Wie man die Selbstentladung von Lithium-Ionen in Abhängigkeit von der Temperatur charakterisiert

+ Batterie-Selbstentladungsanalysator

Korrelation zwischen Selbstentladungsstrom und Temperatur

Die Charakterisierung von Temperatureinflüssen bei der Selbstentladungsmessung von Batterien erfordert die gleichzeitige Beobachtung von Zellstrom, -spannung und -temperatur. Dies liegt daran, dass potentiostatische Selbstentladungsmessungen auf elektrischen Ebenen arbeiten, auf denen bereits geringfügige thermische Änderungen das Messergebnis beeinflussen können. Der Test beginnt mit einer ruhenden Lithium-Ionen-Zelle und einer rauscharmen, hochstabilen Gleichstromquelle, deren Spannung genau auf die Leerlaufspannung (OCV) der Zelle eingestellt ist. Die Quelle ist über ein Mikroamperemeter angeschlossen und hält die Zelle auf nahezu konstanter Spannung und konstantem Ladezustand (SOC). Während die interne Selbstentladung Ladung verbraucht, liefert die externe Quelle den Ersatzstrom. Sobald ein Gleichgewicht erreicht ist, entspricht der extern zugeführte Strom dem Selbstentladungsstrom der Zelle. Die Temperatur muss während der gesamten Selbstentladungsstrommessung überwacht werden, da die Spannung von Lithium-Ionen-Zellen temperaturabhängig ist. Eine stabile thermische Umgebung ermöglicht es der elektrischen Messung, sich dem Gleichgewicht anzunähern und temperaturbedingte Störungen zu minimieren. Kontinuierliche, zeitlich abgestimmte Aufzeichnungen von Stromstärke, Spannung und Temperatur liefern die Daten, die benötigt werden, um zu beurteilen, ob Stromschwankungen mit thermischen Veränderungen zusammenfallen oder ob sich der Strom einem stabilen Selbstentladungsniveau annähert.

Thermoelektrische Effekte müssen bei Temperaturtests von Batterien kontrolliert werden, da elektrische Verbindungen zwischen unterschiedlichen Metallen thermisch induzierte Spannungen im Bereich von einigen zehn Mikrovolt pro Grad Celsius erzeugen können. Die Zellanschlüsse können aus Nickel oder einem anderen Metall bestehen, das beim Anschluss an einen anderen Leiter eine solche Spannung erzeugt. Verbindungen an beiden Zellanschlüssen können entgegengesetzte thermoelektrische Spannungen erzeugen, die sich bei gleicher Temperatur beider Anschlüsse aufheben. Eine Temperaturdifferenz zwischen den Anschlüssen führt jedoch zu einer resultierenden Spannung. Änderungen dieser Temperaturdifferenz können daher entsprechende Schwankungen im gemessenen Selbstentladungsstrom hervorrufen. Der Ladezustand (SOC) stellt eine weitere Variable bei der Prüfung von Lithium-Ionen-Zellen dar. Ein ausreichend hoher und konstanter SOC bietet daher geeignetere Bedingungen für die Bewertung niedriger Ströme bei gleichzeitiger Kontrolle temperaturabhängiger Spannungseffekte. Ein programmierbarer Serienwiderstand kann die Messeinschwingzeit und die Empfindlichkeit gegenüber externen Einflüssen wie Temperaturänderungen weiter anpassen. Während der Messung sollte sich die Zelle in einer thermisch stabilen Umgebung befinden und Temperaturdifferenzen zwischen ihren Anschlüssen minimiert werden. Das Messsystem sollte kontinuierlich Zellstrom, Spannung und Temperatur protokollieren, sodass die drei Parameter im gleichen Zeitintervall untersucht werden können.

Lösung zur Messung der temperaturabhängigen Selbstentladung

Die Messung erfolgt durch Aufrechterhaltung einer stabilen potentiostatischen Spannung bei gleichzeitiger kontinuierlicher Aufzeichnung des Selbstentladungsstroms und der Zelltemperatur. So lassen sich thermische Schwankungen mit Änderungen des gemessenen Stroms korrelieren. Der Keysight Selbstentladungsanalysator verfügt über die für diesen Arbeitsablauf zur Messung der Batterieselbstentladung erforderlichen Funktionen zur Messung der elektrischen Stabilität und Temperatur. Er besitzt außerdem einen dedizierten Messanschluss für einen Thermistor zur Messung der Zelltemperatur über die Zeit. Der Analysator unterstützt Messungen an bis zu 32 Zellen gleichzeitig. Die Selbstentladungsanalyse-Software bietet eine interaktive grafische Benutzeroberfläche zur Konfiguration der Messungen und zur Analyse der protokollierten Strom-, Spannungs- und Temperaturwerte. Diese Funktionen ermöglichen es Ingenieuren, bei Batterietemperaturtests und Lithium-Ionen-Zellentests zu untersuchen, ob Schwankungen des gemessenen Selbstentladungsstroms mit Änderungen der Zelltemperatur korrelieren, während gleichzeitig die für die potentiostatische Messung erforderlichen Spannungsbedingungen im Mikrovoltbereich eingehalten werden.

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