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Spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS)

Solution haute puissance multicanal facile à intégrer

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Exploiter le plein potentiel des batteries, des piles à combustible et des électrolyseurs grâce à l'EIS

La spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) est une méthode de diagnostic sophistiquée qui permet d’examiner la chimie interne complexe des batteries, des piles à combustible et des électrolyseurs en mesurant les fluctuations électriques qui définissent la santé et l’efficacité opérationnelles des systèmes électrochimiques, ce qui facilite la recherche en développement et la maintenance. L’EIS analyse les réponses dynamiques de ces systèmes en appliquant des signaux sinusoïdaux et en surveillant les comportements électriques qui en résultent, révélant ainsi des processus invisibles aux évaluations par courant continu. Grâce à une analyse détaillée de la résistance et de la réactance de ces systèmes, le SIE aide à préserver l’intégrité des électrodes et à prévoir les performances futures, ce qui permet de minimiser les risques et d’améliorer la fiabilité du stockage et de la production d’énergie électrochimique dans diverses applications, depuis les essais en laboratoire à petite échelle jusqu’aux grandes implantations industrielles.

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La plateforme logicielle GI.bench permet d’accélérer la mise en place des tests, la configuration et la gestion des projets, ainsi que la visualisation des flux de données dans un seul et même poste de travail numérique.

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Avantages de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS)

L’EIS est essentiel pour les acteurs du secteur de l’énergie qui améliorent l’efficacité opérationnelle des dispositifs électrochimiques. Cette méthode sophistiquée quantifie l’impédance électrique des batteries, des piles à combustible et des électrolyseurs. Elle permet de mieux comprendre leur comportement électrochimique, ce qui est essentiel pour améliorer leur efficacité opérationnelle et prolonger leur durée de vie sans perturber leur fonctionnement. La capacité de la technique à fournir des mesures d’impédance à haute résolution sur une large gamme de fréquences permet de résoudre les problèmes avant qu’ils n’affectent les performances du système. Cette approche proactive rationalise le processus de maintenance et réduit considérablement les coûts associés en ciblant les problèmes potentiels dès leur apparition.

  • Des informations approfondies sur l’état de santé des batteries: La technologie EIS offre des informations approfondies sur les systèmes de batterie, ce qui vous permet d’optimiser les performances et de prolonger la durée de vie de la batterie.
  • Analyse non invasive: L’EIS est une méthode non destructive qui révèle les comportements internes cruciaux de la batterie sans l’endommager, ce qui garantit que vos systèmes restent intacts pendant l’analyse.
  • Décomposition complète de l’impédance: Grâce à l’EIS, vous pouvez faire la distinction entre la résistance et la réactance de vos batteries, ce qui vous permet d’acquérir une connaissance détaillée des processus internes tels que le transfert de charge et la diffusion des ions, qui sont essentiels au maintien de l’intégrité de l’électrode.
  • Maintenance prédictive: L’EIS fournit un état de santé actuel et prédit les performances futures de la batterie, ce qui permet de prendre des mesures préventives pour éviter les problèmes, améliorant ainsi la fiabilité et réduisant les coûts.
  • Polyvalence inter-applications: Au-delà de l’optimisation des batteries, l’EIS est inestimable pour faire progresser les technologies des électrolyseurs et des piles à combustible. En évaluant les caractéristiques d’impédance de ces systèmes, l’EIS fournit des informations essentielles pour améliorer les performances et stimuler l’innovation dans ces secteurs énergétiques vitaux.

Comment fonctionne le SIE : Étapes de mesure et de traitement des données

EIS provides a comprehensive and non-destructive means to assess and improve the health and functionality of electrochemical systems, supporting the advancement of energy storage and conversion technologies. It delves into the microscale electrical responses induced by sinusoidal inputs, highlighting the underlying mechanisms influencing system performance and stability. Through precision measurements across a broad frequency spectrum, EIS deciphers the critical parameters that dictate the health and efficiency of these electrochemical systems.

