A zöld energetika gyors fejlődése óriási igényt generált a fotovoltaikus elemekre (napenergiából elektromos áram fejlesztése), elektrolízerekre (vízből hidrogén termelésre; széndioxid elektrokémiai lekötése), tüzelőanyag cellákra (hidrogénből áram termelése) és akkumulátorokra, az energia tárolására (Li-ion akkumulátorok, redox átfolyásos akkumulátorok).
Viszont ezeknek az eszközöknek a tanulmányozásához, fejlesztéséhez, teszteléshez elengedhetetlen a megfelelő nagy tudású, nagy teljesítményű több csatornás (párhuzamos mérések kivitelezése) moduláris tesztállomások.
Az új generációs akkumulátor tesztelési módszerek az elektrokémiai tudomány által kidolgozott módszertanokból fejlődtek ki, sokkal gyorsabban el tudják végezni a Li-ion akkumulátor teszteléseket, sokkal több hasznos információt hoznak ki a mérési eredmények elemzéséből, prognosztikus jelentéseket készítenek az akkumulátorok egészségi állapotáról és az akkumulátorok várható élettartamáról. Ezek a tesztállomások elektrokémiai mérésekre is alkalmazhatóak, mivel minden csatornájuk egy nagy kapacitású elektrokémiai potenciosztát, ezért sokkal több helyen használhatóak, mint az akkumulátorok tesztelése, beleértve a már említett tüzelőanyag cellákat, elektrolízereket, redox akkumulátorokat.
Bemutatunk néhány példát a tesztállomásokból, a tesztelési lehetőségekről, a módszerek kivitelezéséről.
Bővebb információért keressen minket: info@labornite.hu címünkön.
Modularitás, pontosság és nagy felbontás, ez a három szó határozza meg az ultra precíziós akkumulátor tesztállomásokat (Battery cycler). A K+F-től a kísérleti gyártásig, a gyártási teszteléstől a minőség-ellenőrzésig a BCS-800 sorozatot úgy tervezték, hogy megfeleljen az akkumulátor-értéklánc minden szintjének, igényeinek.
A BCS-800 sorozat három alaptermékből (BCS-805, 810 és 815) álló fejlett akkumulátor tesztelő rendszer minden blokkja 8 független csatornát kínál ±150 mA, ±1,5 A és ±15 A maximális áramerősséggel csatornánként. A csatornák száma az igényelt blokkok számától függ. Tehát minden felhasználó saját lehetőségeihez megfelelően rendelhet minimálisan 8 csatornás blokkból álló tesztert, de később is növelheti a blokkok számát, ameddig a ház mérete megengedi.
Miben különbözik a BCS-800 tesztállomás egy alap tesztertől?
A tesztelésnek arra kell választ adnia, hogy
A diagnosztikai teszter megmutatja a hiba helyét, okát – tehát segít kiküszöbölni azt a fejlesztésben vagy a gyártásban.
A diagnosztikai teszter: nagy pontosságú, nagy felbontású és pontosságú méréseket végez a töltés / kisütés során, és szükség esetén beépíti az EIS (elektrokémiai impedancia spektroszkópia), PITT (vagy GITT) differenciálkapacitás (DC) méréseket. Egy ilyen teszter HPC (High Precision Coulometry) mérések elvégzésére is használható, amely lehetővé teszi az akkumulátorok életciklusának előrejelzését 10-20 ciklus rögzítése alapján.
A BCS-800 sorozat teszterei megfelelnek a DIAGNOSZTIKAI TESZTEREK kritériumának. A BCS-800-sok magas teljesítmény-érték arányt kínálnak egyedi funkciókkal, mint például az elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS), ami már alap minden csatornán, a 18 bites ADC, áram mérési tartomány 10 μA és 120 A között, széleskörű beépített előre programozott módszereket is tartalmazzák.
A BCS800-sokat a BT-Lab program vezérli. Nézzünk néhány módszert a BT-Lab menüpontjaiból.
