افشای اسرار مقاومت داخلی باتری لیتیوم: عوامل اصلی تأثیرگذار و راه حل های بهینه سازی

مقاومت داخلی مقاومتی است که جریان جریان از طریق یک باتری لیتیوم در طول کار را تجربه می کند. بر اساس روش آزمایش،می تواند به مقاومت داخلی AC و مقاومت داخلی DC تقسیم شودمقاومت داخلی باتری یک پارامتر مهم برای ارزیابی کیفیت باتری های لیتیوم یون است. مقاومت داخلی بالا مقدار زیادی حرارت ژول تولید می کند.باعث افزایش دمای باتری می شود، که منجر به کاهش ولتاژ تخلیه و کاهش زمان تخلیه می شود، که به طور جدی بر عملکرد باتری و عمر آن تأثیر می گذارد.مقاومت داخلی نیز پارامتر مهمی است که در آزمایش عملکرد الکتروشیمی باتری های لیتیوم مورد توجه قرار می گیرد.در این مقاله عوامل تاثیرگذار بر مقاومت داخلی باتری لیتیوم با در نظر گرفتن مواد و فرآیندهای تولید باتری های لیتیوم به اشتراک گذاشته می شود.

به طور کلی، مقاومت داخلی باتری به مقاومت اوهمیک و مقاومت قطبی شدن تقسیم می شود. مقاومت اوهمیک شامل مقاومت مواد الکترود، الکترولیت، جدا کننده،و مقاومت تماس از اجزای مختلفمقاومت قطبی شدن بهمقاومتناشی از قطبی شدن در طول واکنش های الکتروشیمی، از جمله مقاومت قطبی شدن الکتروشیمی و مقاومت قطبی شدن غلظت.مقاومت اوهمی باتری با رسانایی کل باتری تعیین می شود، در حالی که مقاومت قطبی شدن توسط ضریب انتشار فاز جامد یون های لیتیوم در ماده فعال الکترود تعیین می شود.

I. مقاومت اوهمیک

مقاومت اومیک عمدتاً به سه بخش تقسیم می شود: مقاومت یونیک، مقاومت الکترونیک و مقاومت تماس. برای به حداقل رساندن مقاومت داخلی باتری های لیتیوم،برای کاهش این سه عنصر مقاومت اوهم باید اقدامات خاصی انجام شود..

1مقاومت یون

موانع یونی باتری لیتیوم به مقاومت ایون های لیتیوم در طول انتقال آنها در داخل باتری اشاره دارد. در باتری های لیتیوم،سرعت مهاجرت یون های لیتیوم و سرعت رسانایی الکترون نقش مهمی دارندمقاومت یونیک عمدتاً تحت تأثیر مواد الکترود مثبت و منفی، جدا کننده و الکترولیت قرار می گیرد. برای کاهش مقاومت یونیک باید نکات زیر را بررسی کرد:

1 اطمینان از رطوبت خوب بین مواد الکترود مثبت و منفی و الکترولیت.

در هنگام طراحی ورق الکترود، باید تراکم فشرده سازی مناسب انتخاب شود. اگر تراکم فشرده سازی بیش از حد بالا باشد، الکترولیت به راحتی نفوذ نمی کند.افزایش مقاومت یونیکبرای ورق الکترود منفی، اگر فیلم SEI که در سطح مواد فعال در طول اولین شارژ و تخلیه تشکیل شده است، بیش از حد ضخیم باشد، این باعث افزایش مقاومت یونی نیز می شود.این نیاز به تنظیم فرآیند تشکیل باتری برای حل مشکل دارد.

 ۲ تأثیر الکترولیت

الکترولیت باید غلظت، لزگی و رسانایی مناسب داشته باشد. لزگی بیش از حد الکترولیت مانع خیس شدن مواد فعال الکترود مثبت و منفی می شود.در عین حال، الکترولیت نیاز به غلظت پایین دارد؛ غلظت بیش از حد بالا نیز برای جریان و مرطوب شدن آن مضر است.رسانایی الکترولیت مهم ترین عامل تاثیر گذار بر مقاومت یون است، چون مهاجرت یون ها را تعیین می کند.

