مدل سازی و کاربردهای طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) برای باتریهای لیتیوم یون
طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) یکی از مهمترین روش های مشخصه یابی سیستم های الکتروشیمیایی، از جمله سیستم های انتقال نیرو مانند باتری لیتیوم یون است. EIS مقاومت سلول را از کپه (Rb)، لایه فصل مشترک(RSEI)، واکنش انتقال بار (Rct) و فرآیند پخش (W) را توسط یک آزمایش منفرد جدا و کمی می کند. اندازه گیری های EIS معمولا در سیستم سه الکترودی انجام می شود. کل مجموعه شامل سلول الکتروشیمیایی، مولد فرکانس، تحلیلگر پاسخ فرکانس (FRA) و یک کامپیوتر است که برای کنترل آزمایش و ذخیره سازی اطلاعات استفاده می شود. یک پتانسیواستات برای کنترل پتانسیل الکترود استفاده می شود. (FRA) قلب سیستم است که قسمت حقیقی و موهومی امپدانس را محاسبه می کند. تفسیر طیف امپدانس توسط یک مدل مدار فیزیکی معادل انجام می شود. یک باتری لیتیوم یون از یک الکترود مثبت از جنس فلز (کاتد)، یک الکترود منفی از جنس کربن (آند)، یک جداکننده بین کاتد و آند، جمع کننده های جریان و الکترولیت (نمک لیتیوم در یک حلال ترکیب آلی) تشکیل شده است. در طی واکنش های الکتروشیمیایی، الکترون ها و یون های لیتیوم از میان هریک از عناصر باتری (ازکاتد به سمت آند) عبور می کنند. اجزای سلول و سطوح تماس بصورت مولفه های الکتریکی مانند مقاومت ها و خازن ها نمایش داده می شوند.
تصویر اجزای تشکیل دهنده باتری لیتیوم یون
عناصر مداری اجزاء باتری و لایه دوگانه تشکیل شده در فصل مشترک بصورت سری یا موازی به هم متصل می شوند و یک مدل مدار باتری لیتیوم یون را تشکیل می دهند. مقدار امپدانس کل توسط اسکن فرکانس AC معمولا در محدوده 10mHz-100KHz است. اولین بار واربرگ پخش شیمیایی لیتیوم یون را در طیف امپدانس توسط عبارت " امپدانس واربرگ" در فرکانس پایین در محدوده 10mHz-10Hz تفسیر کرد.
متعاقبا امپدانس وابسته به واکنش انتقال بار در محدوده فرکانس میانی 10Hz-10kHz و فرآیند انتقال نسبتا سریع درون لایه فصل مشترک در فرکانس بالا 10kHz-100kHz اندازه گیری می شود. تحلیل داده های امپدانس برای هر محدوده فرکانسی، براساس برازش طیف EIS با مدار معادل انجام می شود. می توان مقادیر عددی پارامترهایی مانند مقاومت اجزای سلول، خازن های تشکیل شده روی مرزها و امپدانس پخشی در الکترولیت را به دست آورد.
اساس طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)
باتری یک تجهیز الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل می نماید. EIS با اعمال ولتاژ AC به سیستم، تلفات داخلی متناسب با جریان بار مانند مقاومت (R)، ظرفیت خازنی (C)، القائیدگی (L) را اندازه گیری می کند. در این روش، پتانسیل اعمال شده به سیستم با مدولاسیون یک موج سینوسی کوچک، دچار اختلال شده و پاسخ بصورت جریان سینوسی برحسب تابعی از فرکانس مدولاسیون اندازه گیری می شود. روابط بین R،V و I با اعمال ولتاژ DC(جریان مستقیم) ، مطابق با قانون اهم است، در شکل1(a) نشان داده شده است. بطور مشابه با اعمال ولتاژ AC (جریان متناوب) به یک سلول الکتروشیمیایی ، امپدانس در مدار AC برابر است با: قانون اهم است.
واژه امپدانس (Impedance) به مقاومتی که یک عنصر یا مدار به هنگام عبور جریان متناوب از خود نشان می دهد، اشاره دارد. بنابراین، امپدانس ، بعنوان مقاومتی که قطع کننده ی شارش جریان با اعمال ولتاژ AC به مدار است، تعریف می شود. این قطع شدگی ها توسط عناصر مختلف مدار مانند مقاومت ها، سلف ها و رساناها نشان داده می شوند، که امپدانس کل در یک مدار را تشکیل می دهند.
عناصر مداری اجزاء باتری و لایه دوگانه تشکیل شده در فصل مشترک بصورت سری یا موازی به هم متصل می شوند و یک مدل مدار باتری لیتیوم یون را تشکیل می دهند. مقدار امپدانس کل توسط اسکن فرکانس AC معمولا در محدوده 10mHz-100KHz است. اولین بار واربرگ پخش شیمیایی لیتیوم یون را در طیف امپدانس توسط عبارت " امپدانس واربرگ" در فرکانس پایین در محدوده 10mHz-10Hz تفسیر کرد.
متعاقبا امپدانس وابسته به واکنش انتقال بار در محدوده فرکانس میانی 10Hz-10kHzو فرآیند انتقال نسبتا سریع درون لایه فصل مشترک در فرکانس بالا 10kHz-100kHz اندازه گیری می شود. تحلیل داده های امپدانس برای هر محدوده فرکانسی، براساس برازش طیف EIS با مدار معادل انجام می شود. می توان مقادیر عددی پارامترهایی مانند مقاومت اجزای سلول، خازن های تشکیل شده روی مرزها و امپدانس پخشی در الکترولیت را به دست آورد.
اساس طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)
باتری یک تجهیز الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل می نماید. EIS با اعمال ولتاژ AC به سیستم، تلفات داخلی متناسب با جریان بار مانند مقاومت (R)، ظرفیت خازنی (C)، القائیدگی (L) را اندازه گیری می کند. در این روش، پتانسیل اعمال شده به سیستم با مدولاسیون یک موج سینوسی کوچک، دچار اختلال شده و پاسخ بصورت جریان سینوسی برحسب تابعی از فرکانس مدولاسیون اندازه گیری می شود. روابط بین R،V و I با اعمال ولتاژ DC(جریان مستقیم) ، مطابق با قانون اهم است، در شکل1(a) نشان داده شده است. بطور مشابه با اعمال ولتاژ AC (جریان متناوب) به یک سلول الکتروشیمیایی ، امپدانس در مدار AC برابر است با: معادله قانون اهم .
واژه امپدانس (Impedance) به مقاومتی که یک عنصر یا مدار به هنگام عبور جریان متناوب از خود نشان می دهد، اشاره دارد. بنابراین، امپدانس ، بعنوان مقاومتی که قطع کننده ی شارش جریان با اعمال ولتاژ AC به مدار است، تعریف می شود. این قطع شدگی ها توسط عناصر مختلف مدار مانند مقاومت ها، سلف ها و رساناها نشان داده می شوند، که امپدانس کل در یک مدار را تشکیل می دهند.
📷
شکل 2: نمودار شماتیک و معادله قانون اهم برای a) مدار DCکه ولتاژ های DC توسط جریان مستقیم و b) مدار ACکه توسط ولتاژ AC جریان متناوب تشکیل شده است.
متن کامل مقاله در وب سایت شرکت رها باتری قابل مشاهده است.