Diagrama de Nyquist para la medición de impedancia de baterías de iones de litio
¿Qué es el gráfico de Nyquist (gráfico de Cole-Cole)?
Un diagrama de Nyquist es un gráfico que traza los valores de impedancia medidos en múltiples frecuencias. La impedancia es un parámetro que contiene los componentes de resistencia y reactancia.
Fig. 1: Diagrama típico de Nyquist de la resistencia interna de una batería de iones de litio
¿Cuál es el método de medición de la impedancia?
Es un método para medir la impedancia mediante la aplicación de una señal de CA. La señal de CA utilizada para medir la impedancia de una batería suele tener una frecuencia fija de 1 kHz. También existe un método para medir la impedancia utilizando varias frecuencias en lugar de una sola frecuencia. Se llama espectroscopia de impedancia electroquímica o EIS. Este método no requiere desmontar la batería, por lo que proporciona una forma segura y no destructiva de observar el comportamiento dentro de una batería.
La resistencia interna de la batería en general se puede dividir ampliamente en las siguientes tres categorías.
1. Resistencia a los electrolitos
2. Resistencia de reacción
3. Resistencia a la difusión
Como se muestra en la Fig. 2, los fenómenos físicos que dominan la impedancia difieren según la banda de frecuencia. Por ejemplo, la impedancia a altas frecuencias (alrededor de 1 kHz) se debe principalmente a la migración de iones de litio en el electrolito. La difusión de iones de litio ocurre dentro del electrodo a bajas frecuencias (menos de 1 Hz) y las reacciones de transferencia de iones de litio a frecuencias intermedias (de 1 a varios cientos de Hz). En otras palabras, un análisis detallado del diagrama de Nyquist nos permite evaluar varios fenómenos en diferentes partes de la batería.
Fig. 2: Relación típica entre el diagrama de Nyquist y la resistencia interna de una batería
Un método de análisis típico se conoce como análisis de circuito equivalente, que utiliza un modelo de circuito equivalente como se muestra en la Fig. 3. En el modelo de circuito, cada fenómeno dentro de la batería se modela mediante diferentes elementos de circuito equivalente. Se puede considerar que los valores de los elementos calculados por el análisis indican las características de los fenómenos físicos representados por los elementos.
Fig. 3: Ejemplo de diagrama de Nyquist y modelo de circuito equivalente
Aplicaciones
1. Comprobación del nivel de deterioro de la batería
Como se muestra en la Fig. 4, existe una diferencia significativa en la resistencia de reacción entre una batería de iones de litio prístina y una degradada. En aplicaciones que involucran carga y descarga a bajas temperaturas o carga y descarga profunda (SOC entre 0% y 100%), es probable que ocurra degradación. La degradación de la resistencia a la transferencia de carga es particularmente notable en el diagrama de Nyquist como resistencia de reacción.
Fig. 4: Comparación de los datos medidos para baterías de iones de litio prístinas y deterioradas con el diagrama de Nyquist
2. Identificar los factores de deterioro de la batería
Las causas de los defectos de las celdas de la batería se pueden identificar midiendo la impedancia de CA a múltiples frecuencias. Por ejemplo,
Cuando R1 es mayor: Disminución de la concentración de electrolito, o el electrodo puede tener una soldadura deficiente.
Cuando R2 es mayor: Es posible que haya ocurrido una falla durante el proceso de producción del electrodo, o que el electrodo reaccione mal en su superficie.
Soluciones propuestas por Hioki
1. Instrumentos de medida
| Modelo del Producto | BT4560 | IM3590 | IM3536-01+9268-10 |
|---|---|---|---|
| Objetivo | línea de producción de células, Para I+D (Investigación y Desarrollo) | Para I+D (Investigación y Desarrollo) | Para I+D (Investigación y Desarrollo) |
| Tipo de batería apropiado | Batería de iones de litio | Batería de estado sólido | Batería de estado sólido |
| Voltaje de batería medible | 5 V máx. | 5 V máx. | 10 V máx. |
| Tipo de rango de frecuencia | 0,1 Hz a 1,05 kHz *0,04 Hz a 10 kHz | 1 mHz a 200 kHz | 4 Hz a 10 MHz |
- * Especificación especial
2. Medición y Evaluación Múltiple
El SW1001 y el SW1002 son mainframes de conmutación para módulos multiplexores que le permiten probar baterías rápidamente y en más de un canal. Utilice uno de ellos en combinación con el BT4560 o el IM3590 para realizar mediciones de gráficos de Nyquist multicanal.
3. Multiparcela
"Multi-plot", una aplicación web gratuita, le permite dibujar un diagrama de Nyquist simplemente cargando un archivo en su navegador web. Dibuje libremente el diagrama de Nyquist sin ningún límite en la cantidad de puntos que se pueden dibujar de un archivo o la cantidad de gráficos que se pueden superponer. Los ejes horizontal y vertical se escalan automáticamente en función de los gráficos que se representan. Los archivos adquiridos con diferentes instrumentos de medición también se pueden superponer para su comparación y análisis.
La sociedad sostenible no se puede realizar sin el desarrollo y la producción de baterías de alta calidad. En Hioki ofrecemos una amplia gama de soluciones de medición de baterías.