Alkaline battery modeling and correlation analysis between electrochemical impedance and Raman spectroscopy

The alkaline Zn-MnO2 battery is an electrochemical energy storage system with huge potential. It has reliable performance in application, excellent resistance to corrosion and meets quality of safety and environmental standards. This kind of non-rechargeable battery is typically applied in door locks, air refreshers, medical devices and radios. But the performance optimization is limited because of lacking theoretical investigation. In this research, to get a clearer performance in not only electrical but also chemical-physical internal of the Zn-MnO2 battery, ProcellPX1604 battery is studied. For electrical performance, the technology called electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was applied at each 10% state of charge to analyze the battery. Based on acquired EIS spectrum analysis, the most reasonable electric circuit model is applied for battery modeling. With the least square minimization method, the battery was characterized by parameters from the electrical point of view. After analyzing gained parameters, some correlations between the state of charge and electrical parameter are determined. Battery modeling is carried out in SIMULINK block of MATLAB software. Since the obtained parameters include fractional order impedance and it is not possible to directly simulate in software, an integer order conversion is applied to get modellable impedance parameters, then the mathematical modules of electrical circuit state of charge (SoC) algorithm are established. At extremely low frequencies the EIS spectrum is no longer accurate, so time domain analysis of voltage is performed to get the diffusion impedance. For battery model validation, firstly, 2 mA discharge test is simulated in the constructed model and compared between the experimental test result of terminal voltage, the error analysis shows the acceptable result below 5% error range. Then 50 mA discharge test is also performed in both simulation and experimental test, but the error analysis shows failure. And based on 50 mA discharge test time domain analysis another battery model is built. After other strong discharge tests, the 50 mA model shows reliability, then the diffusion impedance analysis of different current discharged batteries are carried out to give theoretical explanation for the model optimization. Finally, the batteries of different SoC levels are disassembled and the materials of the anode and cathode are extracted. Raman spectroscopy is performed on the surface of cathode materials to evaluate the evolution of chemical compounds within the battery during discharge. The obtained Raman spectrum is then compared and analyzed with the EIS electrical parameters to investigate the potential correlation between chemical compounds and EIS electrical parameters during aging process.

La batteria alcalina Zn-MnO2 è un sistema di accumulo di energia elettrochimica con un enorme potenziale. Ha prestazioni affidabili nell'applicazione, un'eccellente resistenza alla corrosione e soddisfa gli standard di qualità della sicurezza e ambientali. Questo tipo di batteria non ricaricabile è in genere applicato in serrature per porte, deodoranti per ambienti, dispositivi medici e radio. Ma l'ottimizzazione delle prestazioni è limitata a causa della mancanza di indagini teoriche. In questa ricerca, al fine di ottenere prestazioni più chiare non solo nell'interno elettrico ma anche chimico-fisico della batteria Zn-MnO2, è stata studiata la batteria ProcellPX1604. Per le prestazioni elettriche, la tecnologia chiamata spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) è stata applicata a ogni stato di carica del 10% per analizzare la batteria. Sulla base dell'analisi dello spettro EIS acquisita, il modello di circuito elettrico più ragionevole è applicato per la modellazione della batteria. Con il metodo di minimizzazione dei minimi quadrati, la batteria è stata caratterizzata da parametri dal punto di vista elettrico. Dopo aver analizzato i parametri ottenuti, sono state determinate alcune correlazioni tra lo stato di carica e il parametro elettrico. La modellazione della batteria viene eseguita nel blocco SIMULINK del software MATLAB. Poiché i parametri ottenuti sono impedenze di ordine frazionario e non possono essere simulati direttamente nel software, viene applicata una conversione di ordine intero per ottenere parametri di impedenza modellabili, quindi vengono stabiliti i blocchi matematici dell'algoritmo dello stato di carica (SoC) del circuito elettrico. A frequenze estremamente basse gli spettri EIS non sono più accurati, quindi viene eseguita un'analisi del dominio del tempo della tensione per ottenere l'impedenza di diffusione. Per la convalida del modello di batteria, in primo luogo, il test di scarica da 2 mA viene simulato nel modello costruito e confrontato tra il risultato del test sperimentale della tensione del terminale, l'analisi dell'errore mostra il risultato accettabile al di sotto dell'intervallo di errore del 5%. Quindi viene eseguito anche il test di scarica da 50 mA sia nella simulazione che nel test sperimentale, ma l'analisi dell'errore mostra il guasto. E sulla base dell'analisi del dominio del tempo del test di scarica da 50 mA viene costruito un altro modello di batteria. Dopo altri test di scarica forte, il modello da 50 mA mostra l'affidabilità, quindi viene eseguita l'analisi delle differenze di impedenza di diffusione tra scarica da 2 mA e scarica di corrente forte per fornire la spiegazione teorica per l'ottimizzazione del modello. Infine, le batterie di diversi livelli di SoC vengono smontate e i materiali dell'anodo e del catodo vengono estratti. La spettroscopia Raman viene eseguita sulla superficie dei materiali del catodo per valutare l'evoluzione dei composti chimici all'interno della batteria durante la scarica. Lo spettro Raman ottenuto viene quindi confrontato e analizzato con i parametri elettrici EIS per indagare la potenziale correlazione tra composti chimici e parametri elettrici EIS durante il processo di invecchiamento.