3 تأثیر جدا کننده بر مقاومت یون

عوامل اصلی که بر مقاومت یون در جدا کننده تأثیر می گذارند عبارتند از: توزیع الکترولیت در درون جدا کننده، منطقه جدا کننده، ضخامت، اندازه منافذ، منافذ و پیچیدگی.برای جداکننده های سرامیکی، همچنین لازم است از جلوگیری از ذرات سرامیکی از مسدود کردن منافذ جدا کننده که مانع عبور یون می شود جلوگیری شود. در حالی که اطمینان از رطوبت الکترولیت کافی جدا کننده،نباید هیچ الکترولیت اضافی در داخل آن باقی بماند.، که باعث کاهش بهره وری از استفاده از الکترولیت می شود.

2مقاومت الکترونيکي

مقاومت الکترونیک تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار می گیرد و می توان از جنبه هایی مانند مواد و فرآیندهای تولید پیشرفت کرد.

1 صفحه الکترود مثبت و منفی

فاکتورهایی که بر مقاومت الکترونیک صفحات الکترود مثبت و منفی تاثیر می گذارند شامل: تماس بین ماده فعال و کلکتور جریان،خواص خود ماده فعال، و پارامترهای صفحه الکترود. مواد فعال باید در تماس کامل با سطح کنتاکتور فعلی باشد،که می تواند از زیربناهای مس و ورق آلومینیوم کلکتور جریان و چسبندگی مواد مثبت و منفی الکترود در نظر گرفته شود.منافذ بودن ماده فعال، محصولات جانبی روی سطح ذرات و مخلوط نامناسب با عامل رسانا می تواند باعث تغییر در مقاومت الکترونی شود.پارامترهای صفحه الکترود، مانند تراکم کم مواد فعال، منجر به شکاف های بزرگ بین ذرات می شود، که برای هدایت الکترون نامطلوب است.

2 جداکننده

عوامل تأثیرگذار بر مقاومت الکترونیکی جدا کننده عمدتا شامل: ضخامت جدا کننده ، منافذ و محصولات جانبی در هنگام شارژ و تخلیه است. دو مورد اول به راحتی قابل درک است.بعد از جدا کردن سلول باتری، یک لایه ضخیم از ماده قهوه ای اغلب در جدا کننده یافت می شود، که شامل الکترود منفی گرافیت و محصولات جانبی واکنش آن است.این می تواند باعث انسداد منافذ جدا کننده و کاهش عمر باتری شود.

3 زیربنای کلکتور فعلی

مواد، ضخامت، عرض کلکتور جریان و تماس آن با برگه های الکترود همه بر مقاومت الکترونیک تاثیر می گذارد.کلکتور فعلی نیاز به ساخته شده از یک زیربنای غیر اکسید و غیر غیر فعالدر غیر این صورت، این امر بر مقاومت تاثیر می گذارد. جوش ضعیف بین ورق مس / آلومینیوم و برگه های الکترود نیز بر مقاومت الکترونیکی تأثیر می گذارد.

3مقاومت تماس

مقاومت تماس در تماس بین ورق مس/الومینیوم و ماده فعال شکل می گیرد.و چسبندگی خمیر الکترود مثبت و منفی نیاز به توجه ویژه دارد.

مقاومت داخلی قطبی شدن

هنگامی که جریان از طریق الکترود جریان می یابد، پدیده ی انحراف پتانسیل الکترود از پتانسیل الکترود تعادل، قطبی شدن الکترود نامیده می شود.قطبی شدن شامل قطبی شدن اوهمی است، قطبی سازی الکتروشیمیایی و قطبی سازی غلظت، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.مقاومت قطبی شدن به مقاومت داخلی ناشی از قطبی شدن در طول واکنش الکتروشیمی بین الکترود های مثبت و منفی باتری اشاره دارداین می تواند ثبات ساختار داخلی باتری را منعکس کند، اما به دلیل تأثیر عملکرد و روش ها، برای استفاده در تولید مناسب نیست.قطب بندی مقاومت داخلی ثابت نیستدر طول زمان شارژ و تخلیه به طور مداوم تغییر می کند زیرا ترکیب ماده فعال، غلظت الکترولیت و دمای آن به طور مداوم در حال تغییر است.مقاومت داخلی اوم از قانون اوم اطاعت می کندمقاومت داخلی قطبی با افزایش تراکم جریان افزایش می یابد، اما نه به صورت خطی. معمولاً با لوگاریتم تراکم جریان افزایش می یابد.