BCD (akkumulátor kapacitás meghatározása)
A BCD technika meghatározza az akkumulátor kapacitását, és lehetővé teszi annak használatát a következő technikákban. A BCD technikákat a BT-Lab előre beprogramozta, és minden további tesztelés és elemzés kiindulópontja. A számított kapacitás értéke az alsó ablakban jelenik meg. Ezután, ha szükséges, az akkumulátor töltéssel/kisütéssel visszaállítható a kiindulási helyzetbe.
A BCD technika használható az akkumulátor élettartamának elején a kezdeti állapot meghatározására, valamint beilleszthető az öregedési/ciklusos protokollok közé a kapacitás csökkenésének meghatározásához.
Differenciálkapacitás-elemzés (DCA)
A differenciálkapacitás-elemzés (DCA) egy széles körben használt módszer a másodlagos akkumulátorok egészségi állapotának (SoH) jellemzésére az aktív anyag fázisátalakulásának megfelelő csúcsok azonosítása révén.
Az öregedési mechanizmusok három lebomlási módba sorolhatók: vezetőképesség-veszteség, aktív anyag veszteség és lítium készlet elvesztése (LLI). Számos tanulmány elemezte a degradációs módok hatásait differenciálkapacitás-analízissel, ami arra utal, hogy alkalmasak a degradációs mechanizmusok hatásainak azonosítására és számszerűsítésére (https://ec-labor.hu/differencialkapacitas/ ).
Az irodalomban használt DCA-görbék fő bemutatása a dQ/dE vs. E. Ezek a görbék a töltési/kisütési folyamat során bekövetkező szerkezeti átalakulásokról adnak információt (ábra).
A DCA görbe előnye, hogy az E vs. Q töltési görbe fennsíkjai egyértelműen azonosítható csúcsokként jelenhetnek meg a dQ / dE és E görbében. Ezek a csúcsok az elektród anyag fázisátmeneteihez kapcsolódnak. A kisülés alakja és a töltési görbék információt nyújtanak az elektróda reakció reverzibilitásáról. A dQ / dE differenciálkapacitás és a ciklusszám ábrázolása lehetővé teszi a csúcsok bármely változásának (csúcspotenciálok, magasság, szélesség és terület) megfigyelését egyik ciklusról a másikra, és segíthet a lebomlás észlelésében hosszú tesztciklusok alatt.
Fontos megjegyezni, a DCA mérésekhez elég alacsony áramon kell felvenni a töltés/kisütés görbét (a fenti példában 0,1 A, ami 1/24C érték).
Az ultra-precíziós akkumulátor ciklikus töltés /kisütés elemzésének a jelentősége
A Li-ion akkumulátorok élettartamának hagyományos módszerekkel történő becslése általában hosszú távú ciklikus kisütést/töltést foglal magában.
A cellákban végbemenő degradációs folyamatok felgyorsítása és a tesztelési idő csökkentése érdekében gyakran alkalmaznak magas hőmérsékleten végzett gyorsított teszteket. Az ilyen vizsgálati körülmények azonban nem mindig tükrözik az akkumulátor valós élettartamát. A hagyományos ciklikus technikákkal szemben a nagy pontosságú kulometrikus (HPC) mérések gyorsan (3-4 hét) megbízható becslést adnak az akkumulátor élettartamáról, valamint kiváló eszközt jelentenek a különböző cellák stabilitásának értékelésére és összehasonlítására.
Nagy pontosságú kulometria: alapelvek
A nagy pontosságú coulometriát először Dr. Jeff Dahn laboratóriuma fejlesztette ki az új-skóciai Dalhousie Egyetemen 2010-ben (https://www.biologic.net/documents/high-precision-coulometry-hpc-battery-application-note-53/ ). A HPC elemzés az akkumulátor nagy pontosságú coulombikus hatékonyságának (CE) mérésén alapul, amelyet így ír le:
A ciklusonkénti CE kiszámításához az akkumulátort feltöltik (pozitív árammal) egészen egy meghatározott lekapcsolási feszültségig, majd kisütik egy meghatározott lekapcsolási feszültségig, amelyet esetleg egy állandó feszültségperiódus követ, és n-szer megismétlődik (ciklus).
