Zelfontlading Li-Ion-batterij meten

Hoe de zelfontlaadtesttijd te verkorten

Lithium-batterijen vallen op door hun lage zelfontlading, iets dat voor menige applicatie van essentieel belang is. Hoe lager immers de zelfontlading, hoe langer een applicatie die nagenoeg geen energie gebruikt op een (zo klein mogelijke) batterij kan functioneren. Hoe echter de zelfontlading bepaald kan worden, is lastig. Toch kan met goede apparatuur in enkele uren bepaald worden hoe hoog de zelfontladingsstroom is.

Wil je weten wat de zelfontlading van een batterij is, dan is de meest simpele manier het gaan meten van het spanningsverloop van de batterij in de tijd zonder dat deze belast wordt. Afhankelijk van het type batterij en zijn capaciteit kan het maanden tot jaren duren tot het punt is bereikt dat de spanning bij een minimale belasting in begint te storten en de batterij uit zichzelf is leeggelopen. Met name bij Lithiumcellen die een hele lage zelfontlading hebben, is dit dan ook niet de manier, vooral ook niet omdat we bij deze meting ook nog eens grote afwijkingen kunnen krijgen doordat de temperatuur niet constant is gehouden of dat het meetcircuit de batterij al te veel belast. Producenten van batterijen alsmede grootgebruikers willen veel sneller weten wat de zelfontlading is om zo een onderscheid te kunnen maken tussen batterijen met een hoge of een lage zelfontlading. Er is gelukkig een manier om de kwaliteit van de cellen in enkele uren in plaats van maanden te bepalen, een techniek die kostenbesparend is en de time-to-market aanzienlijk verbetert.

Waarom belangrijk?
Opgeladen Li-ion-cellen zullen na verloop van tijd hun lading verliezen. Dit proces staat bekend als zelfontlading. Figuur 1 toont het zelfontladingsmodel waarbij R_SD de weerstand vertegenwoordigt waardoor de zelfontladingsstroom ISD loopt. Wanneer de cel niet is aangesloten op een belasting, wordt deze door de hoogohmige weerstand R_SD ontladen. Zo loopt gedurende weken of maanden de opgeslagen energie uit de cel weg waardoor V_CELL afneemt.
Een zekere mate van zelfontlading is normaal als gevolg van chemische reacties die plaatsvinden in de cel. Verlies van opgeslagen energie leidt echter tot een lager dan gewenste celcapaciteit en wanneer cellen worden samengevoegd in meercellige batterijpakketten, leiden verschillende snelheden van zelfontlading tot onevenwichtigheid in de batterij.
Zelfontlading kan ook het gevolg zijn van lekstroompaden die in de cel aanwezig zijn. Deeltjesvormige verontreinigingen en dendriet-groei produceren interne micro-shorts, waardoor dergelijke lekstroombanen ontstaan. Dit zijn echter geen normale eigenschappen en ze kunnen leiden tot een catastrofaal falen van de cel. Hoge niveaus van zelfontlading kunnen dan ook een indicatie zijn voor latente fouten. Het is daarom belangrijk om de zelfontlading te bepalen en te evalueren in het ontwerp en de productie van de cellen. Tijdens het ontwerp van de cel is het een topprioriteit om mogelijke oorzaken van hoge zelfontlading te elimineren. Bij de productie is het van cruciaal belang om cellen die abnormale hoge zelfontlading vertonen zo vroeg mogelijk uit het proces te verwijderen.

Hoe te meten
Het bepalen van de zelfontlading aan de hand van het verloop van de open celspanning (OCV) is relatief eenvoudig. Elke goede digitale multimeter is hiervoor in te zetten. De uitdaging ligt niet in de complexiteit van de meting, maar in de tijd die nodig is om de zelfontlading van de cel te bepalen op basis van de veranderingen in de OCV. Met name bij lithium-cellen is dit een zeer langdurig verhaal. De daling van de lading is meestal ongeveer 0,5 tot 1% per maand en omdat I_SD erg klein is (meestal enkele tot enkele honderden microampères afhankelijk van de celgrootte) daalt de spanning van de cel heel langzaam. Omdat Li-ion-cellen zeer weinig verandering in OCV hebben tijdens het ontladen, duurt het weken tot maanden voordat een aanzienlijk verlies van de ladingstoestand van een cel (SOC) wordt gedetecteerd en een goede cel wordt onderscheiden van een slechte cel met hoge zelfontlading.
Het is dan ook echt een uitdaging voor ontwerpers, gebruikers en fabrikanten om snel het zelfontladingsgedrag van hun cellen te meten met behulp van de OCV-methode. De tijd die aan elke celmeting wordt besteed, is niet erg lang, maar een reeks van deze metingen, verspreid over weken of maanden, kan een grote invloed hebben op de ontwerptijd. Tijdens dit evaluatieproces moeten de ontwerpers de cellen opslaan en volgen onder temperatuurgecontroleerde omstandigheden, aangezien de celspanning varieert met de temperatuur. Dit beperkt niet alleen de ontwerpcyclus, maar ook de time-to-market.
Voor het testen van cellen tijdens de fabricage is deze methode al helemaal een probleem. Niet alleen vraagt het uiteindelijk vele manuren, maar nog belangrijker is dat de cellen lange tijd opgeslagen moeten worden, een klus waarbij nogal wat risico’s zijn. Cellen met productiefouten kunnen, zoals we allemaal weten, spontaan in brand vliegen. Dit probleem is erger voor cellen met een grotere capaciteit.