Naukowcy zajmujący się ogniwami galwanicznymi stosują wiele technik badawczych, aby uzyskać wyniki potrzebne do określenia charakterystyki ogniwa pierwszego lub drugiego rodzaju. Urządzenia do magazynowania energii pełnią coraz większą rolę we współczesnym świecie, zarówno w przenośnych urządzeniach elektronicznych, elektrycznych samochodach jak i energetyce. Poniższy artykuł jest fragmentem projektu inżynierskiego realizowanego w laboratorium katedry Fizykochemii i Technologii Polimerów wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej. Istotą pracy było opisanie materiałów oraz metod badań i pomiarów urządzeń elektrochemicznych do magazynowania energii. Do pomiarów został wykorzystany potencjostat SP-150 firmy Bio-Logic SAS oraz oprogramowanie EC – Lab, które umożliwia pomiary i symulacje procesów elektrochemicznych.

1. Badania pojemności akumulatorów

Pojemność ogniwa charakteryzuje wszystkie układy elektrochemiczne magazynujące energię. Jest to parametr informujący o zdolności ogniwa do zakumulowania ładunku elektrycznego. Jako jednostkę pojemności stosuję się amperogodzinę [Ah]. Najbardziej niezawodną metodą badania jest tradycyjny cykl ładowania oraz rozładowania ogniwa, jednak ta metoda nie sprawdza się przy akumulatorach kwasowo-ołowiowych. Organizacja skupiająca inżynierów, zajmujących się motoryzacją, maszynami przemysłowymi oraz lotnictwem (Society of Automotive Engineers) określa pojemność akumulatora rozruchowego na podstawie pojemności rezerwowej, która odzwierciedla czas działania podany w minutach podczas stałego rozładowania prądem o natężeniu 25 A.^[1]

a) Metoda rozładowania

Pomiar pojemności ogniwa poprzez rozładowanie jest dobrą metodą, ponieważ pozwala otrzymać dokładne wyniki. Aczkolwiek w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych, nawet przy użyciu bardzo dokładnego sprzętu, odpowiedniej temperatury środowiska oraz zastosowaniu standardów związanych z ładowaniem oraz rozładowaniem ogniwa wyniki między identycznymi testami odbiegają od siebie. Testy akumulatorów litowo-jonowych zapewniają bardziej jednoznaczne wyniki pomiarów. Laboratorium firmy ’’Cadex Electronics’’ przeprowadziło testy 91 akumulatorów rozruchowych, które posiadały różne poziomy wydajności. W ramach testu akumulatory były ładowane do pełna, następnie po 24-godzinnym spoczynku zostały rozładowane prądem o natężeniu 25 A do wartości 10,5 V. Średnia różnica między pojemnością akumulatora w pierwszym a drugim testem wyniosła +/- 15 %. W badaniach innych laboratoriów wystąpiły podobne różnice.^[1] Jest to dowód na to, iż metoda rozładowania urządzenia elektrochemicznego nie sprawdza się w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. W standardowej metodzie rozładowania zwykle nie stosuje się tak dużych prądów rozładowania jak podczas testów firmy ’’Cadex Electronics’’. Prąd należy dobrać do przewidzianej pojemności akumulatora. Przykładowo ogniwo odwracalne o pojemności 40 Ah rozładowuje się prądem o natężeniu 4 A. Ta technika pozwala na sporządzenie wykresu rozładowania ogniwa odwracalnego, w którym jest uwzględnione napięcie oraz procentowy poziom rozładowania. Przykładowy wykres rozładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego znajduję się na ilustracji nr 1.

b) Technika nieinwazyjna

Kolejnym sposobem pomiaru pojemności jest technika przy pomocy odpowiedniego urządzenia metodą spektroskopii impedancyjnej. Metoda ta jest nieinwazyjna i opiera się na złożonym modelowaniu w celu oszacowania pojemności baterii. Przy napięciu kilku miliwoltów do baterii zostaje wprowadzony sygnał sinusoidalny o wielu częstotliwościach. Po cyfrowej filtracji zostaje utworzony wykres Nyquista, na który zostają nałożone różne modele elektrochemiczne. Istnieje możliwość badania zarówno akumulatorów naładowanych jak i częściowo rozładowanych. Urządzenie wybiera najlepiej pasujące modele oraz na podstawie danych i parametrów szacuje pojemność akumulatora.

c) Technika BCD

Technika BCD określa pojemność akumulatora (ang. BCD – Battery Capacity Determination). Podczas pierwszego etapu pomiaru akumulator zostaje naładowany, następnie pojemność zostaje określona poprzez rozładowanie ogniwa odwracalnego w trybie galwanostatycznym (utrzymując zadaną wartość prądu). Procedurę badania obrazuję ilustracja nr 2. Pierwszy okres ładowania galwanostatycznego przebiega do wartości potencjału EM1, następnie pomiar przechodzi z trybu galwanostatycznego w tryb potencjostatyczny, w którym zostaje utrzymany zadany potencjał EM1. W kolejnym etapie ogniwo zostaje rozładowane w trybie galwanostatycznym do wartości potencjału EM2, podczas tego procesu następuje obliczenie pojemności akumulatora.^[3]

2. Badanie stanu zużycia ogniwa metodą dynamicznej odpowiedzi elektrochemicznej

Metoda dynamicznej odpowiedzi elektrochemicznej znajduje zastosowanie w bateriach litowo-jonowych. Została opracowana przez firmę ’’Quick Sort’’. Bazuje na pomiarze ruchliwości jonów przemieszczających się pomiędzy elektrodami. Istotą tego pomiaru jest wprowadzenie do układu krótkich impulsów prądowych. Następnie zostaje przeprowadzona analiza wykresu pojemności od czasu. Bada ona między innymi wartości pojemności ogniwa, stopień jego regeneracji, a także czas który był potrzebny na zregenerowanie się układu. Z wykresów zamieszczonych na ilustracji nr 3 oraz nr 4 możemy odczytać, różnicę w odporności na atak impulsów obciążenia, a także proces szybkiej regeneracji ogniwa wynoszącej do 100% początkowej pojemności. Ponadto możemy zaobserwować, iż druga bateria, której wykres pojemności od czasu jest widoczny na ilustracji nr 4 wykazuje słabsze parametry. Jej pojemność osiąga jedynie 70 % wartości początkowej, a także charakteryzuje się dłuższym czasem potrzebnym do powrotu do stabilnych parametrów.

Bibliografia

[1] https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_capacity (dostęp 22.12.2019 r.)

[2]nhttps://www.powertechsystems.e... 23.12.2019 r.)

[3] ”Battery Capacity Determination technique\”, 02/05/2014 #38 EC-Lab – Technical Note

[4] https://batteryuniversity.com/learn/article/testing_lithium_based_batteries (dostęp 23.12.2019 r.)

Autor: inż. Michał Gocki.