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Use the correct connection for battery testing/使用正确的连接进行电池测试

 介绍

 

 

当测试电池或者其他储能装置时,了解准确的技术参数对我们而言十分重要。许多部分 影响电池性能,例如,电解液,电极材料和温度。电池需要经过不同的检测来确定它们的容 量,电压窗口,额定电流,内阻抗,漏泄电流,循环寿命,操作温度范围,还有其他的重要 测试。

 

为了得到准确,可靠,可重复的结果。研究人员很依赖他们的实验设备。错误的设备连 接会产生错误的测量结果导致最终错误的结论。

 

接下来的部分通过 EIS 测试展示连接方式对真实结果的影响。常用的电池连接(两端接 法)与 Gamry 的四端连接装置进行比较。使用虚拟电池进行的短路实验,显示了 Gamry 电 池连接装置的下限。Gamry 有两种类型的电池连接装置,一种是为CR2032 纽扣电池准备, 另一种为圆柱电池 18650 准备。两种类型都可以直接接触开尔文传感器。

                      

 

 挑选适宜圆柱电池和纽扣电池的夹具

 

 显示了典型的适宜圆柱电池和纽扣电池的夹具。一些电池在购买时就带有焊接头。 可以使用鳄鱼夹连接测试。如果没有接头,经常使用简单的两端接头。

 

所以的连接方式有这样几个缺点。简单的电池连接装置仅允许两点接触,导致测量的低 精度。有焊接头的可以使用四点接触。然而,在保持合理的布线和不短路的情况下,保持所 有的导线分离十分困难。

 

 显示了 Gamry 的两种连接器。所有的连接器都允许两个电池(单个或一系列 )直 接连接开尔文连接器。导线和连接器额外的电阻不会影响测量结果,使得测量更加精密。

 

 

图 2 Gamry 双电池连接器 CR2032( 左)和 18650 连接器(右) 电池使用四个分离的点进行连接。电流流通和电压测量是完全分离的。使得它们的第一

 

个接触点是在电极的表面。与图一进行对照,导线和连接器的额外电阻可以忽略。 所有接头镀金保证可靠度很高。提前设计印刷的线路板使得测量带来的电磁电感影响降

 

到最小。

 

电化学工作站可以通过不同颜色标示的香蕉接头与之稳定连接。所有的连接关系都是固


 

定的,因此电池不会因为导线的改变受到影响。固定的物理连接方式使得对不同电池的测试 结果是准确可重复的。

 

实验连接的不同之处

 

 

我们通过实验来说明不同连接方式产生不同结果。 两端结构

 

图 3 显示了一个两端结构的简图。工作(WE)和工作测试(WS)连接,对导线和参比 导线连接。典型实例就是简单电池连接(见图 1)。

 

图 3 两端连接简图

 

在这种连接中,导线的阻抗(RWE 和 RCE)直接连接在电极上(R+和 R‐ )。即使电池短路 了,仍可以测量出导线和连接器的电阻。

四端连接 使用四端连接法(也叫作开尔文连接)可以帮助我们减少测试装置的阻抗。在这种连接

 

方式中电流流通的导线和测试导线分离。图 4 显示了一个简图。

 

 

 图 4 四端连接简图

 

测量的导线应该尽可能的接近电池以减少额外阻抗。然而 这里仍会有测量电阻(R+ 和 R )存在。

四端连接可以用在有焊接头的电池测试中(见图 1)。然而,当测试结束更换下个测试 电池时要将所有接头断开。使得实验再现性很低。

 

直接接触四端连接

 

图 5 显示了 Gamry 使用的直接接触的开尔文接法(见图 2 )。

                                   图 5 直接接触四端连接简图


 

与传统的四端连接进行对比,四条导线使用了四个完全分离的接点。导线直接连接电极, 使得测量中不会有额外的电阻。测量线和通电线分别靠近减少电感的影响。通电导线产生的 磁场减到最小。通过扩大测试导线和通电导线的距离,进一步的减少电磁效应对测试导线的 影响。

