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前 言

隨著鋰離子電池在消費(fèi)、動力和儲能等方面的普及應(yīng)用，對其快充性能的要求也越來越高。電化學(xué)交流阻抗譜（EIS）是評估其動力學(xué)性能的一個(gè)重要且常用的測量技術(shù)，詳細(xì)測量方法介紹可參考元能科技公眾號文章《走進(jìn)電化學(xué) | 鋰離子電池電化學(xué)阻抗譜概述》。在鋰電材料及工藝性能的研究過程中，技術(shù)人員還會需要測試電芯更多狀態(tài)下的EIS性能，如充放電過程中不同荷電狀態(tài)（SOC）下的EIS，這種就屬于原位EIS測試方法。如圖1所示，德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Pouyan Shafiei Sabet（第一作者、通訊作者）和Dirk Uwe Sauer兩人對高能量密度鋰離子電池（NCM/石墨體系）的交流阻抗圖譜進(jìn)行了深入的分析，明確了全電池交流阻抗圖譜的反應(yīng)過程對應(yīng)的正負(fù)極反應(yīng)，對于鋰離子電池反應(yīng)機(jī)理的研究具有重要的意義¹。本文將為大家初步介紹原位EIS的測試流程及應(yīng)用場景。

圖1. NCM半電池不同SOC的EIS曲線¹

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：元能科技電化學(xué)性能分析儀，型號ERT7008-100mA。設(shè)備如圖2。

圖2. ERT7008外觀圖

1.2 測試方法：選取一種容量為24mAh 鈷酸鋰/石墨扣式電池，進(jìn)行循環(huán)EIS測試：EIS測試頻率范圍為0.01Hz~100kHz，電壓擾動5mV，每10%SOC測試一次EIS，對應(yīng)的電壓和電流變化曲線如圖3所示。

圖3. 原位EIS測試電壓電流曲線圖

2. 數(shù)據(jù)分析

對扣式電池進(jìn)行充電和放電過程中不同SOC的EIS測試，結(jié)果如圖4所示。從（a）和（b）的Nyquist圖的結(jié)果來看，隨著充電SOC的增加，阻抗譜的半圓逐漸向左縮小，隨著放電深度DOD的增加，阻抗譜的半圓逐漸向右增加。取1Hz左右對應(yīng)的實(shí)部阻抗，得到圖（c）和（d），充電過程中阻抗逐漸減小，放電過程中阻抗逐漸增大，這個(gè)趨勢與電芯內(nèi)阻的“浴盆曲線”趨勢是一致的，主要是由于鋰離子在正負(fù)極材料中脫嵌時(shí)，高SOC對應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移阻抗變小。采用原位EIS的測試模式，可以快速得到電芯不同狀態(tài)各部分阻抗的變化趨勢，助力研究人員分析材料性能。

圖4. 充電和放電過程不同SOC的EIS曲線

3. 總結(jié)

本文使用元能科技的電化學(xué)性能分析儀ERT系列，實(shí)現(xiàn)對扣電原位充放電過程中不同SOC狀態(tài)的EIS測試，可發(fā)現(xiàn)阻抗隨著充電SOC的增加而降低，隨放電深度DOD的增加而增加的現(xiàn)象。采用這種原位EIS的測試方法，可助力研發(fā)人員深入分析材料和電芯性能。

4. 參考文獻(xiàn)

1. Pouyan Shafiei Sabet, Dirk Uwe Sauer. Separation of predominant processes in electrochemical impedance spectra of lithium-ion batteries with nickel manganese cobalt cathodes. Journal of Power Sources, 425(2019)121-129.