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.

Abbildung 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.