交流抵抗と直流抵抗の違い(電池における内部抵抗)

交流抵抗と直流抵抗の違い

 

抵抗(電気抵抗)は大きく分けて交流抵抗と直流抵抗に分けることができます。

 

それでは、交流抵抗と直流抵抗は何が違うのでしょうか?

 

こちらのページでは、

 

・リチウムイオン電池における交流抵抗とは?

 

・リチウムイオン電池における直流抵抗とは?

 

・直流抵抗の算出方法の例

 

について解説しています。

 

(※直流と交流自体の違いはこちらで解説しています

 

 

リチウムイオン電池における交流抵抗とは?

上述のように、電気抵抗には大きく分けて交流抵抗と直流抵抗の2種類があります。

 

そして、リチウムイオン電池における内部抵抗も交流抵抗と直流抵抗に分けることが出来ます。

 

まず、交流抵抗とは言葉の通り交流を流した時の抵抗のことであり、インピーダンスとも呼ばれます。

 

とくに電気的抵抗を交流で図る場合の交流は、1kHz(1/1000sつまり1ms)程度であるため、1kHzで通電の向きが変化している際の抵抗とも言えます。

 

電池の反応は電圧がかかるとまず電気二重層の形成(μオーダーs)が起こり、そのあとに電荷移動反応(電子授受反応)が起こります。

 

そのため、1kHz程度の交流では、リードなどのオーミックな抵抗や電解液の移動抵抗、電気二重層形成時の反応抵抗といった電極反応以外の部分の抵抗を表しています。

 

そのため直流抵抗と比べて値が小さい傾向にあります。

 

一般的に交流抵抗測定用のテスターにより測定したい2点間に触れるだけで、交流抵抗値(ACR)を直接測定することができます。

 

詳細な電極反応の解析を行いたい場合は、交流インピーダンス法と呼ばれる電気化学的な測定方法により測定を行うます(詳細はこちらで解説しています

 

次に直流抵抗について解説します。

 

 

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リチウムイオン電池における直流抵抗とは?

交流抵抗に対して、直流抵抗(DCR)は言葉の通り直流を流した際の抵抗値のことを指します。

 

交流では電極反応が起こる前に反応の向きが変わるため、電極反応以外の抵抗を拾っていることを解説しま
した。

 

これに対して直流抵抗では、電気二重層の形成、電荷移動反応(電子授受反応)、固体内拡散反応などの電極反応の各プロセスを抵抗値を含んでいます。

 

そのため、電池のSOC(Liイオンの挿入状況も変化するため)や通電時間など多くのパラメータにより変化します。

 

また、測定方法としては交流抵抗と異なり、実際に電池に対して数条件の電流値で通電させた際の電圧を測定し、横軸電流値、縦軸電圧をとった際の傾きから算出します。

 

 

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直流抵抗の算出方法の例

直流抵抗を測定するために、25℃、SOC50%で数条件で電流値を1分通電させ、1分後の電圧を測定する試験を行ったとします。

 

そして以下のようなデータが得られました(架空のデータです)。

 

 

そして、このデータを横軸電流値/A、縦軸電圧/Vでとった際の傾きが直流抵抗/Ωで算出されます(オームの法則V=IRの関係から)。

 

結果は以下のようになります。

 

近似曲線を追加しますと、傾きが0.0304と出ました。

 

単位がΩであることに注意すると、この電池の25℃、SOC50%における放電時の直流抵抗は30.4mΩであることがわかります。

 

また、時間がなくて一点しか測定できない場合がSOC-OCV曲線がわかっている場合、通電時の電圧とOCVの差を電流値で割ることで同様に抵抗値の見積もることもできます。

 

目安にはなりますが放電時と充電時の抵抗値はおおよそは同じ傾向にあります(もちろん反応が異なりますので、電池にもよります)。

 

 

また、抵抗に影響を与えるパラメータとしましては、温度やSOCがあることは想像つくかと思いますが、通電時間も大きく影響を与えますので注意しましょうね。

 

また、この単回帰直線を利用することで、他の電流値における電圧の算出も行うことが出来ます(ExcelにおけるForecast関数などにより

 

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