| Elektrochemische Impedanzspektroskopie
(EIS)
Die EIS beurteilt die elektrochemischen
Eigenschaften eines Akkus durch Anlegen eines Wechselstrompotentials mit variabler
Frequenz und durch das Messen des Stromverhaltens der elektrochemischen Zelle.
Die Frequenz kann zwischen 100 µHz und 100 kHz variieren. 100 µHz
ist eine sehr niedrige Frequenz, bei der eine einzige Periode (eine Schwingung)
über zwei Stunden dauert. Im Vergleich dazu vollendet die Frequenz von 100
kHz 100.000 Schwingungen nur eine Sekunde.
Das Anlegen verschiedener Frequenzen
kann man sich als das Durchlaufen der verschiedenen Schichten eines Akkus vorstellen,
bei dem die Eigenschaften der einzelnen Schichten untersucht werden. Wie beim
Einstellen der Frequenz an einem Radio, wo verschiedene Sender verschiedene Musik
bieten, stellt auch der Akku bei verschiedenen Frequenzen verschiedene Informationen
zur Verfügung.
Der Innenwiderstand eines Akkus besteht aus dem rein
ohmschen, sowie aus dem induktiven und kapazitiven Widerstand. Abbildung 1 zeigt
das klassische Ersatzschaltbild eines Akku nach Randles.
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1: Ersatzschaltbild eines Blei-Säure-Akkus nach Randles.
Der Innenwiderstand
eines Akkus besteht aus dem rein ohmschen sowie aus dem induktiven und kapazitiven
Widerstand. Es gibt mehrere Randles Modelle. |
Die Kapazitanz ist für den Kondensatoreffekt verantwortlich,
während die Induktivität ein magnetisches Feld und damit den Spuleneffekt
hervorruft. An einem Kondensator bleibt die Spannung hinter dem Strom zurück.
Hingegen bleibt an einer Spule der Strom hinter der Spannung zurück. Wird
an einen Akku eine sinusförmige Schwingung angelegt, verursacht der
Blindwiderstand
eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Diese Eigenschaften werden
zur Beurteilung eines Akkus herangezogen.
Die EIS wird bereits seit Jahren
zur Analyse von Satellitenakkus in der Umlaufbahn sowie für die Feststellung
von Gitterkorrosion und Wasserverlust bei Flugzeug- und stationären Akkus
eingesetzt. Mit Hilfe der EIS können die kinetische Reaktion der Elektroden
erfasst, und Änderungen, die in der täglichen Benutzung des Akkus auftreten,
analysiert werden. Ein Anstieg der Impedanz lässt auf die Einwirkung von
Korrosion oder auf andere Mängel schließen. Impedanzstudien mit der
EIS-Methode sind an Blei-Säure-, Nickel-Kadmium-, Nickel-Metall-Hydrid- und
Lithium-Ion-Akkus vorgenommen worden. Die besten Ergebnisse wurden mit Einzelzellen
erzielt.
Eine der Schwierigkeiten des EIS ist die Interpretation der Daten.
Grundsätzlich ist es leicht, eine große Anzahl Daten zu sammeln, die
praktische Interpretation ist jedoch schwierig. Die Analyse der Daten wird noch
zusätzlich erschwert, weil die Daten nicht allgemeingültig sind und
sich nicht auf alle Akkufabrikate und -typen anwenden lassen. Jeder Akkutyp hat
seine eigene Identifikation. Ohne klar definierte Bezugsdaten und ein Programm
zur Interpretation der Ergebnisse, hat die Datensammlung für den Laien kaum
eine Bedeutung.
Die moderne Technik kann helfen, indem sie die charakteristischen
Daten der einzelnen Akkutypen im Testgerät speichert. Die heutigen digitalen
Signalprozessoren sind in der Lage, in einer Sekunde mehrere Millionen Befehle
ausführen. Ein Computerprogramm kann die Daten in eine einzige Anzeige verarbeiteten.
Die EIS könnte bei der Prüfung von Automobil-, Zug- und stationären
Akkus eine gute Alternative zur AC conductance werden. Auf diesem Gebiet werden
bemerkenswerte Fortschritte erzielt.
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