Bateriové cyklery a potenciostaty ve vědě i ve výrobě

Socioekonomický dopad baterií je obrovský. Podle databáze Grand View Research byla velikost trhu s bateriemi v roce 2020 odhadnuta na více než 100 miliard USD. Řešení skladování energie, která se zaměřují na baterie, jsou považována za klíčové v boji proti globálnímu oteplování a při nahrazování fosilních paliv.

Jedním ze zásadních nástrojů pro vývoj řešení pro ukládání energie v budoucnosti jsou bateriové cyklery. Cyklování baterie je operace, při které je baterie testována po určitou dobu prováděním nepřetržitého opakování nabíjecích/ vybíjecích cyklů. Tento proces slouží například k testování stárnutí bateriových článků, umožňuje studovat různé parametry, porozumět jevům a vlivům, které jsou ve hře, a umožňují odhadnout dobu životnosti baterie. Například úplné vybití baterie může být systematicky prováděno pro sledování kapacity baterie jako celkové množství energie, kterou lze do článků uložit. Poskytuje informace potřebné k výpočtu stavu nabití a kondice baterie, aby bylo možné posoudit její výkon. Tyto údaje jsou neustále zkoumány s cílem zlepšit kvalitu a autonomii baterie během vývoje článku nebo jednoduše zajistit, aby kvalita baterie splňovala požadovaný standard během výroby.

Zařízení pro testování baterií může také být nástrojem ke studiu a stanovení vnitřního odporu elektrochemického článku, nejčastěji použitím elektrochemické impedanční analýzy – EIS. Tato data též poskytují cenné informace o vzniku a průběhu degradačních procesů v baterii.

Skutečnost, že žádná chemie baterií není stejná, je dalším důvodem, proč cyklery baterií hrají tak klíčovou roli. Ve skutečnosti neexistuje žádné ”univerzální“ řešení, pokud jde o design baterie. Naproti tomu existuje nesčetné množství různých aplikací, z nichž každá vyžaduje baterii specificky vhodnou pro tento účel. Zařízení pro testování baterií hraje klíčovou roli při charakterizaci baterií, analýze jejich funkce a poskytování klíčových údajů, které lze použít k jejich dalšímu zlepšení nebo testování jejich kvality.

Obecný princip bateriového cykleru je v zásadě stejný jako princip potenciostatu/galvanostatu. Je určen k aplikaci proudu a měření napětí (galvanostatický režim) nebo opačné funkce (potenciostatický režim). Pokud mají cyklery možnosti měření impedance, mohou aplikovat a zpracovávat stejnosměrné – DC i střídavé – AC signály.

Princip je stejný, ale konečný cíl je poněkud odlišný. V důsledku toho jsou kritéria výběru zařízení také odlišná a je třeba je pečlivě zvážit. Níže uvedená vysvětlení pomohou pochopit důležitost každého parametru. Co by mělo být vzato v úvahu při investování do bateriového cykleru? Vlastnosti a charakteristiky lze rozdělit do tří klíčových částí: experimentální charakteristiky, analytické charakteristiky a další faktory důležité pro bezpečnost a výkon akumulátoru. Jako základní faktory lze uvést:

Vlastnosti a charakteristiky zařízení pro plánování a realizaci experimentu – měření, zejména:

• rozlišení, přesnost, správnost měření,
• počet měřicích kanálů,
•  výkon,
• možnost EIS.

• Analýza získaných dat a jejich prezentace:

•  analytické nástroje pro DC i AC měření,
• možnosti grafických prezentací,
• možnost záznamu teploty.

• Další přidružené faktory a vlastnosti zařízení, jako:

• SW, jeho schopnosti a ”přívětivost“,
• rozsah příslušenství,
• bezpečnost,
• dlouhodobá podpora zařízení výrobcem a distributorem.

Níže uvedené schéma nastiňuje několik faktorů, které jsou rozhodující pro fungování vysoce výkonného bateriového cykleru.

