Metode pengukuran self-discharge baterai lithium-ion terutama dibagi menjadi dua kategori: 1) metode pengukuran statis, yang memperoleh tingkat self-discharge dengan menahan baterai untuk waktu yang lama; 2) Metode pengukuran dinamis untuk mewujudkan identifikasi parameter baterai dalam proses dinamis.

Metode pengukuran statis

Saat ini, metode pengukuran self-discharge arus utama baterai lithium-ion adalah membuat baterai statis untuk waktu yang lama di bawah kondisi lingkungan tertentu, dan mengukur perubahan parameter baterai sebelum dan sesudah statis untuk mengkarakterisasi tingkat self-discharge lithium- baterai ion. Menurut parameter pengukuran yang berbeda, pengukuran statis terutama dibagi menjadi tiga kategori: pengukuran kapasitas, pengukuran tegangan rangkaian terbuka, dan pengukuran arus.

1. Pengukuran kapasitas

Sebelum baterai didiamkan dalam waktu lama, isi daya dan kosongkan baterai satu kali dan catat kapasitas pengosongan Q0 sebelum dibiarkan. Setelah didiamkan, baterai dikosongkan dengan cara yang sama, dan kapasitas pengosongan Q setelah didiamkan dicatat.

Menurut persamaan (7), tingkat self-discharge η baterai dapat dihitung. Kemudian baterai diisi dan dikosongkan dengan cara yang sama, dan kapasitas pengosongan baterai Q1 setelah siklus dicatat. Menurut persamaan (8) dan (9), Qrev self-discharge yang dapat dibalik dan Qirr self-discharge yang tidak dapat diubah dari baterai dapat dihitung masing-masing. Diagram metode ditunjukkan pada Gambar 1.

ARA. 1 Diagram skematis metode pengukuran kapasitas

Dalam manual pengujian baterai yang dikeluarkan oleh badan standardisasi internasional dan departemen pemerintah terkait dan asosiasi industri, ketentuan yang relevan dibuat untuk mendeteksi pelepasan baterai sendiri melalui pengukuran kapasitas: Komisi Elektroteknik Internasional (IEC) mengeluarkan "Baterai dan paket baterai berisi alkali atau elektrolit non-asam lainnya: Baterai lithium sekunder portabel dan akumulator "(IEC 61960) menetapkan bahwa baterai akan berada dalam kondisi 50% SOC, disimpan pada suhu sekitar (20±5)℃ selama 90 hari, dan pengosongan baterai setelah diisi ulang tidak boleh kurang dari 85% dari kapasitas pengenal, proses pengukuran spesifik ditunjukkan pada Gambar 2a.Manual uji baterai untuk kendaraan listrik yang dikeluarkan oleh Dewan Riset Otomotif Amerika Serikat (USCAR) menetapkan bahwa tingkat daya aktual yang sesuai dengan rentang pengoperasian baterai harus diukur sebelum pengukuran. Setelah baterai dikosongkan pada rasio C/3 50% dari listrik yang tersedia, baterai disimpan pada suhu sekitar 30 ° C selama 30 hari, dan pengosongan baterai diukur setelah diisi ulang. "Persyaratan Performa dan Metode Uji baterai daya untuk Kendaraan Listrik" (GB/T 31486) yang dikeluarkan oleh Administrasi Standardisasi Tiongkok serupa dengan standar IEC, yang menetapkan proses uji pengukuran kemampuan retensi muatan dan kemampuan pemulihan kapasitas.Mengambil uji suhu ruangan sebagai contoh, baterai disimpan selama 8 hari pada suhu ruangan, tingkat retensi muatan tidak kurang dari 85% dari kapasitas awal, dan pemulihan kapasitas tidak kurang dari 90% dari kapasitas awal. Proses pengukuran spesifik ditunjukkan pada Gambar 2b.

ARA. 2 Prosedur pengukuran (a) ditentukan dalam IEC 61960 dan prosedur pengukuran (b) ditentukan dalam GB/T 31486

2. Pengukuran tegangan rangkaian terbuka

Tingkat self-discharge baterai lithium-ion ditandai dengan mengukur perubahan tegangan sirkuit terbuka selama proses istirahat baterai. Keuntungan dari metode ini adalah lebih sederhana dan memakan waktu lebih sedikit daripada mengukur kapasitas. Kerugiannya adalah bahwa untuk baterai lithium-ion dengan platform voltase panjang pada kurva volt-soc terbuka (seperti baterai LFP), voltase baterai sedikit berubah dalam rentang SOC yang besar, dan sulit untuk mengkarakterisasi tingkat swasembada. debit dengan mengukur tegangan terbuka, yaitu metode ini memiliki rentang aplikasi tertentu.

