Et Nyquist-diagram er en graf, der viser impedansværdier målt ved flere frekvenser. Impedans er en parameter, der indeholder modstands- og reaktanskomponenter.

Fig. 1: Typisk Nyquist-diagram for den indre modstand af et Lithium-ion batteri

Det er en metode til at måle impedans ved at anvende et AC-signal. Det AC-signal, der bruges til at måle impedansen af et batteri, har normalt en fast frekvens på 1 kHz. Der findes også en metode til at måle impedans ved hjælp af flere frekvenser i modsætning til en enkelt frekvens. Det kaldes elektrokemisk impedansspektroskopi, eller EIS. Denne metode kræver ikke demontering af batteriet, så den giver en sikker og ikke-destruktiv måde at observere adfærden inde i et batteri.

Den indre modstand af batteriet kan generelt opdeles i følgende tre kategorier.

1. Elektrolyttens modstand
2. Reaktionsmodstand
3. Diffusionsmodstand

Som vist i Fig. 2, varierer de fysiske fænomener, der dominerer impedans, afhængigt af frekvensbåndet. For eksempel skyldes impedansen ved høje frekvenser (omkring 1 kHz) hovedsageligt Lithium-ion migration i elektrolytten. Lithium-ion diffusion forekommer inden for elektroden ved lave frekvenser (mindre end 1 Hz) og Li-ion overførselsreaktioner ved mellemfrekevenser (1 til flere hundrede Hz). Med andre ord gør en detaljeret analyse af Nyquist-diagrammet os i stand til at evaluere forskellige fænomener i forskellige dele af batteriet.

Fig. 2: Typisk relation mellem Nyquist-diagram og den indre modstand af et batteri

En typisk analysemethod er kendt som ækvivalent kredsløbsanalyse, som bruger en ækvivalent kredsløbsmodel som vist i Fig. 3. I kredsløbsmodellen er hvert fænomen inde i batteriet modelleret af forskellige ækvivalente kredsløbselementer. De elementværdier, der beregnes ved analysen, kan betragtes som indikatorer for de fysiske fænomener, der repræsenteres af elementerne.

Fig. 3: Eksempel på Nyquist-diagram og ækvivalent kredsløbsmodel

Som vist i Fig. 4 er der en betydelig forskel i reaktionsmodstanden mellem et uberørt og et forringet lithium-ion-batteri. I applikationer, der involverer opladning og afladning ved lave temperaturer eller dyb opladning og afladning (SOC mellem 0% og 100%), er det sandsynligt, at forringelse vil forekomme. Forringelsen af ladningsoverførselsmodstanden er især mærkbar i Nyquist-diagrammet som reaktionsmodstand.

Fig. 4: Sammenligning af de målte data for uberørte og forringede lithium-ion-batterier med Nyquist-diagrammet

Årsagerne til defekter i battericeller kan identificeres ved at måle AC-impedans ved flere frekvenser. For eksempel,

Når R1 er større: Fald i elektrolyt koncentration, eller elektroden kan have dårlig svejsning.

Når R2 er større: Der kan være opstået en fejl under elektrodefremstillingsprocessen, eller elektroden kan reagere dårligt på sin overflade.

SW1001 og SW1002 er switch hovedrammer til multiplexer moduler, der lader dig teste batterier hurtigt og på mere end en kanal. Brug en af dem i kombination med BT4560 eller IM3590 for at udføre multi-kanal Nyquist plot målinger.

"Multi-plot", en gratis webapplikation, giver dig mulighed for at tegne et Nyquist plot ved blot at læse en fil i din webbrowser. Tegn frit Nyquist plottet uden nogen begrænsninger på antallet af punkter, der kan tegnes fra en fil, eller antallet af grafer, der kan overlappes. De horisontale og vertikale akser skaleres automatisk baseret på de grafer, der gøres til. Filer erhvervet med forskellige måleinstrumenter kan også overlappes til sammenligning og analyse.

Et bæredygtigt samfund kan ikke realiseres uden udvikling og produktion af højkvalitetsbatterier. Vi hos Hioki tilbyder et bredt udvalg af løsninger til batterimålinger.