鋰離子電池的交流阻抗量測
EC-Lab設定條件的調整
I. 前言
想得到有用的交流阻抗(EIS)量測圖, 實驗的設定必須要仔細地點選. 使用者必須要注意到每個細節, 因為微小的改變有可能影響其量測的結果.
本篇的重點在幫助使用者得到好的量測分析結果, 測試條件會在下面說明.
II. 實驗開始
這個實驗會使用10Ah電容量的鋰離子電池, 操作電壓在3.3V
-本實驗用EC-Lab的定電壓量測
-起始電位必須被定義成 vs OCP (對應開路電位), 不要選成vs Ref
-如果在這個實驗之前有啟動一個實驗, 那起始電位可以定義成 vs Ectrl或Emeas (之前的控制電位以及之前的量測電位), 如果沒有前面的實驗狀況下, 這兩個選項不會出現.
II-1 連線
這個實驗可以使用兩種連線方式.
(1) 兩點連線. CA2+Ref1在正極, CA1+Ref2+Ref3在負極
(2) 五點連線. 每條線都分開(不夾在一起), 這種量測方式比較建議使用.
下面的圖(Fig. 1)可以看到, 當你比較(1)連線法跟(2)連線法後會發現, 大約有2.5mΩ的移位.
Fig. 1 綠線為兩極式接法, 紅線為五極式接法.
本實驗可以很清楚地發現, 當一個小電阻的系統在做測試時, 接點(連線)的方式對於結果有很大的影響. 另外, 鱷魚夾夾得越近越好, 這也可以降低接點的誤差.
II-2 接線長度分析
電池測試中常常會發生需要延長電極線的長度, 可是就算是有很好防護的電極線都會影響到實驗的結果, 這個測試比對正常電極線(1.5m, 紅色曲線), 跟延長電極線(10m, 藍色曲線)
請注意, 為了避免恆電位儀的電位震盪, 在延長10m的參考電極上有加上一個電阻.
Fig. 2 紅線為一般接線(1.5m) 藍線為10m接線
您可以在Fig. 2上面看到, 這兩條線有細微的差異, 所以EIS的實驗中, 對於延長線的設定必須要小心地處理.
II-3 實驗設定
本實驗用PEIS (定電位交流阻抗測試, Fig. 3), 電位峰的方程式如下
Va = 1/2 Vpp = √2Vrms
II-3-a 激發震幅
這個設定必須要考慮到∣I∣跟∣E∣的數值. ∣I∣跟∣E∣就是在直流電下加上的電流/壓的震幅, 此種震幅就是交流震幅. 在EC-Lab中我們稱他們為<I>以及<E>.
Fig. 3 PEIS的實驗設定
Va的數值為0.5mV, 實驗結果請參考Fig. 4
Fig. 4 EIS實驗結果, 條件: Va = 0.5 mV, pw = 0, Na = 1 沒有做飄移修正
本實驗結果並不理想, 所以我們必須要分析電流以及電壓的振幅數值, 這兩種的數值會對於EIS的量測非常重要(請參考Fig. 5以及Fig. 6)
Ewe的數值是開路電位, 而這個數值對於EIS量測並沒有很大的影響. ∣E∣的數值非常小, 大約只有幾個uV (Fig.5). 考慮到儀器的規格, 訊號小於1mV都是雜訊. 所以在本實驗中的不理想結果可以得到結論是, 雜訊影響到了EIS的量測結果.
Fig. 5 電壓震幅的改變相對於頻率的圖形
∣I∣的數值很小, 但是符合儀器的準確度(Fig. 6)
Fig. 6 電流震幅的改變相對於頻率的圖形
本實驗可以得到一個結果-電壓的振幅對於測試結果影響很大, 可是在不同的環境下, 電流震幅也可能影響到結果.
想要讓這個實驗結果更好的話, Va的數值必須要做修正. Fig. 7用了10mV的振幅來測試.
Fig. 7 EIS實驗結果, 條件: Va = 10mV, pw = 0, Na = 1 沒有做飄移修正
Fig. 8 上圖: 電壓震幅的改變相對於頻率的圖形, 下圖: 電流震幅的改變相對於頻率的圖形
這個測試就可以看到一個漂亮的結果.您可以很清楚的比對, Va的數值改變對EIS的量測結果有很大的影響(Fig. 9)
Fig. 9 EIS的比較圖: 紫線為Va=0.5mV, 紅線為Va=10mV
II-3-b Pw數值
Pw設定可以讓使用者在每個頻率前座延遲的動作, 這個延遲的動作可以讓測試品回到比較穩定的狀態下做測試. 尤其在高時間常數下, 延遲測試也會影響到結果.
本實驗分析Pw的數值對於EIS的影響, 在Va=0.5mV的測試條件下, 我們比對Pw(0跟1)的測試結果以及Va=10mV時, Pw=0的測試結果.
Fig. 10 紫線(Va = 0.5 mV, Na = 1, 沒有飄移修正, Pw=0), 藍線(Pw=1), 紅線(Va=10mV)
首先, 我們可以看到Pw=1的圖形雜訊是小於Pw=0, 更令人驚訝的是, Pw=1 (Va=0.5mV)的結果幾乎接近"正確的"Va=10mV圖形!
這個測試結果可以判斷, 當在雜訊較大的環境下, 增加Pw值可以稍微修正圖形結果, 而且不用修改太多的設定. 當然, Pw較高時也會增加測試的時間. 比如, 在這個測試下, Pw=0時,每個掃描約為6秒, 可是當Pw=1時, 每個掃描就增加為13秒.
II-3-c
Na指的是掃描中每個頻率的重複次數, 然後會取得每個頻率的平均值. 這種作法可以降低雜訊. 下面的實驗中, 會測試兩種Na的數值(1跟36), 其他設定都一樣.
在Fig. 11中可以發現, 當Na=1時, 每個點並沒有疊加, 當把圖形放大時更可以發現此現象.
Fig. 11 測試條件Va = 0.5 mV, pw = 0, Na = 1, 沒有飄移修正, 上圖:原始檔, 下圖:放大檔
在Fig. 12的圖形中, Na=36的測試可以看到每個點都有疊加, 意思是每個點的測試結果並沒有被雜訊所影響.
Fig. 12測試條件Va = 0.5 mV, pw = 0, Na = 36, 沒有飄移修正, 上圖:原始檔, 下圖:放大檔
II-3-d 飄移修正
飄移修正(Drift correction)適用在有長時間鬆弛現象的實驗中, 本實驗在reference(3)中會詳加探討.
III 結語
想得到好的EIS結果, 許多細節都必須注意到. 雖然本篇重點在討論鋰離子電池的測試, 可是這種細節都符合任何交流阻抗的測試.
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