Jednou z hlavních výzev v oblasti testování baterií je řízení času. Většina testovacích postupů zahrnuje stárnutí článků cyklováním. Jak název testu napovídá, právě pro tento účel jsou navrženy bateriové cyklery. Tyto typy studií jsou však časově velmi náročné. Jeden experiment může trvat i měsíce. Často je nemožné, aby uživatelé počkali na dokončení testu před spuštěním dalšího. To je důvod, proč mít k dispozici několik měřicích kanálů, které lze provozovat nezávisle současně. Vícekanálové systémy, které jsou k dispozici na většině moderních cyklerů baterií, umožňují uživatelům pracovat na různých projektech nebo bateriích současně. Jeden základní modul cykleru BioLogic BCS-8xx, je standardně dodáván s osmi kanály. Je snadné přidat další moduly pro zvýšení počtu kanálů v bateriovém testeru. Zařízení pro testování baterií lze použít pro testování řady různých formátů a typů baterií. V tomto smyslu lze každý kanál cykleru baterií považovat za samostatný přístroj. Další výhodou tohoto typu architektury cykleru baterií je, že optimalizuje pracovní postup. Cyklování baterie zahrnuje implementaci a správu opakovaných měření. Je to důležité, aby bylo možné napodobit normální pracovní podmínky baterie. Více kanálové zařízení pomáhá uživateli dosáhnout tohoto cíle rychleji a efektivněji. Stejně jako v případě potenciostatů neexistuje žádné univerzální řešení pro elektrochemické měření v bateriových cyklerech. Cykler baterií musí mít specifikaci vhodnou pro bateriový článek, svazek nebo modul, který se testuje. To vysvětluje širokou škálu testerů baterií dostupných na trhu. Z tohoto důvodu jsou v řadě BioLogic BCS-800 k dispozici tři základní moduly. BCS-805 je nejmenší cykler baterií v rodině, s maximálním proudem ± 150 mA na kanál, takže je vhodný pro malé baterie, jako jsou zejména knoflíkové články. BCS-810, s maximálním proudem ± 1,5 A na kanál, je středně velký bateriový cykler, ideální pro výzkumné a vývojové laboratoře a pilotní linky. Konečně, BCS-815, tahoun rodiny bateriových cyklerů s maximálním proudem ±15 A na kanál, je ideální pro testy vysokého výkonu a nabízí možnost paralelního propojení kanálů pro dosažení vyššího proudu, ± 30 A, ± 60 A nebo dokonce ± 120 A.

Testování baterií má širokou škálu aplikací. Uživatelé musí porozumět svému profilu, aby se mohli zaměřit na správné specifikace, popis a režii experimentů. Je zřejmé, že někteří uživatelé se mohou ocitnout ve dvou, třech nebo dokonce čtyřech různých uživatelských profilech, což je důvod, proč zařízení pro testování baterií musí být modulární a musí reagovat na široké spektrum požadavků. Různé profily jsou shrnuty na obr. 2 níže.

Výkon a maximální proud jsou vždy klíčové. Jsou zvláště cenné pro aplikace pro simulace životního cyklu a simulace zatížení.

Obrázek 2: Různé uživatelské profily a typy experimentů, které je třeba spustit

Zejména pro výzkum, vývoj a pokročilou analýzu jsou důležité tři faktory, které je třeba pečlivě zvážit, a to rozlišení měřených veličin, přesnost a správnost – preciznost. Jak je patrné z obr. 3, při použití zařízení s vyšším rozlišením je rozdíl mezi digitálně zjištěnou hodnotou a aktuální hodnotou měřené veličiny menší, tedy tato digitálně naměřená hodnota je blíže správné hodnotě, je pravdivější. Měření tak tedy poskytuje přesnější – preciznější hodnoty fyzikální veličiny, než je tomu při měření se zařízením s nižším rozlišením.

Obrázek 3: Schéma vysvětlující, jak může rozlišení zařízení ovlivnit řízení experimentu a výsledek měření. Nahoře: Nízké rozlišení – Dole: Vysoké rozlišení

Rozsáhlé možnosti, jak získat další důležité informace o jevech na rozhraní elektrod nebo o vnitřním odporu článku poskytuje AC měření a zejména Elektrochemická impedanční spektroskopie – EIS.

