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 Widerstand gegen Stromfluss 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 Ladungsübertragungsimpedanz, 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, wenn Strom durch die Elektrode fließt. Er wird durch elektrochemische Reaktionen verursacht und ist nicht konstant; er ändert sich beim Laden und Entladen 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 wichtiger technischer Indikator für die Batterieleistung. Typischerweise deutet ein niedrigerer Innenwiderstand auf eine stärkere Fähigkeit zur Hochstromentladung hin, während ein höherer Innenwiderstand auf eine schwächere Entladefähigkeit hindeutet.
03. Was ist DCIR?
DCIR (Direct Current Internal Resistance) misst den Gesamtwiderstand innerhalb der Batterie, einschließlich ohmschen Widerstands, Grenzflächenimpedanz, Ladungstransferimpedanz, Diffusionsimpedanz, ohmschen Polarisationswiderstands, elektrochemischen Polarisationswiderstands und Konzentrationspolarisationswiderstands. Da Lithium-Ionen während des Tests erhebliche räumliche Veränderungen erfahren, spricht man vom dynamischen Widerstand.
DCIR wird getestet, indem die Batterie für eine bestimmte Dauer (t) mit einer bestimmten Stromstärke (I) 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 Effekte 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, 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 kommt es auch nicht zu einer Ladungsansammlung 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 Parameterbestimmung und eine effektive Methode zur Bestimmung des kinetischen Verhaltens von Batterien. Ein sinusförmiges Spannungssignal mit kleiner Amplitude und der Frequenz w1 wird an das Batteriesystem angelegt, woraufhin das System eine sinusförmige Stromantwort mit der Frequenz w2 erzeugt. 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 zum Prüfen 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, 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 an 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 zu unterteilen und eine spezifische Analyse einer bestimmten Komponente durchzuführen.
Veröffentlichungszeit: 12. Juli 2024
