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電池優(yōu)劣怎么測(cè)？電化學(xué)阻抗譜(EIS)幫您忙

  
  • 作者：yangjiaxu
  • 來(lái)源：世健&21ic
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  • 本帖最后由 yangjiaxu 于 2023-11-10 10:53 編輯 #申請(qǐng)?jiān)瓌?chuàng)# @21小跑堂電池優(yōu)劣怎么測(cè)？電化學(xué)阻抗譜(EIS)幫您忙 作者：21ic電子網(wǎng)工程師 ID：yangjiaxu 電池作為一種儲(chǔ)能裝置，在日常生活中經(jīng)常被用到。按照
電池優(yōu)劣怎么測(cè)？電化學(xué)阻抗譜(EIS)幫您忙
作者：21ic電子網(wǎng)工程師   ID：yangjiaxu


電池作為一種儲(chǔ)能裝置，在日常生活中經(jīng)常被用到。按照充電性質(zhì)區(qū)分，電池可分為一次性電池和充電電池兩類(lèi)，本文將分別以一次性堿性電池和可充電鋰電池為例。堿性電池用后不可再充電，因此基本不以電量多少來(lái)衡量，而是以工作電壓的大小為主，常見(jiàn)的有1.5V堿性電池、9V電池等。鋰電池則可以通過(guò)外部充電裝置進(jìn)行充電并支持循環(huán)使用，因此，現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備的電源基本都被鋰電池所替代。但由于廠家技術(shù)水平不同，市面上鋰電池的質(zhì)量參差不齊，因此，對(duì)鋰電池進(jìn)行快速檢測(cè)并判斷其質(zhì)量?jī)?yōu)劣極為重要。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健在儲(chǔ)能市場(chǎng)及相關(guān)電化學(xué)領(lǐng)域深耕多年，對(duì)市場(chǎng)一直保持著敏銳的洞察力。

世健發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)對(duì)于鋰電池的測(cè)試與檢測(cè)技術(shù)的要求越來(lái)越高，在保證電池穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上，迫切**能最大化地提升其性能。于是，世健技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于電化學(xué)阻抗譜(EIS)技術(shù)，自主研發(fā)了一款電化學(xué)阻抗譜測(cè)量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)。該模塊支持定頻和掃頻兩種工作模式，并具有高集成度和低成本等特點(diǎn)，特別適合小型化的手持式電池內(nèi)阻測(cè)試儀器，可助力快速測(cè)試測(cè)量鋰電池的具體電化學(xué)特征信息。那么，什么是電化學(xué)阻抗譜(EIS)呢？

一、電化學(xué)阻抗譜(EIS)的定義與硬件構(gòu)成
電化學(xué)阻抗譜是一種測(cè)量電化學(xué)系統(tǒng)中電化學(xué)反應(yīng)和電荷傳遞過(guò)程的技術(shù)。它通過(guò)在電化學(xué)系統(tǒng)中施加交流電信號(hào)，然后測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)來(lái)獲得信息，屬于一種無(wú)損的參數(shù)測(cè)定和有效的電池動(dòng)力學(xué)行為測(cè)定方法。一般影響電化學(xué)阻抗譜的結(jié)果主要有：被測(cè)電池的電池結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)、電池容量、電極材料和電池內(nèi)阻等等。與此同時(shí)，EIS中的數(shù)據(jù)信息常用奈奎斯特圖或波特圖直觀地進(jìn)行顯示。在電化學(xué)阻抗譜中，通常1KHz的定頻測(cè)量針對(duì)電池中的電解質(zhì)電阻值，該電阻值隨著電池的老化而增加；而1Hz到1KHz的掃頻測(cè)量則針對(duì)電池的電荷轉(zhuǎn)移電阻，從而揭示電池隨溫度和充電狀態(tài)SOC的不同而變化的規(guī)律。
世健這款電化學(xué)阻抗譜測(cè)量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)的硬件主要由電源、接口、AD5941的傳感器信號(hào)調(diào)理和處理器幾部分組成，主要芯片有ADI AD5941、ADG636、AD8694、ADM7155與ATSAML21等。其信號(hào)鏈流程如圖1所示，硬件配套與硬件主板如圖2和圖3所示。

圖1 EPSH-EIS5941-V1.0 信號(hào)鏈

圖2 EPSH-EIS5941-V1.0的主板與測(cè)試工裝

圖3 EPSH-EIS5941-V1.0主板電路

 

EIS測(cè)量模塊的基本特性:
工作模式：支持掃頻和定頻兩種
掃頻模式：取電池測(cè)量的關(guān)鍵頻段1Hz ~1KHz（AD5941支持掃描范圍0.015Hz-200KHz）
定頻模式：1KHz
精       度：優(yōu)于0.1%(定頻 1KHz)
供       電：USB 5V
通訊接口：USB-PC

二、電化學(xué)阻抗譜(EIS)的軟件
硬件介紹完，接下來(lái)看看軟件的安裝與使用。其實(shí)軟件方面官方提供的還是比較簡(jiǎn)單易操作的，主要需要注意的是：先安裝labview和visa530full.exe，再使用EIS軟件，否則會(huì)有報(bào)錯(cuò)信息或者打不開(kāi)串口等等，如圖4所示。

圖4 EIS報(bào)錯(cuò)提示

軟件安裝就不與大家展示了，基本上是正常安裝即可，剩下的就是等待了。軟件安裝完成之后，建議先重啟一下電腦，方便環(huán)境變量或者其他配置可以正確地配置成功，否則可能會(huì)有一些不可思議的問(wèn)題發(fā)生，會(huì)影響使用。
接下來(lái)就是正常使用軟件了：打開(kāi)EIS，可以看到左側(cè)是串口的基礎(chǔ)配置，右側(cè)是對(duì)電化學(xué)阻抗譜測(cè)量模塊的掃頻信息和采樣點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置。當(dāng)基礎(chǔ)配置都設(shè)置好之后，需要按一下模塊的K1的復(fù)位按鍵，保證設(shè)置參數(shù)均為正常。
注：這里建議同一電池先測(cè)試定頻，再測(cè)試掃頻。

