พล็อต Nyquist สำหรับการวัดอิมพีแดนซ์ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
พล็อต Nyquist คืออะไร (พล็อต Cole-Cole)?
พล็อต Nyquist คือกราฟที่แสดงค่าอิมพีแดนซ์ที่วัดได้หลายความถี่ อิมพีแดนซ์เป็นพารามิเตอร์ที่มีส่วนประกอบความต้านทานและรีแอกแตนซ์
รูปที่ 1: พล็อต Nyquist ทั่วไปของความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
วิธีการวัดอิมพีแดนซ์คืออะไร?
เป็นวิธีการวัดอิมพีแดนซ์โดยใช้สัญญาณ AC สัญญาณ AC ที่ใช้ในการวัดอิมพีแดนซ์ของแบตเตอรี่มักจะมีความถี่คงที่ที่ 1 kHz นอกจากนี้ยังมีวิธีการวัดอิมพีแดนซ์โดยใช้ความถี่หลายความถี่ซึ่งต่างจากความถี่เดียว เรียกว่า Electrochemical Impedance Spectroscopy หรือ EIS วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องถอดแยกชิ้นส่วนแบตเตอรี่ ดังนั้นจึงเป็นวิธีที่ปลอดภัยและไม่ทำลายล้างในการสังเกตพฤติกรรมภายในแบตเตอรี่
ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่โดยทั่วไปสามารถแบ่งออกกว้างๆ ได้เป็นสามประเภทดังต่อไปนี้
1. ความต้านทานอิเล็กโทรไลต์
2. ความต้านทานปฏิกิริยา
3. ความต้านทานการแพร่กระจาย
ดังแสดงในรูปที่ 2 ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ครอบงำอิมพีแดนซ์แตกต่างกันไปตามย่านความถี่ ตัวอย่างเช่น อิมพีแดนซ์ที่ความถี่สูง (ประมาณ 1 kHz) ส่วนใหญ่เกิดจากการโยกย้ายลิเธียมไอออนในอิเล็กโทรไลต์ การแพร่กระจายของลิเธียมไอออนเกิดขึ้นภายในอิเล็กโทรดที่ความถี่ต่ำ (น้อยกว่า 1 Hz) และปฏิกิริยาการถ่ายเทลิเธียมไอออนที่ความถี่ปานกลาง (1 ถึงหลายร้อยเฮิรตซ์) กล่าวอีกนัยหนึ่ง การวิเคราะห์รายละเอียดของโครงเรื่อง Nyquist ช่วยให้เราสามารถประเมินปรากฏการณ์ต่างๆ ในส่วนต่างๆ ของแบตเตอรี่ได้
รูปที่ 2: ความสัมพันธ์ทั่วไประหว่างพล็อต Nyquist กับความต้านทานภายในของแบตเตอรี่
วิธีการวิเคราะห์ทั่วไปเรียกว่า การวิเคราะห์วงจรสมมูล ซึ่งใช้แบบจำลองวงจรสมมูลดังแสดงในรูปที่ 3 ในรูปแบบวงจร ปรากฏการณ์แต่ละอย่างภายในแบตเตอรี่ถูกจำลองด้วยองค์ประกอบวงจรสมมูลที่ต่างกัน ค่าองค์ประกอบที่คำนวณโดยการวิเคราะห์สามารถนำมาพิจารณาเพื่อระบุลักษณะของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แสดงโดยองค์ประกอบ
รูปที่ 3: ตัวอย่าง Nyquist Plot และ Equivalent Circuit Model
แอปพลิเคชั่น
1. ตรวจสอบระดับการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่
ดังแสดงในรูปที่ 4 ความต้านทานของปฏิกิริยาระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เก่าและเสื่อมโทรมมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการชาร์จและการคายประจุที่อุณหภูมิต่ำหรือการชาร์จและการคายประจุที่ลึก (SOC ระหว่าง 0% ถึง 100%) มีแนวโน้มว่าจะลดลง การเสื่อมสภาพของความต้านทานการถ่ายโอนประจุจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในแผนภาพ Nyquist ว่าเป็นความต้านทานของปฏิกิริยา