به طور کلی، مقاومت داخلی DC یک باتری برابر با مجموع مقاومت داخلی قطبی و مقاومت داخلی اوهمی است.اندازه گیری مقاومت داخلی DC بسیار مهم استبسیاری از عوامل بر مقاومت داخلی قطبی شدن، مانند میزان شارژ و تخلیه، دمای محیط، وضعیت SOC و غلظت الکترولیت تأثیر می گذارند.

روش های اندازه گیری مقاومت داخلی باتری که در حال حاضر در صنعت استفاده می شود

در کاربردهای صنعتی، اندازه گیری دقیق مقاومت داخلی باتری با استفاده از تجهیزات تخصصی انجام می شود.روش های اصلی اندازه گیری مقاومت داخلی باتری که در صنعت استفاده می شود عبارتند از::

1روش اندازه گیری مقاومت داخلی تخلیه DC

با توجه به فرمول فیزیک R = U/I، تجهیزات آزمایش یک جریان ثابت DC بزرگ (در حال حاضر به طور کلی 40A تا 80A) را برای مدت کوتاهی (معمولا 2-3 ثانیه) از طریق باتری فشار می دهد.ولتاژ باتری را در این زمان اندازه گیری می کند.، و مقاومت داخلی باتری فعلی را با استفاده از فرمول محاسبه می کند.

این روش اندازه گیری دارای دقت بالا است؛ اگر به درستی کنترل شود، خطا اندازه گیری می تواند در حدود 0.1٪ کنترل شود.

با این حال، این روش معایب آشکار دارد:

(1)تنها می تواند باتری های بزرگ ظرفیت یا باتری های بزرگ ظرفیت را اندازه گیری کند؛ باتری های کوچک ظرفیت نمی توانند در عرض ۲-۳ ثانیه به جریان بزرگ ۴۰A تا ۸۰A مقاومت کنند.

(2)هنگامی که یک جریان بزرگ از طریق باتری عبور می کند، الکترود های داخل باتری تحت قطبی شدن قرار می گیرند و باعث ایجاد مقاومت داخلی قطبی شدن می شوند.زمان اندازه گیری باید بسیار کوتاه باشد.در غیر این صورت، مقدار مقاومت داخلی اندازه گیری شده دارای یک خطای بزرگ خواهد بود.

(3)جریان زیادی که از طریق باتری عبور می کند می تواند به الکترود های داخل باتری آسیب برساند.

2روش اندازه گیری مقاومت داخلی کاهش ولتاژ AC

چون یک باتری اساسا معادل یک مقاومت فعال است، ما یک فرکانس ثابت و جریان ثابت را به باتری اعمال می کنیم (در حال حاضر،یک فرکانس 1 kHz و یک جریان کوچک 50 mA به طور کلی استفاده می شود)، و سپس نمونه گیری ولتاژ آن. پس از یک سری از مراحل پردازش مانند اصلاح و فیلتر،مقدار مقاومت داخلی باتری از طریق یک مدار تقویت کننده عملیاتی محاسبه می شود.زمان اندازه گیری باتری با استفاده از روش اندازه گیری مقاومت داخلی کاهش ولتاژ AC بسیار کوتاه است، به طور کلی حدود 100 میلی ثانیه است.

این روش اندازه گیری نیز دارای دقت خوبی است، با خطای دقت اندازه گیری به طور کلی بین 1٪ و 2٪.

مزایا و معایب این روش:

(1) روش اندازه گیری مقاومت داخلی کاهش ولتاژ AC می تواند تقریباً همه باتری ها را از جمله باتری های ظرفیت کوچک اندازه گیری کند.این روش معمولا برای اندازه گیری مقاومت داخلی سلول های باتری لپ تاپ استفاده می شود.

(2) دقت اندازه گیری روش اندازه گیری افت ولتاژ AC ممکن است تحت تأثیر جریان موج باشد و همچنین احتمال تداخل جریان هارمونیک وجود دارد.این یک آزمایش از توانایی ضد تداخل مدار ابزار اندازه گیری است..

(3) این روش باعث آسیب قابل توجهی به خود باتری نمی شود.

(4) دقت اندازه گیری روش کاهش ولتاژ AC به اندازه روش اندازه گیری مقاومت داخلی تخلیه DC خوب نیست.