Pruebas y Análisis de la Resistencia Interna en Corriente Continua (DCIR) de Baterías de Litio de Tres Electrodos
1 Introducción
Este estudio se centra en una batería de iones de litio prismática de 51Ah en un sistema ternario. Se realizó un análisis exhaustivo basado en diversos aspectos, que incluyen el estado de carga (SOC) de la batería, la corriente de pulso, la duración del pulso, la temperatura de prueba y las condiciones de operación.
Los hallazgos pueden servir como referencia para las pruebas de resistencia interna en corriente continua (DCIR) de baterías de sistema ternario en aplicaciones prácticas.
2 Sección Experimental
2.1 Sujeto de Prueba
La muestra de prueba seleccionada es una batería de iones de litio prismática del sistema NCM, con una capacidad individual de 51Ah y un voltaje nominal de 3.65V.
El equipo de prueba utilizado incluye el sistema de carga y descarga de Arbin y una cámara de temperatura alta/baja.
2.2 Métodos de Prueba
(1) Prueba de Capacidad:
La prueba de capacidad de la batería se realiza en una cámara de temperatura a 25±2°C, siguiendo el procedimiento de prueba a continuación:
① Permitir un descanso de 2 minutos.
② Descargar la batería a 2.0V utilizando una corriente de 1C (1C=51A).
③ Permitir un descanso de 2 minutos.
④ Cargar la batería con una corriente constante y un voltaje constante con una corriente de 1C hasta que alcance 4.2V.
⑤ Repetir los pasos ① a ④, tomando la capacidad de la segunda descarga como la capacidad real de la batería.
(2) Prueba de DCIR de Descarga:
① Deje que la batería completamente cargada repose durante 1 hora.
② Ajuste la batería al SOC objetivo utilizando una corriente de 1C.
③ Déjela reposar durante 30 minutos y registre el voltaje V0 en ese momento como el OCV para el SOC correspondiente.
④ Descargue con una corriente de descarga I1 durante t segundos y registre el voltaje V1 en el momento t segundos.
⑤ La fórmula de cálculo para DCIR durante la descarga es la siguiente:
DCIR_descarga = (V0 – V1) / I1 (1).
(3) Prueba de DCIR de Carga:
① Deje que la batería descargada repose durante 1 hora.
② Cárguela hasta el SOC objetivo utilizando una corriente de 1C.
③ Déjela reposar durante 30 minutos y registre el voltaje V0 en ese momento como el OCV para el SOC correspondiente.
④ Cargue con una corriente de carga I2 durante t segundos y registre el voltaje V1 en el momento t segundos.
⑤ La forma de calcular el DCIR de carga es la siguiente:
DCIR_carga = (V1 – V0) / I2 (2).
3 Resultados y Discusión
3.1 Influencia de Diferentes SOC en la Resistencia Interna en Corriente Continua (DCIR)
Se llevaron a cabo pruebas de DCIR para cargar y descargar a diferentes niveles de SOC según los métodos de prueba descritos en 2.2. La corriente de pulso de descargafue I1=5C y la corriente de pulso de carga fue I2=3C, con unaduración del pulso de t=10s.
Los resultados de las pruebas se muestran en la Figura 1(a) y la Figura 1(b).
De los resultados de las pruebas, se puede observar que los diferentes estados de SOC tienen un impacto significativo en los resultados de las pruebas de DCIR.
Tanto los datos de DCIR de carga como los de DCIR de descarga muestran una tendencia decreciente a medida que aumenta el SOC, con el DCIR estabilizándose por encima del 20% de SOC.
La razón de esto se debe a los procesos de reacción interna dentro de la batería.
Con un SOC bajo, la impedancia de transferencia de carga es mayor, y a medida que el SOC aumenta gradualmente, esta impedancia disminuye, lo que conduce a una reducción gradual en el DCIR.
3.2 Impacto del Tamaño de la Corriente en la DCIR
Siguiendo el método descrito en la Sección 2.2, las muestras de prueba se ajustaron a un estado de SOC del 50%. Se aplicaron pulsos de descarga a corrientes de I1 = 1C, 1.5C, 2C, 3C y 5C, y se aplicaron pulsos de carga a corrientes de I2 = 1C, 1.5C, 2C y 3C. Se calcularon y compararon los valores de DCIR a los 10 segundos para estudiar la influencia del tamaño de la corriente de pulso en los resultados de las pruebas de DCIR. Los resultados de las pruebas se muestran en la Figura 2.
Los resultados de las pruebas de DCIR de descarga y DCIR de carga obtenidos al 50% de SOC mostraron una disminución gradual a medida que aumentaba la corriente para las corrientes de pulso de descarga en el rango de 1-5C y las corrientes de pulso de carga en el rango de 1-3C.
En contraste, la referencia a otros trabajos de literatura sobre baterías del sistema ternario mostró que el DCIR de carga aumentaba con corrientes más altas, mientras que el DCIR de descarga disminuía con corrientes más altas.
Esta inconsistencia con los resultados de este estudio indica que la tendencia del DCIR con la variación de la corriente también está influenciada por el diseño del sistema de la batería.
3.3 Impacto de la Duración del Pulso en el DCIR
Para verificar el efecto de la duración del pulso en el DCIR, se realizaron pruebas de DCIR durante la descarga de pulso y la carga de pulso con duraciones de pulso que variaban de 1 a 30 segundos, siguiendo el método de prueba descrito en 2.2.
