Обеспечение качества измерений электрохимической импедансной спектроскопии в мощных системах

Для изучения электрохимических реакций и поведения батарей можно использовать различные методы и оборудование.

Измерения EIS и мощные системы

Интерес к сектору аккумуляторных батарей частично обусловлен растущей потребностью в высоко автономных и портативных электронных устройствах повседневного пользования (смартфоны, ноутбуки и т.д.). Однако проблемы, возникающие в секторах электротранспорта и хранения энергии, часто тесно связаны с разработкой аккумуляторных батарей. Батареи, создаваемые для современного применения, часто представляют собой системы высокой мощности. Такие системы считаются "мощными", если они могут выдавать мощность более 100-500 Вт. Это может быть аккумулятор в виде соединенных элементов, или это может быть один большой отдельный элемент батареи.

Получение хороших измерений импеданса на мощной аккумуляторной батарее может оказаться сложной задачей для некоторых потенциостатов/гальваностатов. Действительно, такие приборы требуют возможностей, которые иногда противоречат друг другу. С одной стороны, технология, используемая для повышения мощности потенциостата, замедляет его отклик, с другой стороны, высокочастотные измерения импеданса требуют быстрой гальваностатической системы.  Это все равно, что требовать от автомобиля, чтобы он был таким же мощным, как грузовик, и таким же быстрым, как Формула-1. Способность грузовика перевозить тяжелые грузы представляет собой способность потенциостата подавать большой ток на ячейку. Скорость болида "Формулы-1" представляет способность потенциостата подавать высокочастотные сигналы.

Рисунок 1: Аналогия грузовика и гоночного автомобиля Формулы-1

Ключом к решению такой дилеммы, как это часто бывает, является баланс. Выбор электрохимического прибора и его настройки должны быть адаптированы к экспериментам и тестируемому устройству. BioLogic предлагает широкий спектр решений для удовлетворения таких потребностей. В этой статье будут представлены типичные графики импеданса, полученные при тестировании систем батарей, а затем будет изучено качество измерений импеданса, выполненных на одном мощном батарейном элементе.

Уникальные показатели качества электрохимической импедансной спектроскопии (EIS QI) показаны здесь для демонстрации качества измерений EIS, выполненных на батарее Samsung SDI 94 Ah.

 

Высокотоковый потенциостат BioLogic для электрохимической импедансной спектроскопии

Гальваностатическая электрохимическая импедансная спектроскопия (GEIS) может быть выполнена на мощных батареях с помощью внешнего усилителя BioLogic FlexP, управляемого потенциостатом существенного диапазона. Диаграмма импеданса Найквиста, представленная на рисунке 2, является типичным графиком, который можно получить с помощью такой установки на системе батарей.

Рисунок 2: График Найквиста измерений EIS, выполненных с помощью потенциостата VMP3, подключенного к внешнему усилителю FlexP 0060

 

Показатели качества : важная проверка качества

Качество измерения оценивается по его линейности на высоких частотах. Полное гармоническое искажение (THD) - это показатель качества импеданса (QI), выраженный в процентах, который показывает, достаточно ли мала амплитуда модуляции тока или потенциала, приложенная к системе, чтобы считать, что система ведет себя линейно. Если значение THD отклика системы ниже 5 %, как правило (но не всегда), это свидетельствует о надежности данных импеданса.

В данной статье значение THD используется не для характеристики отклика системы, а для характеристики потенциостатов BioLogic при измерениях, в частности при измерениях GEIS (гальвано-электрохимической спектроскопии импеданса). С этой целью значение THD I, т.е. THD стимула для измерений GEIS, изучается для наблюдения за линейностью потенциостата и во избежание любой неправильной интерпретации, исходящей из поведения батареи.

На рисунке 3 показано качество измерений, выполненных на батарее SSamsung SDI 94 Ah с внешним усилителем BioLogic FlexP 0012, управляемым потенциостатом SP-150.

Установка потенциостат + усилитель оказалась в приемлемых пределах (т.е. THD входного сигнала ниже нескольких %) для измерений амплитуды 10 А и частоты от 0,1 Гц до 1 кГц. 10 A составляет около 10 % емкости батареи (1 C/1 ч).

Следует отметить, что потенциостат имеет хорошие показатели EIS для частот от 2 кГц до 0,1 Гц. Для более высоких частот входной сигнал вызывает нелинейность.

Тесты с применением переменного тока обычно используются для проведения испытаний на одной частоте (обычно 1 кГц) для получения информации о внутреннем сопротивлении батареи. В нашем случае для частоты 1 кГц значение THD I низкое (2,8 %). Это указывает на то, что потенциостат SP-150e, соединенный с внешним усилителем FlexP 0012, может быть использован для проведения испытаний переменного тока на частоте 1 кГц.

Рисунок 3: Индикатор качества THD I в зависимости от частоты измерений EIS, выполненных с помощью потенциостата SP-150e , подключенного к внешнему усилителю FlexP 0012

Те же эксперименты были проведены с различными конфигурациями потенциостатов / гальваностатов и бустеров BioLogic. Результаты обобщены в Таблице I ниже.

Таблица I: Результаты измерений EIS для частоты 1 кГц с амплитудой переменного тока 10 А на батарее Samsung 94 Ач.

Следует отметить, что чем мощнее прибор, тем выше значение THD I. Это подтверждает аналогию, описанную в начале статьи: очень трудно иметь высокую мощность и высокую скорость одновременно для одного электрохимического устройства.

Тем не менее, значение THD I очень низкое для всех этих экспериментов, что означает, что мощные приборы BioLogic могут выполнять надежные измерения импеданса.