Come misurare la corrente di autoscarica delle celle agli ioni di litio
Misurare direttamente la corrente di autoscarica della cella
La misurazione della corrente di autoscarica delle celle agli ioni di litio con il metodo potenziostatico richiede una sorgente di corrente continua a basso rumore e altamente stabile, un microamperometro in grado di rilevare correnti molto piccole e condizioni controllate della cella. La misurazione ha inizio con una cella a riposo la cui tensione a circuito aperto (OCV) si è stabilizzata dopo la carica o la scarica. La sorgente di corrente continua viene regolata in modo da corrispondere il più possibile a tale OCV prima di essere collegata alla cella. Una volta collegata, la sorgente mantiene la cella a tensione e stato di carica (SOC) sostanzialmente costanti, mentre il microamperometro misura la corrente che scorre tra la sorgente e la cella. Man mano che la cella prosegue il suo processo di autoscarica interna, la sorgente esterna fornisce progressivamente la carica che altrimenti andrebbe persa dalla cella. Una volta raggiunto l’equilibrio tra la sorgente e la cella, la corrente fornita esternamente corrisponde alla corrente di autoscarica della cella, fornendo una misurazione diretta della perdita di carica nel tempo. Questa misurazione potenziostatica dell’autoscarica differisce dal metodo delta-OCV, che deduce l’autoscarica da una piccola diminuzione di tensione su un intervallo prolungato. Poiché la tensione delle celle agli ioni di litio varia solo leggermente su gran parte del proprio intervallo SOC, i test delta-OCV possono richiedere da giorni a settimane di monitoraggio. La misurazione diretta della corrente di autoscarica, invece, individua la corrente associata alla perdita di carica e consente di ottenere un risultato utilizzabile in poche ore o meno, a seconda delle condizioni della cella e dell’obiettivo di misurazione.
La preparazione della cella e il controllo delle condizioni ambientali determinano la rapidità con cui la corrente misurata si assesta sul vero livello di autoscarica. Dopo la carica o la scarica, la ridistribuzione della carica all’interno della cella può protrarsi per un periodo prolungato; una cella che non ha raggiunto l’equilibrio può inizialmente erogare o assorbire corrente aggiuntiva che decade con il tempo e si sovrappone alla corrente di autoscarica desiderata. Anche la temperatura deve rimanere stabile, poiché la tensione di una cella agli ioni di litio presenta un coefficiente di temperatura che può determinare variazioni dell’ordine di molte decine di microvolt per grado Celsius. Anche lo stato di carica influisce sulla misurazione: l’autoscarica diminuisce notevolmente a bassi livelli di SOC, rendendo più difficile la risoluzione della corrente, mentre il coefficiente di temperatura della tensione generalmente aumenta. Durante l’acquisizione, gli ingegneri dovrebbero registrare continuamente la corrente, la tensione e la temperatura della cella, in modo da poter valutare la stabilizzazione della corrente insieme alle condizioni ambientali ed elettriche. Le tracce risultanti di corrente in funzione del tempo mostrano l’avvicinamento all’equilibrio; quando una traccia si stabilizza, la sorgente esterna fornisce la corrente di autoscarica della cella. Nell’esempio documentato relativo alle celle 18650, una cella da 2,4 Ah si è stabilizzata a circa 7 µA dopo due ore, mentre le celle con autoscarica eccessiva si sono separate dalla popolazione principale nel giro di pochi minuti. Per i test di autoscarica delle batterie agli ioni di litio multicella, il confronto tra curve di corrente allineate aiuta inoltre gli ingegneri a distinguere il comportamento normale della popolazione da un’autoscarica insolitamente elevata, conservando al contempo i dati relativi alla tensione e alla temperatura per contestualizzare la misurazione.
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