A ciklusonkénti CE kiszámítása után az akkumulátorok HPC-görbéi értelmezhetőek.
MEGJEGYZÉS. A fenti grafikonon bemutatott mérések és elemzések tipikus példái annak, hogy mennyivel több információ nyerhető az akkumulátorok állapotáról, ha a klasszikus méréseket (BASIC CYCLER) összehasonlítjuk a DIAGNOSZTIKAI TESZTER által mért intelligens eredményekkel.
A nagy pontosságú coulometria csúcsminőségű elemző akkumulátor tesztereket igényel. A pontos HPC mérések elérése és az akkumulátor hosszú távú viselkedésének előrejelzése érdekében az akkumulátor teszternek képesnek kell lennie a kis kapacitásvesztés mérésére az első néhány ciklus során (a változások ezred százalékban mérhetőek).
BCS-800 akkumulátor-teszterek biztosítják a megbízható HPC-eredményekhez szükséges pontosságot. Öt áramtartománnyal, 18 bites felbontással és 2 ms-os időalappal a BCS-800 akkumulátor teszterek rendkívül nagy pontosságú méréseket tesznek lehetővé, és elég pontosak és stabilak ahhoz, hogy megbízható HPC előrejelzéseket adjanak. A BCS-800 akkumulátor teszterek lehetővé teszik a CE méréseket körülbelül 11 ppm tipikus RMSE értékekkel (53. alkalmazási megjegyzés).
EIS mérések Li-ion akkumulátorokon: EIS és Battery Screening
Az elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS) egy gyors (a folyamat csak néhány percig tart), nem roncsoló mérés, amely hatalmas mennyiségű akkumulátorinformációhoz ad hozzáférést. Az EIS képességet kínáló akkumulátor-teszterek használata időt és pénzt takaríthat meg. Az impedancia mérések lényege, hogy az alap polarizációs jelre kis amplitúdójú váltóáramot vezetünk, melynek frekvenciája igen széles spektrumban változtatható, majd a cella válaszát elemezve hasznos információkat nyerhetünk a folyamatokról az akkumulátorban.
Ez a módszer azért fontos, mert az akkumulátor belső részei és folyamatai (ionvezető katód és anód részek, ionok az elektrolitban, érintkezők, vezetékek, elektrokémiai reakciók az elektródák felületén, diffúzió a szilárd ionvezető fázisban stb.) a frekvencia spektrum különböző részein jelenik meg, és ezért egyetlen méréssel hatalmas mennyiségű információ nyerhető az akkumulátorunkról. Ezért az EIS mérések (néhány perces mérés után) megmutatják, hogy az akkumulátor melyik részénél van probléma.
A BTS-815 tesztállomás (BT-LAB) számítógépes programjában található egy illesztőprogram rész (ZFit), amely lehetővé teszi az egyenértékű akkumulátor áramkör paramétereinek néhány kattintással történő meghatározását. Így az akkumulátorban végbemenő különböző folyamatok számszerűsíthetők, és így mérhetőek lesznek a ciklusok számának növekedésével (https://ec-labor.hu/li-ion-akkumulatorok-tesztelese/ ). Vagyis az EIS mérések nemcsak azt mutatják meg, hol a probléma, hanem mérik a megfelelő paramétereket is. Ezek a paraméterek már összevethetők a referencia akkumulátorokon mért értékekkel és konkrét javaslatok tehetők a gyártási folyamatok változtatására.
A Redox Flow Battery (RFB) az összes elektrokémiai energiatároló rendszer közül kiemelkedik, mint rendkívül vonzó jelölt a következő okok miatt:
A mellékelt linken [ https://www.biologic.net/documents/dc-and-ac-characterization-of-a-vanadium-redox-flow-battery-vrfb-using-a-pinflow-20-cm%c2%b2-test-lab-cell/ ] leírt alkalmazási megjegyzésben a vanádium redox áramlási akkumulátort (VRFB) tanulmányozták egyen- és váltakozó áramú technikákkal.