3. Pengukuran arus

Baterai lithium-ion diisi oleh arus mikro untuk menjaga voltase baterai tidak berubah, dan nilai arus pengisian saat stabil adalah arus pelepasan sendiri [1-2]. Arus kecil ini mungkin tidak stabil selama beberapa bulan, dan waktu stabilitas desain baterai yang berbeda berbeda, dan waktu pengukuran yang disarankan secara umum adalah setidaknya satu minggu [3].

Metode ini memiliki masalah yang mirip dengan metode pengukuran tegangan rangkaian terbuka, yaitu untuk baterai lithium-ion dengan platform tegangan panjang, keefektifan metode ini ditentang. Selain itu, karena arus self-discharge baterai lithium-ion sangat kecil, umumnya C/50000 atau lebih rendah, untuk menerapkan dan mengukur urutan arus kecil ini, persyaratan untuk instrumen eksperimen tinggi.

Metode pengukuran arus statis konvensional di atas ditingkatkan sampai batas tertentu. Stasiun kerja elektrokimia digunakan untuk menerapkan tegangan konstan yang lebih rendah dari arus terbuka ke baterai, dan arus yang mengalir melalui rangkaian diukur pada waktu yang bersamaan. Kurva arus-waktu baterai tanpa self-discharge dan baterai dengan self-discharge ditunjukkan pada Gambar 3a.

ARA. 3 Hasil eksperimen parsial metode pengukuran arus Sazhin

Dengan secara aktif menerapkan voltase konstan, mengendalikan baterai untuk mencapai keadaan kesetimbangan, dan mengukur arus yang mengalir melalui rangkaian selama proses ini, waktu pengukuran dapat dipersingkat. Selain itu, titik penyeberangan (CZCP) di mana arus nol juga dapat digunakan sebagai parameter untuk mengkarakterisasi laju pelepasan sendiri. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, logaritma tCZCP ketika Isc saat ini mencapai nol berkorelasi positif dengan logaritma dari resistansi self-discharge Rself.

Namun, metode ini juga memiliki kekurangan yang serius, yaitu akurasi peralatan eksperimen yang tinggi. Stasiun kerja elektrokimia yang digunakan dalam percobaan memiliki resolusi tegangan 100uV (kisaran 14,5V) dan resolusi arus 1pA (kisaran 200nA).

Secara keseluruhan, ketiga metode di atas sangat memakan waktu, dengan periode percobaan mulai dari satu hari hingga puluhan hari, dan pengurangan waktu pengukuran dalam skenario pengukuran saat ini membutuhkan biaya peralatan yang tinggi.

Metode pengukuran dinamis

Metode pengukuran dinamis, yaitu mewujudkan identifikasi parameter baterai dalam proses dinamis. Untuk mempersingkat waktu pengukuran, menghemat sumber daya ruang dan sumber daya manusia. Salah satu caranya adalah mempercepat laju self-discharge dengan mengubah kondisi seperti suhu sekitar dan SOC baterai, sehingga parameter pengukuran dapat berubah relatif besar dalam waktu singkat. Meskipun metode ini menghemat waktu eksperimen, metode ini juga mempercepat penuaan baterai dan meningkatkan kerusakan baterai, yang hanya cocok untuk penelitian laboratorium dan tidak cocok untuk aplikasi skala besar dalam produksi sebenarnya.Metode lain adalah memperkenalkan resistansi pengosongan sendiri berdasarkan model sirkuit ekuivalen baterai lithium-ion dewasa yang ada, dan mengukur laju pengosongan sendiri baterai lithium-ion dalam proses dinamis melalui sarana identifikasi parameter yang berbeda.

Berdasarkan teori identifikasi sistem otomatis, baterai lithium-ion disederhanakan menjadi sirkuit ekuivalen resistansi-kapasitansi (RC) orde pertama, dan arus pengisian dan pengosongan yang sama diterapkan ke baterai lithium-ion dan sirkuit ekuivalen, dan parameter rangkaian ekuivalen disesuaikan dengan perbedaan tegangan keluaran hingga perbedaan antara keduanya mendekati nol, dan diperoleh nilai resistansi pelepasan sendiri dari baterai lithium-ion. Total waktu pengukuran yang diperlukan untuk metode ini adalah sekitar 12 jam. Namun, metode ini menyamakan baterai dengan rangkaian pasif dan tidak mempertimbangkan pengaruh perubahan status pengisian baterai pada tegangan keluaran selama percobaan.