Aperçu du processus d’EIS

Préparation du système

Avant de commencer la mesure EIS, le système testé – une batterie, une pile à combustible ou un électrolyseur – est méticuleusement préparé. La préparation comprend le nettoyage, la vérification de l’assemblage et les connexions appropriées pour s’assurer que le système s’interface correctement avec l’instrumentation EIS.

Sélection de la fréquence

Une gamme de fréquences appropriée est choisie en fonction des processus électrochimiques attendus dans le système. Les mesures EIS s’étendent généralement de très basses fréquences, 1 milli Herz jusqu’à 10 kHz, ce qui permet une analyse complète des processus lents et rapides.

Superposition d’une tension ou d’un courant alternatif

Un courant alternatif (CA) ou une tension de faible amplitude est superposé au système électrochimique. Ce signal est délibérément maintenu dans la plage de réponse linéaire afin d’éviter tout comportement non linéaire, ce qui garantit que les mesures reflètent les propriétés inhérentes du système.

Mesure de la réponse

La réponse du système au signal CA appliqué est enregistrée sur la plage de fréquences sélectionnée. Cette réponse est généralement un signal de tension ou de courant alternatif déphasé et éventuellement atténué par rapport au signal appliqué. La sortie du système comprend l’amplitude de la tension ou du courant et le déphasage par rapport au signal d’entrée, fournissant des données sur la façon dont le système réagit à chaque fréquence du signal d’excitation.

Calcul de l’impédance

L’impédance à chaque fréquence est calculée avec précision en divisant la réponse en tension mesurée par la réponse en courant (Z = V/I). Ce calcul prend également en compte le déphasage entre la tension et le courant, fournissant un nombre complexe avec des composantes de magnitude et de phase, révélant les caractéristiques résistives et réactives du système.

Visualisation des données

Les données d’impédance résultantes sont généralement affichées sous forme de graphiques tels que les diagrammes de Bode, qui montrent l’amplitude et la phase de l’impédance en fonction de la fréquence, et les diagrammes de Nyquist, qui représentent la partie réelle par rapport à la partie imaginaire de l’impédance. Ces tracés interprètent le comportement électrochimique du système dans la gamme de fréquences testée.

Analyse complémentaire

Après la collecte et le tracé des données initiales, une analyse plus approfondie est effectuée, y compris l’ajustement du modèle et l’extraction des paramètres. Ces analyses avancées sont essentielles pour mieux comprendre les processus électrochimiques, aider à identifier les problèmes avant qu’ils ne conduisent à une défaillance du système et améliorer les capacités de maintenance prédictive.

EIS est votre clé pour la qualification et le fonctionnement efficace des batteries, des piles à combustible et des piles électrolytiques.

La solution EIS tout-en-un de Gantner

Système de mesure EIS : Évolutif et modulaire

Le système de mesure de la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) comprend plusieurs composants essentiels conçus pour faciliter l’analyse précise et complète des systèmes électrochimiques :

  • Dispositif testé: En fonction de l’application et des objectifs de recherche, il s’agit généralement de batteries, de piles à combustible ou d’électrolyseurs.
  • Génération et modulation de signaux: Ce composant génère des signaux d’essai précis. Il contrôle l’excitation électrique appliquée au système électrochimique testé, garantissant ainsi l’intégrité des mesures EIS.
  • Sources d’alimentation bidirectionnelles programmables : Elles sont essentielles pour fournir des conditions d’essai réglables. Elles permettent aux chercheurs de simuler différents environnements de fonctionnement pour le dispositif testé, ce qui est essentiel pour une analyse EIS approfondie et pertinente.
  • Solutions DAQ: Des appareils tels que Q.raxx A193 et Q.station capturent des données détaillées sur l’impédance, le courant, la tension, la température et la déformation. Ces données sont essentielles pour analyser le comportement électrochimique et la santé du système testé.
  • Contrôleur pour l’accès aux algorithmes et aux données: Comme le SIE Q.core 201, cette unité gère les algorithmes de traitement des données et assure un accès transparent aux données de mesure en vue d’une analyse plus approfondie.

