È meglio avere una resistenza alta o bassa nelle batterie 18650?

È meglio avere una resistenza alta o bassa nelle batterie 18650?

Potresti essere incuriosito dalla domanda di cui sopra. Non è ovvio che le batterie a bassa resistenza sono sempre le migliori? Dopotutto, la resistenza interna spreca l'energia della batteria. Intuitivamente, potresti obiettare che avere una batteria a resistenza zero sarebbe l’ideale! Beh, non proprio, poiché la resistenza zero aumenta il rischio di cortocircuiti.

Il ruolo della resistenza nei circuiti elettrici è simile a quello dell'attrito nella nostra vita quotidiana. Ad esempio, riesci a immaginare un mondo in cui non ci siano attriti? In un mondo del genere, anche stare in piedi o camminare sarebbe problematico, poiché tutto scivolerebbe. Allo stesso modo in cui l'attrito regola il movimento meccanico, la resistenza elettrica regola il flusso della corrente elettrica. In qualsiasi applicazione con batteria, è importante abbinare l'alimentazione alla richiesta di energia e la resistenza gioca un ruolo importante. Ma a quale livello la resistenza è inaccettabile? Esploriamo questo argomento concentrandoci sul popolare 18650 cella della batteria.

Cos'è la resistenza interna della batteria?

La resistenza interna di una batteria è la resistenza offerta al flusso di corrente elettrica interna tra i suoi elettrodi. Dipende da diversi fattori come il tipo di batteria, la chimica, l'età, la temperatura, lo stato di carica e l'applicazione.

Immagina che la corrente elettrica che scorre in un sistema di batterie sia come l'acqua che scorre attraverso un rubinetto fissato a un serbatoio di stoccaggio. Quindi, la differenza di tensione tra gli elettrodi della batteria è come la differenza di livello o di pressione che spinge l'acqua fuori dal serbatoio. La resistenza interna di una batteria può essere paragonata alla resistenza del rubinetto come mostrato in Figure 1 .Figura 1 Analogia idraulica La resistenza interna riduce il flusso di corrente


La velocità con cui una batteria agli ioni di litio può fornire corrente dipende dalla velocità con cui gli ioni di litio si muovono tra l'anodo e il catodo. La resistenza interna rallenta la loro velocità di viaggio. La resistenza interna delle batterie agli ioni di litio può essere suddivisa in tre componenti, vale a dire:

  • Resistenza alla diffusione
  • Resistenza al trasferimento di carica
  • Resistenza elettrolitica

Figura 2 Componenti della resistenza interna della batteria agli ioni di litio

Questi sono illustrati in Figure 2  e di seguito descritto:

Resistenza alla diffusione

Ciò è correlato alla conduttività ionica all'interno degli elettrodi. Gli ioni di litio spostandosi da un elettrodo all'altro si staccano dalle strutture degli elettrodi e si dissolvono nell'elettrolita. All'interno delle strutture degli elettrodi, questi ioni migranti sono limitati dalla disposizione locale degli atomi e dalle interazioni elettrostatiche, con conseguente resistenza alla diffusione.

Resistenza al trasferimento di carica

Questa è la resistenza incontrata dagli ioni di litio quando attraversano l'interfase dell'elettrodo solido (SEI). Il SEI si forma inizialmente durante la produzione della cella sull'anodo, per prevenire reazioni tra elettrodo ed elettrolita. Sebbene consenta agli ioni di litio di migrare, blocca gli elettroni. Lo spessore dello strato SEI aumenterà durante la vita utile della batteria. Ai fini dell'analisi quantitativa della resistenza SEI, questa viene solitamente modellata come combinazione di resistenza al trasferimento di carica e capacità a doppio strato. Questo è illustrato Figure 3 .

