Doğrusal ve doğrusal olmayan elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemiyle batarya modellemesi

Günümüzde elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte lityum-iyon pillerde durum tahmini (SOC ve SOH) önemli bir araştırma konusu hâline gelmiştir. Pil sağlığının güvenilir bir şekilde belirlenmesi; menzil tahmini, güvenlik, enerji verimliliği ve batarya ömrünün uzatılması açısından kritik öneme sahiptir. SOC/SOH tahmini için birçok yöntem kullanılsa da yaygın olarak kullanılan doğrusal elektro-kimyasal empedans spektroskopisi (EIS) pil davranışının yalnızca doğrusal bileşenlerini ortaya koymakta ve bu nedenle sınırlı bilgi sunmaktadır. Lityum-iyon pillerin yapısal olarak doğrusal olmayan bir elektrokimyasal karaktere sahip olması, bu sınırlamayı gidermek için doğrusal olmayan empedans analiz yöntemlerinin kullanılmasını gerekli kılmaktadır. Bu çalışmada, lityum-iyon pillerin SOC ve SOH tahmini amacıyla lineer (EIS) ve doğrusal olmayan (NLEIS) empedans yöntemleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. NLEIS kapsamında ikinci harmonik bileşenlerin, pildeki SEI gelişimi, yük transferindeki doğrusal olmayan süreçler ve difüzyon sınırlamaları gibi mekanizmalara karşı duyarlılığı değerlendirilmiştir. Çalışmada Aspilsan, Power-xtra ve LG marka 18650 NMC pilleri 1 A, 2 A ve 3 A akım altında 1000 döngü boyunca yaşlandırılmış; her 100 döngüde OCV'den 4,2 V'a kadar farklı SOC seviyelerinde EIS ve NLEIS ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen birinci harmonik parametreleri ile ikinci harmonik |Z₂| değerleri kullanılarak SOC ve SOH tahmin modelleri oluşturulmuştur. Analizler, EIS parametrelerinin hem SOC değişimlerine hem de yaşlanmaya karşı karakteristik tepkiler sergilediğini göstermiştir. Birinci harmonik modellemelerinde yaşlanmanın ilerlemesiyle hata oranlarının arttığı gözlenirken, ikinci harmonik modellemeler tüm akım seviyelerinde daha kararlı, daha düşük hata oranlı ve yaşlanmaya daha duyarlı sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak, NLEIS yönteminin SOC/SOH tahmininde klasik EIS yöntemine kıyasla daha hassas, daha kararlı ve yaşlanma mekanizmalarını daha doğru şekilde yansıtan güçlü bir alternatif sunduğu gösterilmiştir.