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Misurazione dell'ACIR delle celle agli ioni di litio

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La resistenza interna è un parametro fondamentale da considerare quando si scelgono gli ioni di litio per la propria applicazione. Questo articolo illustra le caratteristiche della resistenza interna ac (ACIR) e le migliori pratiche per effettuare le misure ACIR.

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Cosa imparerete:

. Informazioni specifiche sulla resistenza ac e sul motivo per cui l'ACIR è diventata una misura standard per gli ioni di litio.

. La frequenza di test di 1 kHz per l'ACIR e perché è la frequenza di riferimento.

. Confronto tra il test ACIR e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS).

La resistenza interna delle celle agli ioni di litio è una misura importante da effettuare perché la resistenza interna della cella può determinare l'idoneità della cella per una particolare applicazione. Può essere utilizzata come indicatore di qualità nella produzione, nonché per determinare l'invecchiamento o l'usura della cella.

La resistenza interna può essere misurata come resistenza interna ac (ACIR) o resistenza interna dc (DCIR). La resistenza interna può anche essere ricavata dalla misurazione dello spettro di impedenza della cella, acquisita dalla strumentazione di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS).

Mentre le misure ACIR sono abbastanza comuni e in qualche modo standardizzate quando si misurano le celle agli ioni di litio, le misure DCIR non sono standard e sono generalmente fraintese. Il DCIR viene talvolta chiamato in modo intercambiabile anche test a impulsi, il che può generare ulteriore confusione.

In questo articolo mi concentrerò sull'ACIR. Per maggiori informazioni sul DCIR, vi invito a leggere il mio articolo dedicato al DCIR.

Che cos'è l'ACIR?

Per misurare l'ACIR, si fa passare un segnale ac, tipicamente una corrente ac (Iac), attraverso la cella e si misura la risposta di tensione (Vac) della cella. La corrente alternata è solitamente di circa 100 mA e la frequenza è di 1000 Hz.

Poiché la misura è effettuata con un segnale ac, il risultato è una misura di impedenza; per essere una misura di resistenza, lo stimolo dovrebbe essere dc. L'impedenza a 1 kHz è calcolata come Vac/Iac. Quando si misura l'impedenza, può verificarsi uno sfasamento tra Iac e Vac. Per semplicità, la parte reale (dc) dell'impedenza Vac/Iac è chiamata ACIR.

È improbabile che un'applicazione reale della cella presenti un carico di corrente sinusoidale a 1 kHz sulla cella. Pertanto, questa misura di ACIR non riflette il comportamento della cella in un'applicazione reale. Tuttavia, l'ACIR è diventato un metodo standard per valutare la resistenza della cella, soprattutto quando si confrontano le celle per determinare quale abbia una resistenza maggiore.

Perché si usa 1 kHz come frequenza di prova per l'ACIR?

L'utilizzo di 1 kHz ha diverse ragioni:

. 1 kHz è una frequenza sufficientemente alta da rendere invisibili i processi elettrochimici a bassa frequenza, in modo da ottenere una misura che cattura le componenti ohmiche resistive.

. 1 kHz è sufficientemente basso da far sì che qualsiasi capacità o induttanza parallela della cella, nonché la capacità e l'induttanza del cablaggio di prova, non influiscano significativamente sul valore di resistenza misurato.

. A 1 kHz, i valori di resistenza misurati dipendono meno dallo stato di carica della cella (SoC) o dalla temperatura, rispetto alle frequenze più basse.

. La strumentazione che effettua misure a 1 kHz è facile da costruire in modo accurato, affidabile ed economico, rispetto alla strumentazione che opera a frequenze più basse e più alte.

. Infine, è tradizione utilizzare 1 kHz, come descritto nella sezione successiva.

Lezione di storia: L'ACIR deriva dal misuratore LCR

L'uso di 1 kHz come segnale di stimolo ac riporta al metodo tradizionale di misurazione dell'impedenza: il misuratore LCR. Un misuratore LCR è un tipo di strumento di test elettronico utilizzato per misurare l'induttanza (L), la capacità (C) e la resistenza (R) di un componente elettronico. Poiché può misurare la resistenza in base all'impedenza, un misuratore LCR può essere utilizzato per misurare la resistenza interna ac di una cella.

Il misuratore LCR applica una corrente sinusoidale a 1 kHz nella cella, quindi misura la tensione attraverso la corrente che attraversa la cella. Da questo rapporto, il misuratore può determinare l'entità dell'impedenza. In questo modo, misura l'ACIR esattamente come uno strumento dedicato alla misura dell'ACIR, anche se il misuratore LCR può misurare molto di più dell'ACIR.

Ad esempio, il misuratore LCR di precisione Keysight E4980A (Fig. 1) può essere configurato per misurare con precisione l'ACIR della cella in esame. L'impostazione del test è descritta nel Manuale di misurazione dell'impedenza di Keysight Technologies.

Come si confronta l'ACIR con l'EIS?

Sia l'ACIR che l'EIS fanno passare una corrente alternata attraverso la cella e ne misurano la risposta in tensione. La differenza principale è che l'ACIR viene completato a 1 kHz e l'EIS viene completato su un'ampia gamma di frequenze facendo passare la corrente di stimolo ac da mHz a 30 kHz o anche più in alto.

Durante lo sweep, a ogni frequenza, l'impedenza Z è il rapporto tra la tensione e la corrente applicata al sistema Z = V/I e comprende la magnitudine (reale) e la fase (immaginaria). Questo sweep di dati viene quindi tracciato utilizzando un diagramma di Nyquist, che riporta la magnitudine del valore reale sull'asse delle ascisse e la fase o l'immaginario sull'asse delle ordinate (Fig. 2). L'interpretazione del diagramma di Nyquist richiede un po' di fisica, intuizione e/o l'uso di circuiti elettrici equivalenti.

Mentre l'ACIR esamina solo la risposta a una frequenza per determinare la resistenza interna a quella frequenza, l'EIS può rivelare molto di più sulla cella in esame (vedi tabella sotto):

. La dipendenza dalla frequenza della risposta viene utilizzata per separare i diversi contributi della cella e consentire osservazioni indipendenti dei processi, come le diverse reazioni elettrochimiche, la diffusione degli ioni all'interno della cella e la resistenza del materiale.

. Esaminare diversi meccanismi di reazione

. Esaminare la dinamica dei processi elettrodici

. Valutare la qualità e la funzione del separatore

. Esaminare il comportamento dell'elettrolita solido interfase (SEI)

. Identificare lo stato di corrosione dell'elettrodo

. Valutare la SoC osservando le variazioni dell'EIS al variare della SoC

. Valutare il comportamento della cella rispetto alla temperatura osservando le variazioni dell'EIS al variare della temperatura

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