Inzicht in de interne weerstand van lithiumbatterijen en hoe deze te meten.

In het huidige technologische tijdperk dienen lithiumbatterijen als stroombron voor talloze elektronische apparaten, waardoor hun prestaties cruciaal zijn. De interne weerstand van lithiumbatterijen, een vaak over het hoofd geziene parameter, heeft in werkelijkheid een grote invloed op de prestaties van de batterij. Laten we vandaag eens dieper ingaan op de mysteries van de interne weerstand van lithiumbatterijen.

Wat is de interne weerstand van een batterij?

De interne weerstand van een batterij verwijst naar de weerstand die wordt ondervonden wanneer er stroom door de batterij loopt. Deze weerstand bestaat uit ohmse weerstand, elektrochemische polarisatieweerstand, ionenmigratieweerstand en andere componenten.

Ohmse weerstand bestaat hoofdzakelijk uit de weerstand van de elektrodematerialen, de elektrolyt, de separatorweerstand en de contactweerstand tussen de componenten, en is gerelateerd aan de grootte, structuur en assemblage van de batterij.

Elektrochemische polarisatieweerstand en ionenmigratiepolarisatieweerstand (gezamenlijk polarisatieweerstand genoemd ) verwijzen naar de interne weerstand die wordt veroorzaakt door polarisatie tijdens elektrochemische reacties aan de elektroden.

Verschillende batterijtypen vertonen verschillende interne weerstanden. Zelfs batterijen van hetzelfde type kunnen een variërende interne weerstand hebben als gevolg van verschillen in hun interne chemische eigenschappen. De interne weerstand van een batterij is doorgaans erg klein, meestal gemeten in milliohm (mΩ). De interne weerstand is een belangrijke technische indicator voor het evalueren van de batterijprestaties. Over het algemeen geldt dat batterijen met een lagere interne weerstand een sterker ontladingsvermogen bij hoge stroomsterktes hebben, terwijl batterijen met een hogere interne weerstand een zwakker ontladingsvermogen hebben.

Vanuit het perspectief van de principes van een ontladingscircuit kan een batterij worden gemodelleerd als een ideale stroombron (met een interne weerstand van nul) in serie met een kleine weerstand (interne weerstand). Bij een lichte belasting is de spanningsval over de interne weerstand klein; bij een zware belasting neemt de spanningsval toe, waardoor een deel van het vermogen wordt gedissipeerd als warmte of door complexe omgekeerde elektrochemische reacties. Nieuwe oplaadbare batterijen hebben doorgaans een lage interne weerstand, maar langdurig gebruik leidt tot uitputting van het elektrolyt en verminderde activiteit van interne chemische stoffen, waardoor de interne weerstand geleidelijk toeneemt. Wanneer de interne weerstand te hoog wordt om de opgeslagen energie effectief vrij te geven, bereikt de batterij het einde van zijn levensduur. De meeste verouderde batterijen verliezen hun praktische waarde door een te hoge interne weerstand. Daarom moeten we ons meer richten op de werkelijke ontladingscapaciteit dan op de laadcapaciteit.

De interne weerstand is geen vaste waarde.

De complexiteit schuilt in het feit dat de interne weerstand van een batterij varieert met de laadstatus (SOC) en de gezondheidstoestand (SOH). Technisch gezien wordt de interne weerstand van een batterij doorgaans in twee categorieën ingedeeld:

1. Interne weerstand in opgeladen toestand : Gemeten wanneer de batterij volledig is opgeladen.

2. Interne weerstand in ontladen toestand : Gemeten wanneer de batterij volledig ontladen is tot de standaard uitschakelspanning.

De interne weerstand in ontladen toestand is over het algemeen instabiel en levert vaak hogere meetwaarden op, terwijl de interne weerstand in opgeladen toestand relatief stabiel is en meer betekenis heeft voor praktische vergelijkingen. Daarom wordt bij batterijmetingen doorgaans de interne weerstand in opgeladen toestand als standaard gebruikt.

De interne weerstand kan met conventionele methoden niet nauwkeurig worden gemeten.

Sommigen herinneren zich misschien nog natuurkunde-experimenten op de middelbare school waarbij weerstandskastjes werden gebruikt om de interne weerstand van een batterij te berekenen. Dergelijke methoden bieden echter een lage precisie en zijn alleen geschikt voor theoretisch onderwijs, ze voldoen niet aan de eisen van praktische toepassingen. De interne weerstand van een batterij is extreem klein (doorgaans in micro-ohm of milliohm), waardoor conventionele metingen een nauwkeurigheid van ±5% vereisen. Zulke strenge eisen maken gespecialiseerde instrumenten noodzakelijk.

Industriestandaard meetmethoden voor de interne weerstand van batterijen

In industriële toepassingen vereist een nauwkeurige meting van de interne weerstand van een batterij gespecialiseerde apparatuur. De twee belangrijkste methoden zijn:

1. Meting van de interne weerstand bij gelijkstroomontlading

Op basis van de formule R=U/I dwingt de testapparatuur de batterij om gedurende een korte periode (meestal 2-3 seconden) een grote, constante gelijkstroom (doorgaans 40A-80A) te geleiden, meet de spanningsval over de batterij en berekent de interne weerstand.

Voordelen: Hoge meetnauwkeurigheid, met gecontroleerde fouten die potentieel onder de 0,1% liggen.

Nadelen:

• Alleen van toepassing op accu’s of batterijen met een hoge capaciteit; accu’s met een lage capaciteit zijn niet bestand tegen zulke hoge momentane stromen.
• Hoge stromen veroorzaken elektrode-polarisatie, wat extra polarisatieweerstand genereert. Hierdoor zijn extreem korte meettijden nodig om aanzienlijke fouten te voorkomen.
• Hoge stroomsterktes kunnen interne elektroden beschadigen.