Figura 3 Resistenza al trasferimento di carica al SEI

Resistenza agli elettroliti

La velocità con cui gli ioni di litio si muovono attraverso l'elettrolita dipende dalle proprietà chimiche e fisiche dell'elettrolita. La resistenza dell'elettrolita e del separatore è anche chiamata resistenza di massa o resistenza ohmica. È estremamente sensibile alle basse temperature, motivo per cui a temperature inferiori allo zero le batterie agli ioni di litio subiscono una grave perdita di capacità.

Come misurare la resistenza interna della batteria 18650?

Ogni componente della resistenza elettrica ha caratteristiche uniche, che richiedono tecniche di misurazione diverse. Dovresti anche essere consapevole che la resistenza interna non è un valore costante, ma dipende dalla temperatura della cella, dallo stato di carica (SoC), dalla chimica, dalla costruzione e dall'età. Pertanto, le condizioni in cui vengono eseguite le misurazioni devono essere definite esplicitamente. I metodi comuni di misurazione della resistenza includono la resistenza interna a corrente continua (DC-IR), la resistenza interna a corrente alternata (AC-IR) e la spettroscopia di impedenza elettrochimica. Questi sono spiegati di seguito:

Misurazione della resistenza DC-IR

In questo metodo, una richiesta di corrente continua sotto forma di impulso temporizzato viene applicata ai terminali della batteria e viene misurata la risposta di tensione. La resistenza viene quindi calcolata dividendo la caduta di tensione per la richiesta di corrente. Un tipico impulso di corrente dura circa 30 secondi. Vengono misurate le cadute di tensione istantanee e ritardate. Ad esempio, come mostrato nella Figura 4, la caduta di tensione istantanea viene misurata in 0.1 secondi e corrisponde alla resistenza ohmica, "Ro". La caduta di tensione dopo 1 secondo è attribuita alla resistenza al trasferimento di carica, 'RCT'. Infine, il decadimento prolungato della tensione fino a 20 secondi è una misura della resistenza alla diffusione, RD.

Figura 4 Misurazione DC-IR della cella agli ioni di litio

Misurazione della resistenza AC-IR

Il metodo CA utilizza un segnale CA a corrente costante per la batteria. Questo segnale CA ha generalmente una frequenza fissa di 1 kHz, sebbene alcuni prodotti consentano di variare la frequenza. La piccola tensione generata dalla corrente variabile viene utilizzata per calcolare i valori di impedenza. Si noti che il termine impedenza viene utilizzato per descrivere la resistenza nei circuiti CA. Ciò è dovuto alla componente reattanza, comprendente effetti induttivi e capacitivi, che si oppongono al flusso di corrente. Esiste una differenza di fase tra la reattanza e la resistenza ohmica e vengono sommate vettorialmente per calcolare l'impedenza.

I valori misurati di reattanza e resistenza ohmica per un intervallo di frequenze vengono quindi tracciati su un diagramma di Nyquist. La Figura 5 mostra un grafico per un intervallo di frequenza compreso tra 1 kHz e 1 Hz. 

Figura 5 Grafico Nyquist per un test AC-IR

Dall'asse orizzontale è possibile separare la resistenza interna totale della batteria in componenti quali resistenza alla diffusione, resistenza al trasferimento di carica e resistenza dell'elettrolita.

Spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS)

L'EIS è principalmente uno strumento di ricerca per misurare l'impedenza dinamica della batteria. La tecnica utilizza uno strumento potenziostato/galvanostato per applicare un piccolo segnale CA o uno stimolo di tensione su un'ampia gamma di frequenze di test, che vanno da pochi millihertz a megahertz. La risposta di tensione o corrente risultante viene elaborata digitalmente e i valori di impedenza misurati a varie frequenze. I risultati sono mostrati su un diagramma di Nyquist. La configurazione dell'EIS è molto costosa, complessa e richiede molto tempo e non è adatta alle operazioni della linea di produzione.

È meglio avere una resistenza alta o bassa nelle batterie 18650?

