Wie man den Selbstentladungsstrom von Lithium-Ionen-Zellen misst

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Zellselbstentladungsstrom direkt messen

Die Messung des Selbstentladungsstroms von Lithium-Ionen-Zellen mittels potentiostatischer Methode erfordert eine rauscharme, hochstabile Gleichstromquelle, ein Mikroamperemeter zur Messung kleinster Ströme sowie kontrollierte Zellbedingungen. Die Messung beginnt mit einer ruhenden Zelle, deren Leerlaufspannung (OCV) sich nach dem Laden oder Entladen stabilisiert hat. Die Gleichstromquelle wird vor dem Anschluss an die Zelle so eingestellt, dass sie die OCV möglichst genau erreicht. Nach dem Anschluss hält die Quelle die Zelle auf nahezu konstanter Spannung und konstantem Ladezustand (SOC), während das Mikroamperemeter den Strom zwischen Quelle und Zelle misst. Während die Zelle ihren internen Selbstentladungsprozess fortsetzt, liefert die externe Quelle schrittweise die Ladung, die der Zelle sonst entgehen würde. Sobald Quelle und Zelle ein Gleichgewicht erreicht haben, entspricht der extern zugeführte Strom dem Selbstentladungsstrom der Zelle und ermöglicht so eine direkte Messung des Ladungsverlusts über die Zeit. Diese potentiostatische Selbstentladungsmessung unterscheidet sich von der Delta-OCV-Methode, die die Selbstentladung aus einem geringen Spannungsabfall über einen längeren Zeitraum ableitet. Da sich die Spannung von Lithium-Ionen-Zellen über weite Teile ihres Ladezustandsbereichs nur geringfügig ändert, kann die Messung der Leerlaufspannung (ΔOCV) Tage bis Wochen dauern. Die direkte Messung des Selbstentladungsstroms hingegen erfasst den mit dem Ladungsverlust verbundenen Strom und liefert je nach Zellzustand und Messziel innerhalb weniger Stunden ein verwertbares Ergebnis.

Die Zellvorbereitung und die Kontrolle der Umgebungsbedingungen bestimmen, wie schnell sich der gemessene Strom auf den tatsächlichen Selbstentladungswert einpendelt. Nach dem Laden oder Entladen kann die Ladungsverteilung innerhalb der Zelle über einen längeren Zeitraum andauern. Eine Zelle, die noch kein Gleichgewicht erreicht hat, kann anfänglich zusätzlichen Strom abgeben oder aufnehmen, der mit der Zeit abklingt und sich dem gewünschten Selbstentladungsstrom überlagert. Die Temperatur muss stabil bleiben, da die Spannung einer Lithium-Ionen-Zelle einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der Änderungen von mehreren zehn Mikrovolt pro Grad Celsius verursachen kann. Auch der Ladezustand (SOC) beeinflusst die Messung: Bei niedrigem SOC sinkt die Selbstentladung deutlich, wodurch der Strom schwerer zu erfassen ist, während der Temperaturkoeffizient der Spannung im Allgemeinen zunimmt. Während der Messung sollten die Ingenieure kontinuierlich Zellstrom, Spannung und Temperatur protokollieren, um die Stromstabilisierung zusammen mit den Umgebungs- und elektrischen Bedingungen beurteilen zu können. Die resultierenden Strom-Zeit-Kurven zeigen die Annäherung an das Gleichgewicht; sobald eine Kurve einen Plateau erreicht, liefert die externe Quelle den Selbstentladungsstrom der Zelle. Im dokumentierten Beispiel mit 18650-Zellen stabilisierte sich der Strom einer 2,4-Ah-Zelle nach zwei Stunden bei etwa 7 µA, während sich Zellen mit übermäßiger Selbstentladung innerhalb von Minuten von der Hauptgruppe abgrenzten. Bei der Prüfung der Selbstentladung von Lithium-Ionen-Akkus mit mehreren Zellen hilft der Vergleich paralleler Stromverläufe den Ingenieuren, normales Verhalten der Zellen von ungewöhnlich hoher Selbstentladung zu unterscheiden und gleichzeitig Spannungs- und Temperaturdaten für den Messkontext zu erfassen.

Lösung zur Messung des Selbstentladungsstroms von Lithium-Ionen

Führen Sie den Test durch, indem Sie eine stabile Gleichstromquelle an die Leerlaufspannung der Zelle anpassen und den Strom messen, der benötigt wird, um die Zelle auf konstanter Spannung und konstantem Ladezustand zu halten. Die Keysight-Lösung zur Selbstentladungsmessung kombiniert den Selbstentladungsanalysator mit der Selbstentladungsanalysesoftware zur potentiostatischen Messung des Selbstentladungsstroms von Lithium-Ionen-Zellen. Der Analysator passt die angelegte Messspannung vor der Anwendung an die Leerlaufspannung (OCV) der Zelle an und gewährleistet so die Stabilität der angelegten Spannung. Dadurch werden Störungen reduziert, die die Einschwingzeit verlängern oder als Stromrauschen auftreten können. Die Software bietet eine grafische Benutzeroberfläche zur Konfiguration der Messungen und zur Analyse der protokollierten Strom-, Spannungs- und Temperaturwerte über die Zeit. Zusammen ermöglichen diese Funktionen die direkte potentiostatische Selbstentladungsmessung und liefern Ingenieuren die elektrischen und thermischen Daten, die zur Interpretation des Einschwingvorgangs und zur Identifizierung stabiler Strompegel benötigt werden.
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Siehe Blockdiagramm der Lösung zur Messung des Selbstentladungsstroms von Lithium-Ionen-Akkus.

Wie man den Selbstentladungsstrom von Lithium-Ionen-Zellen misst

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