre

    Uyarım, cevap ve spektrum; yorum kart üzerinde.

  2. Core

    Paket ve konteyner

    Hücre göstergeleri dengeleme, koruma ve kullanılabilir kapasite kararlarına girer.

  3. Tesis

    Tesis seviyesi

    Hücrelerden gelen sağlık bilgisi, tesisin kapasite ve arıza kararlarına girer.

Devamı

Teknoloji sayfasına dön
Sense’i inceleyin
LFP'de şarj durumunu tahmin etmek neden zor, hibrit yöntem bunu nasıl çözer
Kullanılabilir kapasite sabit bir sayı değildir

Hücre ölçümünü konuşalım.

Ölçüm yaklaşımımız, Sense ve birlikte çalışma için bize yazın.

Bize ulaşıninfo@wattality.com