Per rispondere a questa domanda, dobbiamo guardare ai segmenti di mercato in cui domina il 18650. Essendo ad alta densità energetica, compatto e uno dei primi concorrenti sul mercato, il 18650 trova utilizzo in un'ampia varietà di applicazioni. Questi comprendono gadget e giocattoli, telefoni cellulari, computer, accumulatori di energia, droni, biciclette elettriche e veicoli elettrici. Ciascuna applicazione impone diversi modelli di richiesta di energia alla batteria. Ad esempio, le celle 18650 nelle torce elettriche o nei laptop devono fornire correnti piccole ma costanti, ma se utilizzate negli utensili elettrici, devono fornire correnti elevate e di breve durata. Nel caso dei telefoni cellulari, la domanda attuale sarebbe sotto forma di impulsi, come illustrato nella Figura 6.

Figura 6 Scarica dell'impulso corrente in un telefono cellulare

È inoltre necessario ricordare che la resistenza interna della cella 18650 varia in base alla temperatura operativa, all'età e allo stato di carica (SoC). Dispositivi come i laptop non sono soggetti a temperature estreme. Tuttavia, i veicoli elettrici e i grandi dispositivi di accumulo di energia saranno esposti a una serie di condizioni climatiche.  Figure 7   mostra la variazione della resistenza interna con valori di temperatura e SoC di una batteria 18650 prodotta dalla Tianjin Lishen Company.

Figura 7 Resistenza interna della cella 18650 rispetto a temperatura e SoC

Dalla Figura 7 puoi vedere che i valori di resistenza interna del modello testato vanno da 60 a 140 milliohm. Questi sono valori di resistenza tipici e varieranno per i vari modelli di 18650 di diversi produttori. Sulla base di questi dati di resistenza, quali sono le applicazioni più adatte per le batterie 18650? La Figura 8 mostra la resistenza della batteria e del pacco mappata rispetto alle applicazioni comuni. Osserverai che la maggior parte delle applicazioni utilizza batterie con resistenza interna compresa tra 10 milliohm e 100 milliohm. Ciò coincide in gran parte con i segmenti di mercato in cui le batterie 18650 hanno riscontrato successo. Nel caso delle batterie per veicoli elettrici è preferibile una resistenza cellulare inferiore. Quindi, anche se Tesla adottò le batterie 18650 per le sue prime berline, non fu la scelta ideale. Ora sono passati a formati più grandi e batterie a bassa resistenza.

Figura 8 Mappa dell'applicazione della batteria rispetto alla resistenza interna

Possiamo concludere, quindi, che un intervallo di resistenza compreso tra 10 milliohm e 100 milliohm è soddisfacente affinché le batterie 18650 mantengano i loro mercati nello spazio dell'elettronica di consumo e dei gadget. Una resistenza maggiore non è auspicabile.

Quali sono gli svantaggi della batteria 18650 con elevata resistenza interna?

I principali svantaggi dell'elevata resistenza interna sono:

  • Eccessiva produzione di calore: denominata "riscaldamento Joule", deriva dall'energia persa quando la corrente scorre attraverso una resistenza. Il riscaldamento incontrollato può causare instabilità termica e incendio nelle batterie agli ioni di litio.
  • Perdita di potenza: la potenza effettiva erogata dalla batteria è ridotta a causa della resistenza interna.
  • Durata della batteria: a causa della più rapida perdita di capacità, la frequenza dei cicli di ricarica aumenterà. Figure 9 mostra l'effetto della resistenza della batteria sull'autonomia della batteria di un telefono cellulare. Una batteria da 100 milliohm fornisce il doppio dell'autonomia di una batteria con resistenza da 400 milliohm.

Figura 9 Effetto della resistenza della batteria sull'autonomia

Cosa influenza la resistenza interna di una batteria

Di seguito sono riportati i principali fattori che influenzano la resistenza interna delle batterie agli ioni di litio:

  • Chimica della batteria: la composizione dell'elettrodo e dell'elettrolita influisce sulla disponibilità e sul movimento degli ioni di litio.
  • Età della batteria: lo strato SEI si accumula con l'età, aumentando la resistenza.
  • Stato di carica (SoC): la resistenza aumenta al diminuire del SoC.
  • Temperatura: la resistenza aumenta al diminuire della temperatura.
  • Costruzione della batteria: batterie con la stessa chimica e dimensioni, ma prodotte da produttori diversi, mostrano una resistenza interna diversa. Ciò è dovuto alle differenze nel metodo di costruzione delle celle.

