Galvanostatic charge-discharge of a Li-ion battery with Autolab

Význam tématu

Galvanostatické cyklování je klíčová metoda pro hodnocení výkonu Li-ion baterií, protože umožňuje přesně sledovat kapacitu a polarizaci článku při nabíjení a vybíjení. Tyto údaje jsou zásadní pro vývoj nových materiálů, optimalizaci provozních podmínek a zajištění kvality v průmyslové i laboratorní praxi.

Cíle a přehled studie

Cílem této studie bylo demonstrovat možnosti galvanostatického nabíjení a vybíjení 2,6 Ah Li-ion baterie v rozsahu proudových poměrů od C/10 až po 2C pomocí přístrojové sestavy Autolab a analyzovat získané potenciálové křivky časově i kapacitně.

Použitá metodika a instrumentace

Pro experiment byl použit potenciostat/galvanostat Autolab PGSTAT302N doplněný výkonovým zesilovačem BOOSTER20A a softwarem NOVA. Test probíhal v rozsahu napětí 3,0–4,2 V při konstantních proudech odpovídajících C-rátám 0,1C (260 mA), 0,2C (520 mA), 1C (2,6 A) a 2C (5,2 A). Kapacita byla vypočtena integrací proudu násobeného dobou běhu děleno konverzí 3600 s/h.

Hlavní výsledky a diskuse

Potenciál vs. čas:

• Při 0,1C a 0,2C se objevují výrazné plošiny odpovídající redoxním dějům a téměř kompletní interkalaci/deinterkalaci Li-iontů.
• Při vyšších C-rátách roste polarizace, čas není dostatečný k úplnému nabití/vybití, kapacity výrazně klesají.

Potenciál vs. relativní kapacita:

• Při 0,1C dosažena téměř 100 % nominální kapacity.
• Při 0,5C klesá na 90 %, při 1C na cca 60 % a při 2C již pouze na 12 %.

To potvrzuje omezení kinetiky interkalace při rychlém cyklování.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda poskytuje rychlou a reprodukovatelnou charakterizaci kapacity a kinetiky Li-ion baterií. Je vhodná pro vývoj nových elektrochemických materiálů, ověřování kvality sériově vyráběných článků i pro rutinní kontrolu životnosti v průmyslových laboratořích.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření kombinace galvanostatického cyklování s in situ spektroskopickými a mikroskopickými technikami, využití automatizovaného testování s AI-based analýzou dat a aplikace na nové materiály s vysokou hustotou energie a širokým bezpečnostním oknem.

Závěr

Použitím Autolab PGSTAT302N s BOOSTER20A a softwarem NOVA lze efektivně provádět galvanostatické testy Li-ion baterií při různých C-rátách a získat kvantitativní přehled o kapacitě a polarizačních jevech. Metoda je vhodná pro R&D i pro průmyslové využití.

Reference

• AN-BAT-002, Metrohm Autolab Application Note, listopad 2018