Řada ultra precizních cyklerů/potenciostatů/galvanostatů MPG-200, nabízí možnost EIS jako volitelnou výbavu pro každý kanál s frekvenčním rozsahem od 10 µHz do 100 kHz. Aby bylo možné i uživatelům cyklerů rodiny BCS-8xx poskytnout funkci EIS za přijatelnou cenu, je možnost EIS sdílena napříč všemi kanály modulu. Frekvenční rozsah v tomto případě pokrývá rozsah 10 mHz až 10 kHz, což je jednoznačně dostačující pro potřeby testování běžných druhů, zejména Li-článků. Případný požadavek měření EIS do vyšších frekvencí nabízí potenciostaty až do 7 MHz, případně impedanční analyzátor MTZ-35 s limitní frekvencí 35 MHz.

Podívejme se na analytické charakteristiky. Předně, vítězná je kombinace vysoce kvalitního hardwaru a kvalitního nástroje pro práci s daty – softwaru. Pokusme se odpovědět na otázku „Bude zvolený cykler baterií schopen provést analýzu, kterou potřebuji“? Cyklické testování baterie je o řízení a o měření proudu, napětí a času. Pomocí těchto veličin lze vypočítat sledované hodnoty, jako je elektrický náboj a energie. Klíčovou otázkou je, jak se tyto hodnoty veličin zájmu počítají. Zásadní roli hraje tzv. vzorkovací frekvence (sampling rate nebo sampling frequency), dříve vzorkovací kmitočet, který definuje počet měřících „vzorků“ za jednotku času (obvykle za 1 sekundu), načítaných ze spojitého analogového signálu při jeho přeměně na diskrétní signál. Převrácená hodnota vzorkovací frekvence je vzorkovací perioda nebo vzorkovací interval neboli čas mezi vzorky, resp. čas mezi dvěma odečty měřené veličiny. V důsledku vzorkovací frekvence dochází ke ztrátě informací mezi daty shromážděnými hardwarem a daty zaznamenanými softwarem. Hardwarový výpočet je v důsledku toho přesnější než softwarový výpočet a hardwarová analýza poskytuje uživateli velkou přidanou hodnotu.

Vestavěný hardware v cyklerech baterií a potenciostatech BioLogic zaznamenává ve vysoké úrovni měřicí body (typicky každé 2 ms) a vypočítává v reálném čase hodnoty, jako je například náboj nebo výkon. To nemá vliv na výkonnost bateriového cykleru, protože do softwaru jsou odesílány pouze body v požadované vzorkovací frekvencí. Výsledkem je, že body a výpočty jsou extrémně přesné bez přesycení ukládaných datových souborů. Export dat za účelem provádění analýz nebo vykreslování grafů v jiném softwaru může být pracný a časově velmi náročný. V ideálním případě by experimenty, reprezentace a analýzy měly být prováděny pomocí stejného softwaru, aby se zabránilo exportu / importu dat. Vykreslení grafu, který vás zajímá, přímo v okně software provádějícího experiment poskytuje lepší okamžitý přehled o tom, co se v systému děje. Mít stejný software pro experimenty a analýzu také znamená, že analýza může být prováděna za běhu experimentu. Výhodou je, že například v případě dlouhodobých experimentů má uživatel možnost zjistit, zda je v systému něco špatně, nebo začít využívat výsledky bez nutnosti čekat na dokončení experimentu nebo experiment přerušovat. A konečně, softwarová řešení typu ”vše v jednom“ vyžadují méně času na školení nových spolupracovníků na projektech, protože se musí naučit používat pouze jedno softwarové řešení namísto dvou – jedno pro experimenty a jedno pro analýzu.

Programové balíky EC-Lab® a BT-Lab® jsou komplexní softwarová řešení, která zajišťují experimentování, vykreslování grafů a analýzu. Nadto mají další užitečné možnosti. Užitečnou možností je zejména záznam teploty testovaného zařízení během experimentu. Znalost teplotních efektů je důležitá zejména pro některé studie funkční způsobilosti, jakož i pro bezpečnost samotného testu. Zvýšení teploty může znamenat tepelný únik zařízení a může indikovat, že experiment by měl být zastaven. Dostupnost záznamu teploty je tedy parametrem, který je třeba vzít v úvahu při výběru zařízení pro testování baterií. Přístroje BioLogic zajišťují záznam teploty pomocí sond PT100 (řada MPG) nebo termočlánků typu K (řada BCS).