2. Meting van de interne weerstand bij wisselspanningsval

Omdat een batterij kan worden gemodelleerd als een actieve weerstand, past deze methode een kleine wisselstroom met een vaste frequentie (doorgaans 1 kHz) en vaste amplitude (bijvoorbeeld 50 mA) toe op de batterij, meet de wisselspanningsrespons en berekent de interne weerstand door middel van gelijkrichting, filtering en operationele verwerking. De meettijd is extreem kort (~100 ms).

Voordelen:

• Brede toepasbaarheid: kan vrijwel alle batterijtypen meten (inclusief batterijen met een kleine capaciteit), zoals bijvoorbeeld laptopbatterijen.
• Minimale schade aan de batterijen.

Nadelen:

• De meetnauwkeurigheid (doorgaans een foutmarge van 1%–2%) is over het algemeen lager dan bij gelijkstroomontladingsmethoden.
• Gevoelig voor rimpelstroom en harmonische interferentie, waardoor een hoge ruisimmuniteit in instrumentcircuits vereist is.

3. Instrumentfouten en verbindingsproblemen

Ongeacht de methode moet rekening worden gehouden met fouten in de instrumentcomponenten en verbindingsproblemen. Vanwege de extreem kleine weerstanden die worden gemeten, moet rekening worden gehouden met de weerstand van de meetdraden (micro-ohm niveau) en de contactweerstand tussen de accupolen en -draden. Daarom beschikken professionele accuweerstandsmeters over interne foutcompensatie en zijn ze voorzien van speciale meetdraden met lage weerstand en een veilige accuhouder.

Invloed van interne weerstand op de prestaties van lithiumbatterijen

1. Ontladingsprestaties

Een hogere interne weerstand veroorzaakt een grotere spanningsval tijdens de ontlading, waardoor de uitgangsspanning afneemt en de maximale stroomsterkte wordt beperkt. In situaties met een hoge stroomvraag (bijvoorbeeld bij het accelereren van een elektrische auto of bij gebruik van apparaten met een hoge belasting) leidt een te hoge interne weerstand tot prestatievermindering.

2. Laadprestaties

Een hoge interne weerstand beperkt de laadstroom, waardoor de laadsnelheid afneemt, de laadtijd langer wordt en de efficiëntie vermindert. Nu snellaadtechnologieën steeds gangbaarder worden, is het verlagen van de interne weerstand essentieel voor het verbeteren van de laadprestaties.

3. Percentage zelfontslagen

Zelfontlading verwijst naar het capaciteitsverlies van lithiumbatterijen wanneer deze niet in gebruik zijn, als gevolg van interne chemische reacties. Een verhoogde interne weerstand gaat vaak gepaard met of versnelt deze nevenreacties, wat de zelfontlading mogelijk verergert.

4. Thermische eigenschappen

De warmteontwikkeling tijdens bedrijf (I²R-verlies) is evenredig met de interne weerstand (R). Een hogere interne weerstand veroorzaakt een grotere warmteontwikkeling bij dezelfde stroomsterkte, waardoor de temperatuur van de lithiumbatterij stijgt en de stabiliteit en veiligheid mogelijk in gevaar komen (vooral bij hoge stroomsterktes of temperaturen).

5. Levensduur van de cyclus

Een toenemende interne weerstand is een belangrijke indicator voor de veroudering van lithiumbatterijen. Een hogere interne weerstand veroorzaakt een groter energieverlies (warmte) per laad-ontlaadcyclus, waardoor het actieve materiaal minder efficiënt wordt benut en de prestaties sneller achteruitgaan, wat uiteindelijk de levensduur van de lithiumbatterij verkort.

Optimalisatiestrategieën om interne weerstand te verminderen en prestaties te verbeteren

• Materiaaloptimalisatie: Gebruik elektrodematerialen met een hoge geleidbaarheid en lage polarisatie (bijv. geleidende koolstoffen, kathodes van enkelkristal/hoog nikkelgehalte) en elektrolyten/additieven met een lage viscositeit en hoge geleidbaarheid. Verbeter de zuiverheid en uniformiteit van het materiaal.
• Structurele verbeteringen: Optimaliseer het elektrodeontwerp (uniformiteit van de coating, verdichtingsdichtheid, stroomcollectoren), verminder de dikte van de separator (op een veilige manier) en verbeter de bevochtigbaarheid van het elektrolyt om de ohmse en grensvlakweerstand te verlagen.
• Batterijbeheersystemen (BMS): Deze systemen regelen nauwkeurig het laden en ontladen (voorkomen overladen, overontladen en extreme stroomsterktes) en handhaven optimale temperaturen om de toename van de interne weerstand te vertragen.
• Geavanceerd thermisch beheer: Implementeer vloeistofkoeling, geforceerde luchtkoeling of faseveranderingsmaterialen (PCM’s) om optimale bedrijfstemperaturen te handhaven, thermische oververhitting te voorkomen en versnelde veroudering tegen te gaan.

Conclusie

Veel verouderde lithiumbatterijen behouden een aanzienlijke capaciteit, maar worden onbruikbaar door een te hoge interne weerstand – een ware verspilling. Zodra de interne weerstand significant toeneemt, is handmatige verlaging ervan extreem moeilijk. “Herstel”-methoden zoals pulsen met hoge stroomsterkte, druppelladen of bevriezing blijken doorgaans nutteloos. Inzicht in deze principes benadrukt het belang van het kiezen van lithiumbatterijen met een inherent lage interne weerstand. Bovendien verhoogt langdurige opslag de interne weerstand; daarom wordt regelmatig gebruik aanbevolen om de elektrochemische activiteit te behouden.

De bron vind u hier.