Déconnectez rapidement et en toute sécurité l’alimentation électrique pour assurer la sécurité de la maintenance et la protection d’urgence de l’équipement et du personnel.

Connecte les composants du système EIS pour un transfert de données et une communication réseau rapides et en temps réel.

Crée des signaux spécifiques à la fréquence de 1 mHz à 10 kHz pour analyser les caractéristiques d’impédance.

Précision et stabilité inégalées dans la mesure des signaux, même à des tensions élevées, associées à une grande intégrité des données et à une solide immunité au bruit.

Gère le contrôle de l’acquisition des données brutes et traite les données EIS, exploite le système et les séquences de mesure.

Facilitez la connectivité directe plug-and-play pour vos capteurs de courant (CT) afin d’améliorer l’intégration du système et la facilité d’utilisation.

Mesurez et surveillez les paramètres clés tels que le courant, la tension et la température pour un diagnostic complet du système.

Permet de mesurer la température sur plusieurs canaux à n’importe quel endroit pour contrôler l’intégrité du système dans diverses conditions opérationnelles.

Optimise la gestion de la chaleur au sein du système afin de maintenir des conditions thermiques stables pour des mesures précises.

Offre des solutions d’alimentation évolutives allant du kilowatt au mégawatt, répondant à un large éventail de besoins en matière d’alimentation.

EIS
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Caractéristiques techniques

Capacités d’acquisition de données Q.series X Module A193
  • Module haute performance: Le Q.series X A193 est conçu pour les applications industrielles et de haute puissance.
  • Amplification du signal et mesure du décalage: Cette fonction amplifie le signal CA et mesure le décalage CC en ligne jusqu’à 100 kHz par canal. Elle est essentielle pour la technique Lock-In et améliore la sensibilité et la sélectivité des mesures d’impédance.
  • Plage de mesure de la tension: Comprend une plage de 5 V pour la tension de cellule/pile en courant continu et une plage de 150 mV pour les signaux en courant alternatif.
  • Flexibilité de la mesure du courant: Mesure du courant via un shunt ou un transducteur de courant.
  • Isolation galvanique robuste: Offre une isolation jusqu’à 800 VDC entre les canaux, entre les canaux et l’alimentation et le système de bus.
  • Prise en charge de la spectroscopie d’impédance électrochimique sur des batteries entières: Spécifiquement conçu pour traiter la spectroscopie d’impédance électrochimique sur des configurations de batteries complètes, ce qui étend son utilité dans les applications à grande échelle.
Traitement et analyse des données
  • Collecte synchrone des signaux: Assure la collecte simultanée de tous les signaux de tension et de courant pour maintenir la cohérence et la précision des données. Utilise la technique Lock-In pour isoler des fréquences et des phases de signaux spécifiques, ce qui améliore considérablement la mesure des signaux faibles dans les environnements bruyants.
  • Fréquence de référence réglable: Accepte les signaux de référence analogiques et numériques pour les alimentations et les charges électroniques.
  • Accès complet aux données: Accès aux données brutes pour une analyse approfondie du domaine temporel.
    Analyse de l’impédance et de la tension : Calcule automatiquement l’impédance à chaque fréquence et mesure séquentiellement la tension de la cellule/de la pile, fournissant des mises à jour dynamiques en direct tout au long du processus de test.
Conception du système et évolutivité
  • Gamme de fréquences du système: Capable de fonctionner sur une large gamme de fréquences allant de 1 mHz à 10 kHz, ce qui permet de répondre à un large éventail d’exigences en matière d’essais électrochimiques. Cette large gamme améliore les capacités de détection du Lock-In, ce qui le rend adapté à diverses applications industrielles et de recherche.
  • Configuration modulaire du système: Facilement extensible d’une configuration de base avec 4 canaux à des configurations complexes allant jusqu’à 128 canaux EIS, adaptable aux besoins du projet, de la R&D à l’échelle de production.
  • Canaux de mesure de la température: Comprend des canaux supplémentaires spécifiquement destinés à la surveillance de la température, intégrant l’analyse thermique et les mesures d’impédance électrochimique.
  • Interface utilisateur intuitive: Le logiciel GI.bench facilite la configuration et la visualisation, offrant une interface conviviale pour la gestion et l’observation de la progression des tests.
  • Outils de visualisation en temps réel: Il comprend des outils avancés de contrôle et de visualisation des processus en ligne, y compris des tracés de Nyquist et de Bode.
Intégration et connectivité
  • Compatibilité avec les systèmes d’alimentation: S’intègre directement aux principales sources d’énergie et aux fournisseurs de charge électronique, garantissant un fonctionnement transparent dans les installations existantes et permettant d’atteindre 10 kHz avec des partenaires privilégiés.
  • Options de connectivité avancées: Doté d’une API ouverte et d’une interface EtherCAT, le module s’intègre facilement dans divers systèmes d’automatisation.