A BioLogic BCS-815-ét használták az egyenáramú előtöltési és ciklusos kísérletek végrehajtásához. VSP-300-at használták az EIS kísérletek elvégzésére. A BCS-815 vezérléséhez BT-Lab® szoftvert, a VSP-300 vezérléséhez EC-Lab® szoftvert használtak.
VRFB alapelvei
Az 1. ábra egy redox áramlási akkumulátor vázlatát mutatja. Mint minden elektrokémiai eszközrendszerben, az RFB az elektrokémiai energiát elektromos árammá alakítja. Ellentétben a hagyományos akkumulátorokkal, mint például a Li-ion vagy Ni-Cd akkumulátorok, amelyek zárt rendszerek, ahol az energia tárolása és átalakítása ugyanazon a helyen történik, az RFB-k az üzemanyagcellákhoz hasonlóan nyitott rendszerek, ahol az energiaátalakítás és a tárolás elválik egymástól. Az elektrokémiai energia az elektrolitokban tárolódik, redox Nernst potenciálkülönbség formájában a két elektrolit között.
VRFB esetén a cella pozitív oldalán lévő elektrolit („katolit”1) tartalmazza a VO2+/VO2+ redoxpárt 1000 V/NHE standard potenciállal; a cella negatív oldalán lévő elektrolit („anolit”2) tartalmazza a V3+/V2+ redoxpárt -0,255 V/NHE standard potenciállal. A következő reakciók játszódnak le a pozitív inert elektródán, VO2+ + 2H+ + e−⇌ VO2+ + H2O, valamint a negatív inert elektródán,
V2+ ⇌ V3+ + e−.
Az elektródák jellemzően inert szénfilcek, és csak elektronok átvitelére használják. Az aktív anyagok valójában redox párok, vagyis olyan kémiai vegyületek, amelyek képesek elektronokat felvenni és leadni. Az ezeket a redox párokat tartalmazó folyadékokat ioncserélő membrán választja el egymástól, így ne jöjjön létre a keveredés.
Mivel az energiaátalakítás és az energiatárolás elválik egymástól, az akkumulátor teljesítménye és energiája egymástól függetlenül méretezhető. Az akkumulátor energiája (vagy kapacitása) az elektrolitokat tároló tartályok méretétől függ. Minél nagyobbak a tartályok, annál nagyobb töltést tud leadni az akkumulátor.
A megfelelő elméleti kapacitás kiszámítható, a Faraday-törvényből származó képlettel: 𝑄=𝑛𝐶𝑉F
ahol a 𝑄 a kapacitás C-ban vagy mAh-ban kifejezve, amelyet egy térfogat 𝑉 L-1 elektrolit koncentrációja 𝐶 mol L-1 aktív vegyület tartalmaz 𝑛 elektronokat, és F a Faraday-állandó C mol-1-ben kifejezve.
1. Töltés +50% SoC-ra.
A cellára 3A áramot vezettek, 4 pontos csatlakozási móddal, 2500 mAh töltési korláttal és 1,65 V potenciálhatárral. A 2500 mAh töltési mennyiség lehetővé teszi a -50%-os SoC-ról a +50%-os SoC-ra a töltést. Az egyik vagy a másik határ elérésekor a kísérlet leáll. Az alábbi grafikon a kezdeti előtöltési görbét mutatja (4. ábra), először a töltési határt érte el. Az elektrolit nagy sebességgel áramlott 40 ml min-1, ami egy tipikus működési érték 25 °C hőmérsékleten. A kezdeti potenciál növekedés megfelel az akkumulátor aktiválásának. Az 1000 és 1200 s körüli feszültségnövekedés megfelel az elektrolit átalakulásának. A végén lévő csökkenés egy OCV periódusnak felel meg.
