Nell’ottica di realizzare batterie sempre più efficienti, di dimensioni compatte e capaci di un ciclo di vita sempre più lungo, la sfida principale è quella di individuare delle tecniche che possano dare informazioni sul degrado delle batterie senza andare ad interrompere in modo significativo l’operatività della cella.
Prodotti in evidenza
Analisi dei processi dinamici che si verificano all’interno di una batteria
EIS (Electrochemical impedance spectroscopy) è un metodo molto efficace e non distruttivo per l’analisi dei processi dinamici che si verificano all’interno di una batteria. Andiamo ora in maggior dettaglio sulle misure che si possono effettuare.
Individuare le cause dei difetti delle celle in una batteria è possibile misurando l’impedenza in CA a frequenze multiple. Ad esempio, è possibile individuare le batterie che presentano problemi di reazioni sull’interfaccia degli elettrodi controllando l’impedenza a basse frequenze.
Hioki ha quindi realizzato un misuratore d’impedenza specifico: il BT4560.
Esempio di misurazione
Le reazioni chimiche nelle batterie coinvolgono diversi processi e ciascun processo ha una propria velocità di reazione. Scansionando la frequenza e misurando l’impedenza è possibile valutare separatamente le caratteristiche di ciascuna parte. Questo consente di individuare i fattori di deterioramento della batteria. Il risultato della misura viene rappresentato in un grafico chiamato COLE-COLE PLOT o anche NYQUIST PLOT.
Nell’immagine a lato: esempio di Diagramma COLE-COLE e circuito equivalente di una batteria al litio.
Alcune batterie agli ioni di litio ad alta capacità hanno un’impedenza interna inferiore a 1 mΩ. Il BT4560 è in grado di misurare impedenze bassissime di 1 mΩ o minori, con stabilità e ripetibilità. Il metodo a quattro coppie di terminali riduce gli effetti dei campi magnetici indotti, come il percorso dei cavi, le correnti parassite causate dal metallo circostante e le interferenze quando più unità sono in uso contemporaneamente. Di seguito un grafico tipico di una situazione in cui la batteria è integra.
Nell’immagine qui a fianco il diagramma invece è relativo al test su una batteria degradata.
Rispetto al metodo convenzionale a quattro terminali, la stabilità dello strumento di misura incorporato nella linea di produzione è migliorata.
Configurazioni per ridurre i tempi di misura
Il tester d’impedenza può essere integrato con altri strumento e/o accessori. Vediamo ora un esempio di misurazione che combina l’utilizzo del misuratore d’impedenza ad una matrice di Switch in grado di gestire i collegamenti con un pacco batterie. Questa è la configurazione ottimale per una riduzione dei tempi di misura: insieme al tester d’impedenza BT4560, uno switch Mainframe (SW 100x) corredato delle opportune schede di input (SW 900x) in base al metodo di misura (2-wire, 4-wire, 4 terminal pair) ed al numero di canali necessari. Si può arrivare a gestire fino a 264 canali (collegamento 2-wire), 132 canali (4-wire) e 72 (4 terminal pair).
Nella foto che vediamo a lato, la EIS (spettroscopia di impedenza elettrochimica) per ciascuna delle sei batterie LIB di taglia 18650 viene misurata automaticamente e gestita da switch mainframe SW1001.
Un ulteriore parametro che indica la qualità e lo stato di salute della batteria è la misura della tensione a circuito aperto (OCV). Anche le batterie a stock, non ancora utilizzate, sono soggette ad un processo di invecchiamento che si manifesta con la creazione di micro-scariche tra il polo positivo e quello negativo. Questo fenomeno provoca una diminuzione della tensione a circuito aperto. Questo tipo di fenomeno non è rilevabile con il semplice test d’isolamento.
È necessario impostare il test realizzando la misura OCV durante il processo di invecchiamento.
La variazione dell’OCV è molto piccola. Per questo motivo va impostata adeguatamente la lunghezza del test. BT4560 è teoricamente in grado di realizzare anche la misura della variazione di tensione a circuito aperto; tuttavia, è consigliato utilizzare un voltmetro che offre un’eccellente precisione dell’ordine di μV, in modo da poter rilevare minuscole variazioni di tensione. Per questo motivo, si introduce nel sistema di misura il DM7276, voltmentro di precisione. Nell’immagine a fianco è rappresentato un tipico setup di un sistema completo in grado di testare con lo switch mainframe SW1002 fino a 72 canali 72 4 terminal pair.
Completa il tutto, un software per PC gratuito che permette di gestire l’intero sistema e realizzare la serie completa di misure
Strumentazione utilizzata
- Misuratore d’impedenza per batterie BT4560 con funzione di scansione della frequenza
- Misuratore d’impedenza per batterie BT4560
• Misura dell’AC-IR a bassa frequenza per gestire la resistenza di reazione della batteria
• Garantisce la qualità delle celle di batteria misurando l’impedenza interna a bassa frequenza pari a 1 Hz o inferiore
• Misure estremamente affidabili per batterie a bassa impedenza
• Funzione integrata di controllo del contatto
- Mainframe interruttori SW1001/SW1002
• Modulo multiplexer per fornire una rapida misura multicanale della EIS della batteria, fino a 18/72 (4 therminal pair)
• Circuiteria semplice per facilitare il cablaggio per la misura dell’impedenza riducendo al minimo gli errori fra i canali
• Facile avvio di più misure della EIS con software applicativo gratuito per PC
- Voltmetro di precisione DM7276
• Voltmetro CC ad alta precisione da 7-1/2 cifre, 9 ppm per batterie agli ioni di litio
• Controllo dei contatti della capacità (utilizzando il monitor C integrato)