三、電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試
電池的不同品牌、不同型號(hào)、不同容量，都可能會(huì)存在不一樣的電化學(xué)阻抗譜，因此測(cè)試一定要有定量與變量。因此，我將用不同品牌的電池作為變量來(lái)測(cè)試電池阻抗與電池掃頻模式下的奈奎斯特圖。本次測(cè)試分別選取倍量Doublepow18650鋰電池(3.7V, 12580mWh, 3400mAh)、Panasonic18650鋰電池(NCR18650GA, 3.6V, 3450mAh)與LG21700鋰電池(INR21700M50LT, 3.7V, 5000mAh)，來(lái)參與本次的電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試。

圖5 參與測(cè)試的三種品牌電池

Panasonic18650鋰電池定頻測(cè)量：最大阻抗為21.884毫歐，最小阻抗為21.874毫歐，平均為21.879毫歐。規(guī)格書(shū)1KHz交流阻抗小于38毫歐，典型阻抗為25毫歐。實(shí)測(cè)阻抗小于典型阻抗，該電池健康狀態(tài)良好。

圖6 Panasonic18650鋰電池定頻測(cè)量

Panasonic18650鋰電池掃頻測(cè)量：掃頻模式下，是從1 Hz -1KHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃頻，從圖7多次掃描測(cè)量可以看出，通過(guò)該奈奎斯特圖來(lái)說(shuō)，該電池的性能還是比較好的。

圖7 Panasonic18650鋰電池掃頻測(cè)量

Doublepow18650鋰電池定頻測(cè)量結(jié)果：最大阻抗為23.378毫歐，最小阻抗為23.366毫歐，平均為23.373毫歐。對(duì)比Panasonic18650鋰電池，相近的容量與阻抗（無(wú)Doublepow18650鋰電池的規(guī)格書(shū)）。

圖8 Doublepow18650鋰電池定頻測(cè)量

Doublepow18650鋰電池掃頻測(cè)量：掃頻模式下，是從1 Hz -1KHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃頻。從圖9多次掃描測(cè)量可以看出，通過(guò)采集得到的奈奎斯特圖可以得知，低頻段的測(cè)試重復(fù)性不是很好，反映出電荷轉(zhuǎn)移電阻穩(wěn)定性弱于Panasonic18650鋰電池。

圖9 Doublepow18650鋰電池掃頻測(cè)量

LG21700鋰電池定頻測(cè)量：最大阻抗為13.918毫歐，最小阻抗為13.904毫歐，平均為13.913毫歐。規(guī)則書(shū)1KHz交流阻抗典型值是14毫歐，通過(guò)對(duì)比該數(shù)據(jù)可以看出，該電池健康的狀況也是良好的。眾所周知，鋰電池的內(nèi)阻越低，電池的能量輸出能力就越強(qiáng)。內(nèi)阻越低，電池的充電和放電效率就越高，電池發(fā)熱也會(huì)減少，從而延長(zhǎng)電池的壽命。因此，在選擇鋰電池時(shí)，內(nèi)阻是一個(gè)重要的考慮因素之一。

圖10 LG21700鋰電池定頻測(cè)量

從圖11的LG21700鋰電池掃頻測(cè)量可以看出，該電池狀態(tài)不錯(cuò)。

圖11 LG21700鋰電池掃頻測(cè)量

接下來(lái)進(jìn)行持續(xù)放電狀態(tài)下的電池阻抗檢測(cè)（以Panasonic18650鋰電池為例進(jìn)行）。從3.5V開(kāi)始用EIS模塊對(duì)電池不斷放電，由圖12可見(jiàn)，阻抗在不斷變大（在1KHz定頻下從不到22毫歐增加到超過(guò)25毫歐）。用EIS模塊的測(cè)試時(shí)間時(shí)長(zhǎng)超過(guò)半天。

圖12 Panasonic18650定頻測(cè)量 電池不斷放電

當(dāng)Panasonic18650電池進(jìn)入欠壓狀態(tài)時(shí)（小于2.8V），在1KHz定頻測(cè)量下阻抗數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)(見(jiàn)下圖)。

圖13 Panasonic18650定頻，2.8V欠壓狀態(tài)測(cè)量

 

四、總結(jié)

通過(guò)本次測(cè)評(píng)，我更深入地了解了一些能影響電池使用特性的參數(shù)，比如電池阻抗、電池高頻特性和低頻特性等。同時(shí)，在世健電化學(xué)阻抗譜測(cè)量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)的使用過(guò)程中，我也驗(yàn)證了該模塊的優(yōu)勢(shì)：
* 體積小巧：與當(dāng)今常用的手持電池測(cè)量?jī)x比較，1K定頻測(cè)量精度基本相當(dāng)；且體積小，成本更低。
* 除了定頻外，還提供掃頻功能，可同時(shí)檢測(cè)電解質(zhì)電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻，從而判斷電池老化與損壞情況。
Excelpoint世健電化學(xué)阻抗譜測(cè)量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)非常適合小型化的手持式電池內(nèi)阻測(cè)試儀器，能助力快速測(cè)量鋰電池的阻抗值及相關(guān)的電化學(xué)阻抗譜EIS信息。最后，再次感謝世健提供的EIS測(cè)試工裝與測(cè)試機(jī)會(huì)。

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