 

实验

 

 

对 18650 电池和 CR2032 锂离子电池进行恒电流 EIS 实验。我们使用了四种不同的连接 方式:

 

1.       使用 G amry 连接器的直接连接四端连接法

 

2.       使用焊接头的四端连接法

 

3.       使用焊接头的两端连接法

 

4.       使用标准电池座的两端连接法

 

短路

 

短路测试展示了系统的最低可测量阻抗。这测试就像名字所说模仿电池短路进行测试。 高导电性的金属块被当做虚拟电池。它的电阻基本可以忽视。

 

图 6 显示了使用 Gamry 夹具的波特图。频率范围从 100KHz 到 10mHz。交流振幅为 1A。 分别使用了 60cm 导线和低电阻导线(# 990‐00239 

阻抗谱可以分为两部分。在高频,阻抗受到电感的限制。图像类似于对角线,主要受到 导线的影响。将通电线和测试线分离可以减少相互的影响。

 

频率在 100Hz 以下时,系统受限于最低的可测量阻抗。这部分表现为水平线。在这个标 准之下的阻抗不可测量。这部分可以通过电化学工作站和实验装置控制,例如导线和连接器 电阻。

 

 

短路阻抗谱可以模型化为一个电阻和电感串联(RL 模型)。表 1 展示了所有连接方式的 结果。

 

圆柱形 18650 电池和 CR 2032 纽扣电池 EIS 测试

 

图 7 和图 8 显示了商用的 18650 锂离子电池和 CR2032 纽扣电池的奈奎斯特图。

图 7 同一个 1 8650 锂离子电池使用不同连接装置的奈奎斯特图

 

蓝色(A 连接)、深绿色(B 连接)、浅绿色(C 连接)、红色(D 连接)、灰色(短路连接)

 

测试的频率范围在 100kHz 到 10mH z18650 电池交流振幅为 100mArms,纽扣电池交流 振幅为 10mArms。每次测试前,18650 电池在 3.6V,纽扣电池在 4.0V 恒压保持至少一小时。保证测试时使用的电池情况相同。

 

此外,Gamry 电池连接装置的短路谱的测试已经在前面部分讨论过了(见图 6)。 当像直接接触四段连接法这样,通电导线和测试导线完全分离,测试过程不会有额外的

 

阻抗。所有电池连接装置短路阻抗谱都是在微欧级的一段短线。对在毫欧级别的电池测量结

 

果没有影响。

 

其它的阻抗谱得到了更高的阻抗值因为其中有导线和连接器的阻抗值。即使导线对扭曲 在一起,测量导线尽可能的接近电池,仍然在会有毫欧级额外电阻出现。

 

另一个重要的东西就是等效串联电阻(ESR)。ESR 是电极,电解液和导线电阻之和。ESR 影响着电池的表现,是储能装置中一个重要的参数。

 

表 2 列举了图 7 和图 8 中使用的所有的连接装置的 ESR 值,包括对 A 中连接方式的百 分比偏差。

 

表 2 不同连接方式的 ESR 

 

所有的情况中,A 连接方式有着最低的 ESR 值。相比之下,B 连接方式的阻抗值就要高 出 3.7%到 26%。对 18650 电池相差 3mW,对纽扣电池相差超过 90mW

 

而由 C 和 D 连接测出的结果,彻底的虚假。ESR 的误差超过 100%,数值超过几百 mW

注意:一个正确的连接装置在低阻抗测试中更加重要,如 mW级和mW级。

 

再现性

电池测量第二重要的就是测试结果的再现性。为了提高电池容量,许多不同的电极材料 和电解液组合被测试。结果会有细微的不同,缩小了选择的范围使得更进一步的测量变得困 难。因此测量必须精确和具有重复性。

 

 

图 9 显示了两个不同实验装置的 32 个单频 EIS 测试。使用一个 18650 电池交替使用四 端连接法和 Gamry 的直接接触四端连接法进行测试。频率 10kHz,测试 150s

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