Zejména při práci s vysokovýkonnými bateriemi hraje roli i bezpečnost při realizaci experimentu. Testování baterií není experiment bez rizika. Vyžaduje bezpečnostní opatření, aby se zabránilo jakýmkoli incidentům. Zaznamenávání teploty je příkladem něčeho, co by mělo být zváženo ve vztahu k bezpečnosti experimentu. Schopnost zastavit experiment, pokud jsou teplota, napětí nebo nabití příliš vysoké, je životně důležité, protože testování baterie často probíhá po dlouhou dobu a uživatel nemůže být vždy přítomen, aby dohlížel na klíčové parametry. Předpokladem pro tento typ zkoušky je možnost nouzového zastavení, které zastaví všechny testy spuštěné na modulech a otevře všechny elektrické obvody, aby žádné z testovaných zařízení nebylo „pod zátěží“.

Obrázek 4: Bezpečnostní prvky přístrojů BioLogic. Vlevo: SW Bezpečnostní limity – Vpravo: Tlačítko „Nouzové zastavení“.

Je software kompletní a uživatelsky přívětivý? Je zdánlivým paradoxem požadovat kompletní software, který současně umožňuje nastavení experimentů s vysokou mírou svobody a přístupu ke všem experimentálním parametrům, bohatými možnostmi vykreslování přizpůsobených grafů a provádění analýz a zároveň je snadný a intuitivní při použití. To je však něco, co je pro efektivitu přípravu a realizace experimentu a následné vyhodnocení a prezentaci dat zásadní a ve skutečnosti není zcela neslučitelné, jak uvádějí dlouhodobí uživatelé SW EC-Lab® a BT-Lab®. Manipulace se softwarem by neměla být aktivitou, u níž uživatelé tráví většinu svého pracovního času!

Důležitým faktorem hodnocení kvality SW je poprodejní podpora. Při výběru zařízení pro testování baterií je důležité vzít v úvahu úroveň údržby potřebnou k udržení přístroje v dobrém provozním stavu. Pokud je přístroj náročný na údržbu, uživatelé mohou být frustrováni úsilím potřebným k pokračování v rutinních experimentech. Dokonce i u vysoce kvalitních přístrojů s nízkou údržbou je třeba zvážit, co se stane, když se něco pokazí. Je důležité mít vy- 32 CHEMAGAZÍN • 2 / XXXIII (2023) LABORATORNÍ MĚŘENÍ sokou úroveň technické podpory pro uživatele. Tato podpora musí také reagovat na problémy, když nastanou, a efektivně řešit opravy. Výběr nástroje s nízkou úrovní podpory není problém, pokud vše funguje dobře, ale pokud se něco pokazí, může to později vést k nákladným prostojům. Poprodejní podpora nepokrývá pouze odezvu, když se něco pokazí, ale zahrnuje také vše, co pomáhá uživatelům získat co nejvíce z jejich nástrojů. Stejná vysoká úroveň technické podpory, která existuje pro řešení jakýchkoli problémů, by měla být aplikována na praktické otázky uživatelů. Pro ty, kteří chtějí provádět více než jen základní experimenty, je nezbytné mít přístup k médiím, včetně poznámek, videí nebo blogových příspěvků, které popisují pokročilejší použití. Jakmile je bateriový cykler zakoupen, úroveň podpory, kterou mají uživatelé k dispozici, může mít skutečný dopad na jeho efektivní dlouhodobé používání.

Závěr: Váš akumulátor je důležitou investicí – vybírejte moudře!

Volně podle „The role of battery cyclers in science and industry, and key factors relevant to their design. – BioLogic Learning Center“.

Podrobnosti o bateriových cyklerech BCS- -8xx a MPG-2xx a rovněž o potenciostatech či výkonových boosterech FlexP 0160/0012 a o další vědecké instrumentaci od Biologic naleznete na našich webových stránkách nebo kontaktujte Pavla Janderku na janderka@pragolab.cz.