Reduksi baterai menjadi rangkaian ekuivalen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dimana: Rp, i adalah resistansi reaksi elektrokimia, Cp, i adalah kapasitor lapisan listrik ganda, Rself adalah resistansi pengosongan sendiri, dan C adalah kapasitansi ekuivalen baterai. Menerapkan pulsa arus waktu singkat ke baterai lithium-ion mengukur perubahan voltase selama proses istirahat berikutnya, dan nilai resistansi pengosongan sendiri dianalisis lebih lanjut. Metode ini hanya mempertimbangkan reaksi yang memainkan peran utama dalam setiap tahap proses statis dan memisahkan reaktan kompleks, mengurangi perhitungan dan mempersingkat waktu pengukuran.

Gambar 4 Rangkaian setara baterai lithium-ion

Secara khusus, pemulihan tegangan berlebih memainkan peran utama dalam tahap awal statis, dan pelepasan sendiri baterai pada akhir statis memainkan peran utama. Konstanta waktu self-discharge dapat dianalisis dengan data pada akhir periode statis, dan kemudian penurunan tegangan yang disebabkan oleh self-discharge pada periode pemulihan tegangan lebih dapat dikompensasi, dan kapasitansi baterai yang setara dapat dikompensasikan. dipecahkan, dan nilai resistansi self-discharge dapat diperoleh. Metode ini dapat memperoleh ketahanan pelepasan sendiri baterai lithium-ion dalam waktu 10 ~ 48 jam, menghemat banyak waktu dibandingkan dengan metode tradisional, tetapi masih perlu menghabiskan banyak waktu statis untuk mengamati tahap di mana pelepasan mandiri dimainkan peran yang dominan.

Efek hubung singkat pada baterai dibagi menjadi dua kategori: efek parameter dan efek konsumsi. Diantaranya: efek parameter berarti bahwa karena adanya resistansi hubung singkat, tegangan hubung terbuka yang diukur dan resistansi internal memiliki penyimpangan tertentu dari nilai sebenarnya; Efek konsumsi berarti bahwa karena adanya resistansi hubung singkat, energi yang disimpan di dalam baterai terus dikonsumsi, dan SOC baterai terus menurun, yang akan menyebabkan penyimpangan tertentu dari nilai sebenarnya dari tegangan rangkaian terbuka baterai dan hambatan dalam dari nilai normal.

Dalam model perbedaan baterai yang ditunjukkan pada rumus (10) dan (11), Ei adalah tegangan rangkaian terbuka baterai, Ri adalah resistansi internal baterai, dan Ui dan I masing-masing adalah tegangan dan arus baterai yang diukur. Nilai ΔEi dan ΔRi diperoleh dengan metode kuadrat terkecil rekursif, dan parameter abnormal yang melebihi ambang batas diidentifikasi dengan metode statistik untuk menentukan apakah baterai mengalami hubung singkat internal. Ketika resistansi hubung singkat adalah 100Ω, metode ini dapat mewujudkan identifikasi hubung singkat internal paling cepat 4 jam 43 menit.

Tiga metode pengukuran dinamis di atas menyederhanakan baterai lithium-ion dengan memperkenalkan sirkuit ekuivalen dan cara lain serta mengadopsi metode eksperimental inovatif untuk menganalisis nilai resistansi pelepasan sendiri, yang telah membuat kemajuan besar dalam mempersingkat waktu pengukuran.

Menyimpulkan

Metode untuk mengukur laju pengosongan sendiri baterai lithium-ion dengan pengukuran statis dan pengukuran dinamis ditinjau. Kesimpulan utamanya adalah sebagai berikut:

1, reaksi samping yang terjadi pada elektroda negatif/elektrolit dan antarmuka elektroda positif/elektrolit adalah sumber utama self-discharge baterai lithium-ion, dapat dimodifikasi oleh permukaan elektroda positif, penambahan aditif dalam elektroda negatif , elektrolit, dan cara lain untuk menghambat terjadinya self-discharge.

2, dalam proses penyimpanan baterai, harus berusaha menghindari keadaan SOC yang terlalu tinggi atau terlalu rendah, dan suhu serta kelembapan sekitar harus dijaga dalam kisaran yang relatif rendah.

3. Metode pengukuran self-discharge arus utama saat ini adalah pengukuran statis berdasarkan eksperimen statis jangka panjang. Masalah terbesar dengan metode ini adalah waktu pengukuran yang terlalu lama, mengakibatkan pemborosan ruang dan sumber daya manusia yang sangat besar. Beberapa metode pengukuran dinamis untuk identifikasi parameter dikombinasikan dengan model rangkaian ekuivalen telah diusulkan, dan beberapa kemajuan telah dibuat dalam mempersingkat waktu pengukuran. Melalui desain eksperimental yang inovatif, identifikasi decoupling self-discharge dalam proses dinamis adalah jalur kunci dan arah pengembangan untuk mewujudkan pengukuran self-discharge yang cepat di masa mendatang.