Qual è la resistenza interna dei diversi tipi di batterie al litio?

La resistenza interna, come abbiamo appreso in precedenza, è una quantità variabile che dipende da molti parametri. I produttori generalmente non pubblicano curve di resistenza. Tuttavia, sono disponibili alcuni dati di ricerca che confrontano la resistenza di batterie diverse. Uno di questi studi europei pubblicato nel 2022 ha misurato l’impedenza e la resistenza ohmica delle celle agli ioni di litio di diversi produttori. Le misurazioni sono state effettuate utilizzando l'EIS su una gamma di frequenze e stati di carica (SOC). La resistenza ohmica misurata al 50% SOC per 10 diversi modelli di celle NMC agli ioni di litio formato 18650 è stata mostrata nella tabella seguente:

 

Costruttore Modello Capacità mAh Tensione nominale (V) Resistenza ohmica al 50% SOC (miliohm)
Mantieni il potere P1834J 3400 3.7 100.07
LG Chem HG2 3000 3.6 17.76
LG Chem M26 2600 3.65 40.66
LG Chem MJ1 3500 3.635 43.93
Murata V3 2250 3.7 33.86
Murata VTC5A 2250 3.7 73.56
Murata VTC6 3120 3.7 12.74
Nitecore NL1835HP 3500 3.6 53.67
Samsung 30Q 3000 3.6 13.24
Sanyo ZT 2700 3.7 41.10

 

Perché la resistenza interna delle batterie al litio è inferiore rispetto alle batterie a secco?

La ragione principale di ciò è la chimica di base attraverso la quale viene prodotta la corrente elettrica. Nel caso delle batterie agli ioni di litio, l'elettrolito è progettato per essere chimicamente stabile e conduttivo agli ioni di litio durante tutto il suo ciclo di vita. Non c'è accumulo di prodotti di reazione. D'altra parte, le celle a secco, che sono principalmente di tipo Zinco-Carbonio, si basano su una chimica irreversibile. Il catodo di zinco in queste celle reagisce irreversibilmente con l'elettrolita acquoso per rilasciare elettroni. Sia lo zinco che l'elettrolita vengono consumati e uno strato di prodotto di reazione si accumula sul catodo. In vari tipi di celle a secco, l'elettrolita può essere cloruro di ammonio o cloruro di zinco oppure un alcalino come potassio o idrossido di sodio. Figure10 illustra come i prodotti della reazione dello zinco si accumulano al catodo, aumentando la resistenza interna di una cella secca.

Figura 10 Accumulo di prodotti di reazione al catodo di zinco

In quali circostanze aumenterà la resistenza interna?

Dopo aver selezionato il tipo e il modello della batteria agli ioni di litio, noterai un aumento della resistenza dovuto ai seguenti motivi:

  • Età: man mano che le batterie invecchiano, mostreranno una maggiore resistenza interna
  • Bassa temperatura: la resistenza dell'elettrolita aumenta a bassa temperatura. Ecco perché nei climi freddi le batterie dei veicoli elettrici devono essere riscaldate.

Qual è l'effetto della resistenza interna sulle batterie?

L'effetto principale della resistenza interna è sulle prestazioni della batteria. Ciò si manifesta come una rapida caduta di tensione e la batteria non sarà in grado di fornire energia secondo la sua capacità nominale. L'altro problema principale è il riscaldamento. Ciò aumenta il costo dei sistemi di raffreddamento quando vengono utilizzati pacchi batteria di grandi dimensioni che impiegano migliaia di batterie, come nel caso dei veicoli elettrici. Le batterie calde aumentano il rischio di fuga termica.

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