2. Ciklikus töltés/kisütés
A VRFB ciklusképességének vizsgálatára és demonstrálására ismételten galvanosztatikus töltéseket és kisütéseket végeztek. 3A töltő- és kisütési áramerősséget alkalmaztak, amely 150 mA cm-2-nek felel meg, és 1,65 és 0,8 V töltési és kisütési potenciál határértéket limitáltak (5a. ábra). Kérjük, vegye figyelembe, hogy csak az első 6,5 ciklus látható, összesen 71 ciklusból (5b. ábra).
Az 5b. ábra a galvanosztatikus ciklikusság coulombikus hatásfokát CE𝑛 mutatja, amelyet a következő képlet határoz meg:
Ebben az egyenletben a kisütés során felszabaduló töltés (𝑄dis𝑛) és az akkumulátor töltéséhez szükséges töltés (𝑄ch𝑛) arányát mutatja adott töltési/kisütési ciklus 𝑛 esetében.
Látható, hogy 10 ciklus után a coulombos hatásfok 96 és 96,5 % között alakul, ami bizonyítja a VRFB-k nagyon jó ciklikusságát.
Az elektrokémiai vizsgálatokat, a gáz (H2 és O2), a vízgazdálkodást, valamint az üzemanyagcella anódos és katódos oldalán végzett fűtést FC-Lab szoftverrel végezték.
A kereskedelmi forgalomban kapható polimer membrán elektrokémiai teljesítményének jellemzése lineáris polarizációs és áramimpulzusos technikákkal történt.
A PEMFC jobb teljesítményt mutat alacsony hőmérsékleten, mint a többi, ezért jelentős kutatásokat végeztek ilyen eszközökkel. A PEMFC a következőképpen működik:
Az üzemanyagcellák tesztelésének kulcskérdése a gáz- és vízparaméterek, például a gázáramlás, a gáz- és vízhőmérséklet, a gáznedvesség, a párásító feltöltése és a kondenzátor öblítése.
A gáz- és vízgazdálkodási paraméterek globális nézetét a „Synopsis Összefoglaló” mutatja (4. ábra).
A tüzelőanyag cella teszterjeiben a fenti folyamatok vezérlésére szolgáló minden elem megvan. A tüzelőanyag cella teszterek mindezeken felül képesek elvégezni a szükséges elektrokémiai méréseket (polarizációs görbe felvétele, EIS mérések stb.).
A polarizációt alacsony áramfelvételi sebességgel (néhány mA.cm-2) hajtják végre nulla áramtól a potenciál határértékéig, amelyet Ewe < Emin definiálnak.
Az E és P eredő görbéi az áramsűrűség (i) függvényében a 8. ábrán láthatók.
A teljesítmény meghatározása a következő:
P = E x I
ahol P a teljesítmény, E a potenciál és I az áram.
Ez az E vs. I görbe általában három régióra oszlik:
− Aktiválási polarizáció: 0-100 mA.cm-2 (8. ábra), amelyben a reakciósebesség-veszteség dominál,
− Ohmos polarizáció: 100-600 mA.cm-2 (8. ábra), amelyben az ohmos ellenállás dominál,
− Koncentrációs polarizáció: 600 mA.cm-2-től a végéig (8. ábra), amelyben a tömegátadás dominál.
Az üzemanyagcella teljesítménye az áramerősség függvényében ábrázolható. A 8. ábra alján látható példában a maximális teljesítmény 6,5 W, és ezt a maximális teljesítményt 580 mA.cm-2 értéknél érjük el.
Az elektrokémiai impedancia spektroszkópia méréseket el lehet végezni a polarizációs görbe különböző részein. Az aktuális pásztázás a 3. ábrán látható, és az EIS mérések helyét piros nyilak jelzik, a 4. ábrán pedig a mért EIS spektrumok. A BioLogic vezérlő programja megengedi egyszerűen elkészíteni egy 3D grafikát az eredményekből (5 ábra).
Nagy áram (DC és EIS) mérések az elektrolízerekben
Az elektrolízis az a folyamat, amikor elektromos áramot használnak a víz hidrogénre és oxigénre történő felbomlasztására. Ez a reakció egy elektrolízáló egységben játszódik le.
