EIS at different states of charge with INTELLO

Význam tématu

Elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS) patří mezi nejvýkonnější nedestruktivní metody pro diagnostiku a charakterizaci baterií. Sleduje změny vnitřního odporu a relaxačních procesech v závislosti na stavu nabití (SOC), což umožňuje optimalizovat materiálové složení, odhalit stárnutí článků a předpovědět jejich životnost.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo demonstrovat provedení EIS měření na li-ion mincovém článku o kapacitě 120 mAh při různých stavech nabití pomocí systému INTELLO. Studie zahrnovala opakované cykly čtení SOC, galvanostatické EIS skeny a analýzu získaných dat v softwaru NOVA.

Použitá metodika a instrumentace

Pro měření bylo využito:

• INTELLO software pro řízení postupů (procedury): cyklus nabíjení, odpočinku a EIS při definovaných SOC krocích
• Autolab VIONIC s Duo Coin-cell holderem v režimu čtyřbodového kontaktu pro přesné snímání impedance
• Galvanostatický režim EIS s amplitudou proudu odpovídající 0,01–0,05 C a frekvenčním rozsahem 100 kHz až 0,1 Hz
• Software NOVA pro modelování a fit ekvivalentního obvodu

Hlavní výsledky a diskuse

Nyquistovy a Bodeovy diagramy ukázaly tři semi-kruhové relaxační časové konstanty v oblasti středních frekvencí. S klesajícím SOC rostla zejména nejnižší-frekvenční semi-elipsa, což odpovídá zpomalení procesu přenosu náboje na katodě. Ostatní procesy vykazovaly minimální změny. Fit v NOVA podle obvodu [LR(RQ)(RQ)([RW]Q)] s konstantními fázovými prvky potvrdil, že:

• Sériový odpor Rs se zvýšil z 0,059 Ω (100 % SOC) na 0,065 Ω (10 % SOC)
• Odpor přenosu náboje Rp1 vzrostl z 0,23 Ω na 0,89 Ω mezi extrémy SOC
• Parametr Y0 CPE1 vykázal nárůst při vybíjení, ostatní CPE prvky zůstaly stabilní

Přínosy a praktické využití metody

EIS při různých SOC umožňuje:

• Optimalizaci materiálů elektrody podle kinetických vlastností
• Monitorování stárnutí článku detekcí růstu SEI vrstvy nebo degradace grafitu
• Hodnocení stavu zdraví (SOH) a prognózu životnosti baterie

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření EIS do vysokofrekvenční oblasti (až desítky MHz) pro nové typy baterií, jako jsou pevné elektrolytické články. Integrace metody s pokročilou analýzou DRT pomůže detailněji rozlišit souběžné procesy ve středních frekvencích. Kombinace EIS s in operando spektroskopií nebo tomografií přinese komplexnější pohled na fyzikální změny v článku.

Závěr

Studie prokázala, že EIS prováděné napříč různými stavy nabití poskytuje cenné informace o dynamice přenosu náboje a vnitřních odporech baterie. Implementace postupů v INTELLO a kvalifikovaný fit v NOVA dovolují kvantifikovat změny parametrů a sledovat stárnutí článků, což je klíčové pro vývoj vysoce výkonných a dlouhodobě stabilních akumulátorů.

Reference

1. Soni, R. a kol. Lithium-Sulfur Battery Diagnostics through Distribution of Relaxation Times Analysis. Energy Storage Materials 2022, 51, 97–107.
2. Iurilli, P.; Brivio, C.; Wood, V. On the Use of Electrochemical Impedance Spectroscopy to Characterize and Model the Aging Phenomena of Lithium-Ion Batteries. Journal of Power Sources 2021, 505.
3. Galeotti, M. a kol. Performance Analysis and SOH Evaluation of Lithium Polymer Batteries through Electrochemical Impedance Spectroscopy. Energy 2015, 89, 678–686.
4. Metrohm Autolab. AN-BAT-008: DuoCoin Cell Holder with 4-point EIS measurements. 2025.
5. Orazem, M. E.; Ulgut, B. On the Proper Use of a Warburg Impedance. Journal of the Electrochemical Society 2024, 171(4).