รูปที่ 4: การเปรียบเทียบข้อมูลที่วัดได้สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เก่าและเสื่อมสภาพกับแผนภาพ Nyquist
2. ระบุปัจจัยการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่
สาเหตุของข้อบกพร่องของเซลล์แบตเตอรี่สามารถระบุได้โดยการวัดอิมพีแดนซ์ AC ที่ความถี่หลายความถี่ ตัวอย่างเช่น,
เมื่อ R1 มีขนาดใหญ่ขึ้น: ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ลดลง หรืออิเล็กโทรดอาจมีการเชื่อมที่ไม่ดี
เมื่อ R2 มีขนาดใหญ่ขึ้น: อาจเกิดความล้มเหลวระหว่างกระบวนการผลิตอิเล็กโทรด หรืออิเล็กโทรดอาจตอบสนองได้ไม่ดีบนพื้นผิว
โซลูชั่นที่เสนอโดย ฮิโอกิ
1. เครื่องมือวัด
| รุ่นสินค้า | BT4560 | IM3590 | IM3536-01+9268-10 |
|---|---|---|---|
| วัตถุประสงค์ | สายการผลิตเซลล์ สำหรับ R&D (การวิจัยและพัฒนา) | สำหรับ R&D (การวิจัยและพัฒนา) | สำหรับ R&D (การวิจัยและพัฒนา) |
| ประเภทแบตเตอรี่ที่เหมาะสม | แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน | แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด | แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด |
| แรงดันแบตเตอรี่ที่วัดได้ | สูงสุด 5 V | สูงสุด 5 V | สูงสุด 10 V |
| ประเภทช่วงความถี่ | 0.1 Hz ถึง 1.05 kHz *0.04 Hz ถึง 10 kHz | 1 mHz ถึง 200 kHz | 4 Hz ถึง 10 MHz |
- * สเปคพิเศษ
เครื่องวัดความต้านทานแบตเตอรี่ BT4560
เครื่องวิเคราะห์อิมพีแดนซ์เคมี IM3590
เครื่องวัดแอลซีอาร์ IM3536
2. การวัดและประเมินผลหลายครั้ง
SW1001 และ SW1002 เป็นสวิตช์เมนเฟรมสำหรับโมดูลมัลติเพล็กเซอร์ที่ให้คุณทดสอบแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็วและมากกว่าหนึ่งช่องสัญญาณ ใช้หนึ่งในนั้นร่วมกับ BT4560 หรือ IM3590 เพื่อทำการวัดพล็อต Nyquist แบบหลายช่องสัญญาณ
3. หลายพล็อต
"Multi-plot" ซึ่งเป็นเว็บแอปพลิเคชันฟรี ช่วยให้คุณสามารถวาดพล็อต Nyquist ได้ง่ายๆ โดยการโหลดไฟล์ในเว็บเบราว์เซอร์ของคุณ วาดพล็อต Nyquist ได้อย่างอิสระโดยไม่จำกัดจำนวนจุดที่สามารถดึงจากไฟล์หรือจำนวนกราฟที่สามารถทับซ้อนกันได้ แกนแนวนอนและแนวตั้งจะได้รับการปรับขนาดโดยอัตโนมัติตามกราฟที่แสดงผล ไฟล์ที่ได้จากเครื่องมือวัดต่างๆ สามารถซ้อนทับกันเพื่อเปรียบเทียบและวิเคราะห์ได้
สังคมที่ยั่งยืนไม่สามารถเกิดขึ้นได้หากไม่มีการพัฒนาและผลิตแบตเตอรี่คุณภาพสูง พวกเราที่ ฮิโอกิ ขอเสนอโซลูชันการวัดแบตเตอรี่ที่หลากหลาย