Gráfico de Nyquist para Medição de Impedância de Baterias de Íons de Lítio
O que é o gráfico de Nyquist (trama de Cole-Cole)?
Um gráfico de Nyquist é um gráfico que traça valores de impedância medidos em múltiplas frequências. A impedância é um parâmetro que contém os componentes de resistência e reatância.
Fig. 1: Gráfico típico de Nyquist da resistência interna de uma bateria de íons de lítio
Qual é o método de medição de impedância?
É um método de medição de impedância aplicando um sinal AC. O sinal AC usado para medir a impedância de uma bateria geralmente tem uma frequência fixa de 1 kHz. Existe também um método para medir a impedância usando várias frequências em oposição a uma única frequência. É chamado de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica, ou EIS. Este método não requer desmontagem da bateria, por isso fornece uma maneira segura e não destrutiva de observar o comportamento dentro de uma bateria.
A resistência interna da bateria em geral pode ser dividida nas três categorias a seguir.
1. Resistência eletrolítica
2. Resistência de reação
3. Resistência à difusão
Conforme mostrado na Fig. 2, os fenômenos físicos que dominam a impedância diferem dependendo da banda de frequência. Por exemplo, a impedância em altas frequências (cerca de 1 kHz) é causada principalmente pela migração de íons de lítio no eletrólito. A difusão de íons de lítio ocorre dentro do eletrodo em baixas frequências (menos de 1 Hz) e reações de transferência de íons de lítio em frequências intermediárias (1 a várias centenas de Hz). Em outras palavras, uma análise detalhada do gráfico de Nyquist nos permite avaliar vários fenômenos em diferentes partes da bateria.
Fig. 2: Relação típica entre o gráfico de Nyquist e a resistência interna de uma bateria
Um método de análise típico é conhecido como análise de circuito equivalente, que usa um modelo de circuito equivalente como mostrado na Fig. 3. No modelo de circuito, cada fenômeno dentro da bateria é modelado por diferentes elementos de circuito equivalente. Os valores dos elementos calculados pela análise podem ser considerados para indicar as características dos fenômenos físicos representados pelos elementos.
Fig. 3: Exemplo de gráfico de Nyquist e modelo de circuito equivalente
Formulários
1. Verificando o nível de deterioração da bateria
Conforme mostrado na Fig. 4, há uma diferença significativa na resistência da reação entre uma bateria de íon de lítio pura e degradada. Em aplicações que envolvem carga e descarga em baixas temperaturas ou carga e descarga profunda (SOC entre 0% e 100%), é provável que ocorra degradação. A degradação da resistência à transferência de carga é particularmente perceptível no gráfico de Nyquist como resistência à reação.
Fig. 4: Comparando os dados medidos para baterias de íons de lítio imaculadas e deterioradas com o gráfico de Nyquist
2. Identifique os fatores de deterioração da bateria
As causas dos defeitos das células da bateria podem ser identificadas medindo a impedância CA em várias frequências. Por exemplo,
Quando R1 é maior: Diminuindo a concentração de eletrólitos, ou o eletrodo pode ter soldagem ruim.
Quando R2 é maior: pode ter ocorrido uma falha durante o processo de produção do eletrodo ou o eletrodo pode reagir mal em sua superfície.
Soluções propostas por Hioki
1. Instrumentos de medição
| Modelo do produto | BT4560 | IM3590 | IM3536-01+9268-10 |
|---|---|---|---|
| Propósito | Linha de produção de células, Para P&D (Pesquisa e Desenvolvimento) | Para P&D (Pesquisa e Desenvolvimento) | Para P&D (Pesquisa e Desenvolvimento) |
| Tipo de bateria apropriado | Bateria de íon de lítio | Bateria totalmente em estado sólido | Bateria totalmente em estado sólido |
| Tensão da bateria mensurável | 5 V máx. | 5 V máx. | 10 V máx. |
| Tipo de faixa de frequência | 0,1 Hz a 1,05 kHz *0,04 Hz a 10 kHz | 1 mHz a 200 kHz | 4Hz a 10MHz |
- * Especificação especial
2. Medição e Avaliação Múltipla
O SW1001 e o SW1002 são mainframes comutadores para módulos multiplexadores que permitem testar baterias rapidamente e em mais de um canal. Use um deles em combinação com o BT4560 ou o IM3590 para realizar medições de plotagem de Nyquist multicanal.
3. Multiparcela
"Multi-plot", um aplicativo gratuito da web, permite que você desenhe um gráfico Nyquist simplesmente carregando um arquivo em seu navegador da web. Desenhe livremente o gráfico de Nyquist sem limites no número de pontos que podem ser desenhados de um arquivo ou no número de gráficos que podem ser sobrepostos. Os eixos horizontal e vertical são dimensionados automaticamente com base nos gráficos que estão sendo renderizados. Arquivos adquiridos com diferentes instrumentos de medição também podem ser sobrepostos para comparação e análise.
A sociedade sustentável não pode ser realizada sem o desenvolvimento e produção de baterias de alta qualidade. Nós da Hioki oferecemos uma ampla gama de soluções de medição de baterias.