Dado que las diferenciasenel DCIR porencima del 50% de SOC eranrelativamentepequeñas, con elpropósito de comparación, solo se presentandatospordebajo del 50% de SOC. Los resultados de las pruebas se muestran en la Figura 3(a) y la Figura 3(b).
Los resultados de las pruebas muestran que cuando la duración del pulso está en el rango de 1 a 5 segundos, tanto el DCIR de carga como el DCIR de descarga muestran una tendencia creciente lineal.
Cuando la duración del pulso se encuentra entre 5 y 30 segundos, la tendencia de crecimiento del DCIR se ralentiza, alejándose gradualmente de la linealidad.
Este fenómeno se debe al aumento de la impedancia de transferencia de masa dentro de la batería con el aumento de la duración del pulso, lo que gradualmente se convierte en dominante y provoca la desviación del cambio del DCIR de la linealidad.
Además, a medida que el estado de SOC aumenta, el DCIR disminuye, y la tasa de aumento del DCIR con el tiempo es menor.
Este fenómeno está relacionado con la menor impedancia de transferencia de carga en niveles altos de SOC.
3.4 Efectos de la Temperatura en el DCIR
Haciendo referencia a la sección 2.2, se llevaron a cabo pruebas de DCIR a diferentes temperaturas, y los niveles de corriente de pulso se ajustaron según la capacidad de carga y descarga a diferentes temperaturas. Los resultados de las pruebas se muestran en la Figura 4.
Se puede observar que a medida que la temperatura disminuye, tanto el DCIR de descarga como el DCIR de carga aumentan gradualmente.
Esto se debe a que a medida que la temperatura disminuye, la viscosidad del electrolito aumenta y la movilidad de los iones disminuye, lo que conlleva a una velocidad de reacción química más lenta.
Como resultado, la resistencia ohmica y la resistencia de polarización de la batería aumentan, lo que se refleja en una tendencia creciente en el DCIR medido.
3.5 Impacto de las Condiciones de Operación en el DCIR
Considerando que las baterías de iones de litio operan en diversas condiciones del mundo real, se llevó a cabo un análisis de los cambios en el DCIR bajo diferentes condiciones de operación.
Las muestras de prueba se sometieron a ciclos de carga y descarga a una tasa de 1C en entornos a 25°C, 35°C y 45°C, con cada ciclo constando de 100 ciclos.
De acuerdo con el método de prueba descrito en la sección 2.2, las baterías se ajustaron al 50% de SOC, se sometieron a una descarga de pulso de 1C durante 30 segundos y los datos de DCIR de descarga a los 30 segundos se calcularon utilizando la ecuación (1) para observar la variación del DCIR con el número de ciclos.
La Figura 5(a) y la Figura 5(b) presentan las tendencias de degradación bajo diferentes temperaturas y la variación del DCIR de descarga durante el proceso de ciclado.
A partir del gráfico, se puede observar que las tendencias de degradación de la capacidad durante el ciclo son diferentes a las tres temperaturas, y los cambios en el DCIR durante el ciclo muestran patrones notablemente diferentes. Además, a medida que la temperatura aumenta, el DCIR aumenta más rápidamente con el número de ciclos. Esto se debe a que la degradación de la capacidad de la batería durante el ciclo se debe principalmente a tres factores:
(1)Reacciones secundarias dentro de la batería que provocan la pérdida de litio activo.
(2)Descomposición de materiales activos, fisuración estructural y delaminación de electrodos dentro de la batería.
(3)Aumento de la resistencia de contacto debido al engrosamiento gradual de la membrana de electrolito sólido en la superficie del material activo, la reducción de la conductividad de la membrana y otros factores.
El aumento en el DCIR es el resultado del efecto acumulativo de estos tres factores. Las reacciones secundarias dentro de la batería, las tasas de deterioro de los electrodos y otros factores se intensifican a medida que aumenta la temperatura, lo que provoca un aumento más rápido del DCIR.
En resumen, se realizaron pruebas y análisis de DCIR en baterías de litio-ion cuadradas con un sistema ternario en diferentes condiciones. Según los resultados de las pruebas, se puede concluir que:
(1) El DCIR disminuye gradualmente a medida que aumenta el SOC y se estabiliza por encima del 20% de SOC.
(2) Los resultados de las pruebas tanto para el DCIR de descarga como para el DCIR de carga a un SOC del 50% mostraron una disminución gradual a medida que aumentaba la corriente al utilizar corrientes de pulso de descarga de 1 a 5C y corrientes de pulso de carga de 1 a 3C. Sin embargo, diferentes diseños de baterías pueden mostrar tendencias diferentes.
(3) Para tiempos de pulso de 1 a 5 segundos, el DCIR mostró una tendencia de crecimiento lineal, mientras que para tiempos de pulso de 5 a 30 segundos, la tendencia de crecimiento del DCIR se desvió gradualmente de la linealidad.
(4) A medida que disminuye la temperatura, el DCIR de la batería aumenta gradualmente.
(5) La tendencia de crecimiento del DCIR bajo diferentes condiciones de uso varía.
4. Conclusión
A través de pruebas de resistencia interna de corriente continua en diferentes condiciones, se analizaron los factores que influyen en la resistencia interna de corriente continua de las baterías de iones de litio del sistema ternario cuadrado. Según los resultados de las pruebas, es evidente que hay muchos factores que afectan la resistencia interna de corriente continua de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, las pruebas de resistencia interna de corriente continua deben realizarse bajo condiciones correspondientes según los requisitos específicos, y se debe prestar atención a la consistencia de las condiciones de prueba para garantizar la credibilidad de los resultados de las pruebas.