Article spécial : Amplificateur à verrouillage

La technique de l’amplificateur Lock-in utilisée en spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) est une méthode puissante pour détecter et mesurer de très petits signaux alternatifs souvent masqués par le bruit. Cette technique implique l’entrée d’un signal de référence à une fréquence spécifique dans le sujet testé, comme une batterie ou une pile à combustible, et la détection synchrone d’un signal de sortie à la même fréquence. Le processus isole et amplifie efficacement le signal d’intérêt du bruit grâce à une détection sensible à la phase. Il améliore considérablement le rapport signal/bruit, ce qui permet de mesurer avec précision les changements d’impédance sur une large plage dynamique et dans diverses conditions.

Voici comment le concept de verrouillage s’applique au SIE :

1. Application du signal : Une tension ou un courant alternatif connu et de faible amplitude est appliqué au système électrochimique.
2. Détection synchrone : La réponse du système est mesurée de manière synchrone avec le signal appliqué. Seuls les signaux ayant la même fréquence et la même phase que le signal de référence sont détectés et mesurés, ce qui permet de filtrer efficacement le bruit.
3. Sortie sensible à la phase : L’amplificateur Lock-in produit une sortie proportionnelle au cosinus de la différence de phase entre le signal de référence et la réponse mesurée, ce qui permet un calcul précis de la magnitude et de la phase de l’impédance.

Traitement des données

Résultats du traçage du moteur du SIE

Gantner Instruments excelle dans la simplification du traitement complexe des données impliquées dans la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) grâce à son moteur EIS sophistiqué. Notre logiciel et notre matériel fonctionnent en tandem pour passer en toute transparence de la collecte de données brutes à l’analyse détaillée de l’impédance, en fournissant des informations critiques avec une intervention minimale de l’utilisateur.

Avantages du SIE Plug-in

  • Configuration automatisée: Le système configure automatiquement les paramètres pour chaque test, garantissant une précision optimale des données et des paramètres pertinents ; cela inclut le réglage de la gamme de fréquences, de l’amplitude du signal et d’autres facteurs critiques basés sur les exigences spécifiques du système électrochimique testé.
  • Contrôle automatisé du processus: Le système gère l’ensemble du processus de test, du début à la fin, en ajustant les paramètres en fonction des données en direct. Ce niveau d’automatisation garantit des conditions de test cohérentes et réduit le risque d’erreur humaine, ce qui est essentiel pour maintenir la fiabilité des environnements de test à fort enjeu.
  • Création automatisée de tableaux de bord: Grâce aux outils de tableaux de bord automatisés, les utilisateurs peuvent rapidement créer des représentations visuelles complètes de leurs données. Ces tableaux de bord intègrent différents points de données dans un format facilement interprétable, ce qui permet de visualiser les tendances et les modèles qui ne sont pas toujours visibles à partir des seules données brutes.
  • Tracé des données en temps réel: Au fur et à mesure que les données sont collectées, le moteur EIS traite et trace instantanément les spectres d’impédance. Cette capacité de traçage en temps réel est essentielle pour obtenir un retour d’information immédiat pendant les essais, ce qui permet de procéder à des ajustements et de prendre des décisions rapides. Le graphique fourni, qui montre un tracé d’impédance typique d’une cellule lithium-ion, illustre la façon dont l’impédance varie avec la fréquence, ce qui donne une idée de la santé et de la fonctionnalité de la cellule.
  • Analyse améliorée des données: Le moteur SIE facilite les techniques avancées d’analyse des données, telles que l’ajustement des modèles et l’extraction des paramètres, directement dans l’environnement du tableau de bord. Cette intégration permet d’approfondir l’analyse sans avoir recours à un logiciel externe, ce qui rationalise le flux de travail et améliore la productivité.

