The application of electrochemical impedance spectroscopy in diagnostics and State-of-charge monitoring of Li-ion batteries

Zahtjevi unapređenja spremnika energije potaknuli su razvoj Li-ionskih galvanskih članaka. Velika gravimetrijska i volumetrijska gustoća energije i niska brzina samopražnjenja razlog su sve veće primjene ovog tipa članka. Osim toga, iz navedenih razloga Li-ionski galvanski članci su najozbiljniji kandidati za primjenu u električnim vozilima. Degradacija litij-ionskih galvanskih članaka je kompleksan proces koji je uzrokovan različitim mehanizmima. Sustav za nadzor rada baterija koristi parametre poput stanja zdravlja (state of health, SOH) za kvantifikaciju ovih degradacija članka na temelju smanjenja kapaciteta i povećanja otpora. Razumijevanje i praćenje degradacijskih mehanizama litij-ionskih galvanskih članaka i pilagođivanje uvjeta rada postalo je neophodno da bi se produžio životni vijek članka. Impedancijska spektroskopija je obećavajuća metoda za karakterizaciju efekta starenja sekundarnih galvanskih članaka jer pruža informacije o različitim mehanizmima starenja. Međutim, primjena impedancijske spektroskopije u realnim sustavima zahtjeva brz proces impedancijskih mjerenja, točan model primjenjiv na ovaj tip članka i dobru metodu procjene parametara. Cilj ovog rada bio je odrediti utjecaj stanja napunnjenosti (state of charge, SOC) na impedancijske odzive litij-ionskog galvanskog članka, interpretirati dobivene rezultate i utvrditi mogućnost primjene elektrokemijske impedancijske spektroskopije u sustavima upravljanja baterijama. Mjerenje je provedeno na 5,0 Ah komercijalnom cilindričnom Li-ionskom galvanskom članku proizvođača LG Chem na 30 °C. U svrhu određivanja ovisnosti električnih svojstava s promjenom stanja napunjenosti, provedeno je pražnjenje članka u 10 koraka od potpuno punog galvanskog članka (E=4,2 V, SOC=1) do potpuno ispražnjenog članka (E=2,7 V, SOC=0) strujom od 500 mA. Nakon svakog koraka praćena je promjena napona otvorenog kruga (OCV) kroz sat vremena. Potom je snimljen impedancijski spektar u rasponu frekvencija od 500 kHz do 10 mHz. Mjerenja su ponovljena ali u obrnutom smjeru, prilikom punjenja članka. Dobiveni rezultati ukazuju da impedancijski spektri ovise o stanju napunjenosti. Najveće odstupanje se javlja na niskim stanjima napunjenosti, SOC<10 % gdje dolazi do najvećeg porasta impedancije i pada napona. Razlog tome može biti završetak glavnih elektrokemijskih reakcija i strukturna promjena elektrodnog materijala. Nadalje, ovo znači da je otpor prijenosu naboja ovisan o SOC-u i u galvanskom članku je primarna komponenta koja povećava impedanciju na niskim vrijednostima SOC-a. Velika osjetljivost promjene parametara modela na promjenu SOC-a dokazuju da impedancijska spektroskopija zajedno s točnim modeliranjem pruža informacije koje mogu značajnije poboljšati karakterizaciju efekta starenja, a rezultati se koristiti za procjenu SOC-a u sustavu za nadzor rada baterija.When it comes to energy storage devices, the fast development of modern society which depends on electrical energy has resulted in the development of a new type of batteries - lithium-ion batteries (LIB). High gravimetric and volumetric energy density and low self-discharge rate are the reasons why LIBs are replacing other types of batteries in everyday use. Furthermore, LIBs are suitable for the applications in electric vehicles. During battery application, different factors can cause the degradation of the LIBs. Degradation is a complex process that results in capacity and power fade. For this reason, it is crucial to understand and track degradation mechanisms in order to get the maximum performance and prolong the lifetime of the battery. Increase in internal resistance can be used for quantitation of this aging effects. Electrochemical impedance spectroscopy along with equivalent circuit model is a promising method for characterizing and estimation of degradation effects of secondary batteries. In order to implement this technique in real systems impedance measurements have to be fast and the chosen model for parameter estimation has to be applicable and accurate for used cell type. The aim of this work was to determine the effect of state of charge (SOC) on the impedance responses of LIB, to interpret obtain results and estimate the possibility of the application of electrochemical impedance spectroscopy in battery management systems (BMS). The measurement was conducted on 5.0 Ah cylindrical LIB manufactured by LG Chem at 30 °C. For the purpose of determining the dependence of electrical properties with change in the state of charge (SOC), discharge of the batttery was carried out in ten steps, from the 4.2 V (battery fully charged, SOC=1) until 2.7 V (battery fully discharged, SOC=0), with a current of 500 mA. The change of the open-circuit potential (OCV) was monitored during one hour followed by EIS measurements in the frequency range of 500 kHz to 10 mHz. The obtained results reveal the influence of the SOC on the electric and electrochemical properties of the investigated battery. The highest deviation of the impedance spectra were observed at low SOC, SOC < 10 %. These effects might be caused by the completion of the major electrochemical reactions and the structural changes of the electrode materials. Furthermore, this means that the SOC-dependent charge transfer resistance is the primary factor increaseing the impedance at low SOCs. The high susceptibility of model parameters to SOC proves that impedance spectroscopy together with accurate modelling might provide information that can significantly improve the aging effect characterization and the results may be used to evaluate SOC in the battery management system