A protoncserélő membrán víz elektrolizer (PEMWE) hidrogén előállítására szolgál, megújuló energiaforrásokból származó felesleges villamos energia tárolására. Ezt a hidrogént ezután újra felhasználhatják villamosenergia-termelésre a hálózathoz (üzemanyag cellában), a villamos energia elosztásához vagy a hidrogén mobilitásához (üzemanyagcellás járművek stb.).
Ez a technológia nagy áramsűrűséget és energiát igényel a hatékony átalakítási arányhoz. A BioLogic az alap SP-150 potenciosztáthoz kínál egy áramerősítőt FlexP 0012 amellyel már 200A-ig lehet méréseket elvégezni (ábra) .
Hardver beállítása. Az SP-150 csatlakoztatva van a Boosterhez (FlexP 0012) és a FlexP0012 az elektrolízerhez csatlakozik
A tesztben alkalmazott elektrolízer egy 250 cm2-es kör alakú cella. Az elektrolízis alatti oldat mozgatást egy külön rendszer kezeli. A FlexP 0012 tartalmaz egy K-típusú hő elemet, amely kezeli a hőmérséklet rögzítését. Ez az opció automatikusan be van állítva az EC-Lab®-ban.
A polarizációs görbét galvano-dinamikus módban regisztráljuk. A ModuloBat (MB) programrészben, kiválasztjuk a Current Scan ( CS) módszert, beállítjuk az 1 A/s szkennelési sebességet 0-200 A határig.
A kapott görbe polarizációs görbéből látszik, hogy nagy áramerősségeknél jelentős a Ohmikus ellenállás hatása a cellában. Az elektrolízer polarízációs görbéje 1 A/s galvan-dinamikus módban regisztrálva
EIS mérések az elektrolízeren
A fenti elektrolízeren elvégeztek elektrokémiai impedancia ( EIS) méréseket is potenciosztatikus módban. Összevetették a polarizációs görbéket, amelyeket galvanosztatikus és potenciosztatikus módokban mértek és teljes volt az egyezés. Az EIS méréseket a cellán I.4. V-tól 2.1 V-ig terjedő határban mérték.
Magas frekvencián észlelhető egy induktív hatás (ábra), ennek a csatlakozásnak köszönhetően. Az EIS-adatokat a Zfit program segítségével R1 + R2 / Q2 áramkörökkel illesztették és így határozták meg az R1 és R2 paramétereit.
R1 az ohmikus ellenállás hozzájárulása és R2 a polarizációs ellenállás. Az R1 és az R2 összege majdnem tökéletesen megegyezik a polarizációs görbe nagy áram részéből kiszámított ellenállással ( táblázat).
Az alábbi ábrán, az irodalomból vett általános EIS spektrum és a magyarázatára alkalmazott illesztő áramkör látható /https://www.nature.com/articles/s41598-020-80683-6
(a) Egy elektrolízer tipikus Nyquist-diagramja. (b) Egyenértékű illesztő áramköri modell . Rm membrán ellenállás, Ra anód ellenállás, Rc katód ellenállás, CPEa és CPEc állandó fázisú eltolódást okozó anód és katód elemei.
A magas frekvencián az EIS spektrumból megállapítható a soros Ohmikus ellenállás. Ez az elem a membrán ellenállását, a katalizátor rétegek ellenállását, a gáz-diffúziós réteg Ohmikus ellenállását is tartalmazza. A párhuzamos ellenállás az anód és katód elktrokémiai reakciójának az ellenállása. A polarizációval ez a paraméter változik.
Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a SP-150 vezérelt FlexP 0012 teljesítménye lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy nagy áramsűrűség méréseket végezzen, hogy tanulmányozza a szállítási jelenség korlátait, például akár 8 A/cm² áramsűrűséget 25 cm²-es cellákon, azaz 200A abszolút áramnál.
Bátran keressen meg problémájával, lehet, hogy tudok segíteni!