Approfondissez votre compréhension

Découvrez comment le SIE de Gantner a révolutionné l’efficacité opérationnelle de nos clients dans le monde entier. Ces ressources sont conçues pour informer, inspirer l’innovation et fournir des idées pratiques pour intégrer efficacement les solutions EIS dans vos systèmes.

Découvrez des applications concrètes grâce à notre étude de cas
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Pourquoi avez-vous besoin du SIE de Gantner ?

Les solutions EIS de pointe de Gantner Instruments vous positionnent à l’avant-garde de la gestion et de l’optimisation des batteries, en améliorant votre stratégie de gestion des batteries avec précision et en prenant des décisions éclairées. Notre technologie s’intègre de manière transparente aux systèmes des clients et prend en charge les configurations par le biais d’interfaces standardisées telles qu’Ethernet et EtherCAT. Grâce à des mesures précises et à des analyses détaillées, nos solutions EIS améliorent le cycle de vie et la fonctionnalité des cellules électrochimiques, contribuant ainsi de manière significative à l’avancement des technologies de stockage de l’énergie.

Intégration aisée dans la plateforme Q.series X

Cela rationalise le processus d’installation et permet une intégration transparente avec les systèmes existants, ce qui garantit un minimum de perturbations et une efficacité maximale.

Extension de vos signaux de courant, de tension, de déformation et de vibration grâce aux informations EIS

Nos systèmes fournissent une capture de données complète, fusionnant les types de mesures traditionnelles avec les données EIS avancées, offrant une vue holistique de la santé et de la performance du système.

Solution multi-canal à haute puissance à guichet unique

Nos systèmes offrent une suite complète pour les tests EIS et peuvent facilement gérer des applications de haute puissance. Ces caractéristiques sont essentielles pour les industries où l’échelle des opérations exige des capacités de test robustes et fiables.

Acquisition de données synchronisées en temps réel de tous les paramètres

Tous les paramètres, y compris la tension, le courant, la température et la déformation, sont acquis en temps réel et synchronisés. Cette synchronisation est essentielle pour une caractérisation précise et garantit que toutes les données reflètent l’état réel du sujet testé.

Véritable multicanal, pas de multiplexage et temps d’analyse le plus court possible

Pouvant prendre en charge jusqu’à 128 canaux, nos systèmes EIS peuvent effectuer des analyses multicanaux complexes sans nécessiter de multiplexage, ce qui permet de gagner du temps et d’accroître la fiabilité des données grâce à la capture de mesures simultanées sur plusieurs points d’essai.

Synchronisation parfaite avec les signaux

Nos systèmes sont conçus pour s’intégrer de manière transparente aux installations existantes, en prenant en charge des signaux tels que la température, la déformation et même la vidéo. Cette intégration est cruciale pour des diagnostics et des analyses complets.

Déploiement rapide et intégration facile dans les systèmes existants

La conception modulaire de nos solutions SIE permet de les intégrer rapidement dans les systèmes existants, ce qui réduit les temps d’installation et accélère le passage de l’installation à l’exploitation.

Connaissance experte de l’intégration et de l’analyse des données

Gantner Instruments n’est pas seulement un fournisseur, mais un partenaire de solution complète en matière d’intégration de systèmes, offrant des connaissances d’expert en analyse de données et en conception de systèmes. Notre API ouverte renforce cette capacité, permettant de personnaliser les solutions et de les intégrer à des systèmes tiers.

Découvrez notre solution SIE

Pour une vue approfondie de la façon dont le système de mesure EIS peut être mis en œuvre dans vos projets, veuillez télécharger notre dépliant de solutions techniques ici.

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