鋰電池是一類電化學(xué)能量存儲(chǔ)設(shè)備，電化學(xué)阻抗譜（EIS）在理解電池電荷存儲(chǔ)機(jī)制方面的潛力仍有待充分開(kāi)發(fā)。一般來(lái)說(shuō)，電化學(xué)阻抗譜被認(rèn)為是一種輔助技術(shù)，應(yīng)促進(jìn)電化學(xué)阻抗譜的應(yīng)用，重點(diǎn)是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并使用基于物理的模型進(jìn)行高級(jí)數(shù)據(jù)分析。

電化學(xué)阻抗譜簡(jiǎn)介

電化學(xué)阻抗譜是研究電化學(xué)系統(tǒng)中發(fā)生的過(guò)程的有力技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，這種過(guò)程涉及任何液體或固體材料（離子、半導(dǎo)體、混合電子離子甚至絕緣體）的本體或界面區(qū)域中束縛或移動(dòng)電荷的動(dòng)力學(xué)。

電化學(xué)阻抗譜的主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以基于不同的弛豫時(shí)間將復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程有效地分解為一系列基本過(guò)程。然而，在整個(gè)電化學(xué)阻抗譜測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)必須保持靜態(tài)。

 

 

這兩個(gè)特征都可以通過(guò)使用電勢(shì)或電流的小幅度周期性擾動(dòng)以不同頻率激勵(lì)電化學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該擾動(dòng)的響應(yīng)，可以計(jì)算相應(yīng)的傳遞函數(shù)，即系統(tǒng)的阻抗。理想情況下，電化學(xué)阻抗譜結(jié)合了構(gòu)成整個(gè)電化學(xué)機(jī)制的每個(gè)基本過(guò)程的單獨(dú)特征。

典型電化學(xué)儲(chǔ)能電池的基本電化學(xué)阻抗譜測(cè)量，其中在兩個(gè)電池電極之間探測(cè)整個(gè)系統(tǒng)，可以產(chǎn)生一個(gè)光譜，其中在陰極和陽(yáng)極處發(fā)生的反應(yīng)被觀察為單獨(dú)的特征。對(duì)給定電池進(jìn)行更詳細(xì)的電化學(xué)阻抗譜研究可能有助于識(shí)別其他基本過(guò)程。

鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜

鋰離子電池已經(jīng)得到了深入和持續(xù)的研究。然而，具體機(jī)制的詳細(xì)性質(zhì)，如充電/放電速率或長(zhǎng)時(shí)間電池循環(huán)對(duì)能量和電力存儲(chǔ)性能的影響，仍然沒(méi)有完全理解。

這些方面是關(guān)鍵的，并嚴(yán)重影響鋰離子電池的壽命和成本，必須加以實(shí)施以提高鋰離子電池裝置的整體質(zhì)量。在這方面，電化學(xué)阻抗譜可以被認(rèn)為是一種有用的技術(shù)，可以產(chǎn)生見(jiàn)解，幫助解決尚未解決的鋰離子電池問(wèn)題。

 

 

電化學(xué)阻抗譜在鋰電池研究中并不常用。此外，這些文章中的絕大多數(shù)將電化學(xué)阻抗譜作為一種輔助技術(shù)，主要是為了確認(rèn)傳統(tǒng)電化學(xué)測(cè)量已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的趨勢(shì)。在某種程度上，電化學(xué)阻抗譜在電池領(lǐng)域的應(yīng)用可以很好地理解。

現(xiàn)代電化學(xué)阻抗譜儀設(shè)備允許快速采集數(shù)據(jù)，而使用自動(dòng)算法（最常見(jiàn)的等效電路分析）可以輕松解釋數(shù)據(jù)。本文將介紹鋰離子電池系統(tǒng)電化學(xué)阻抗譜的幾種先進(jìn)測(cè)量方法，以及用于深入解釋測(cè)量數(shù)據(jù)的最先進(jìn)建模工具。

電池電化學(xué)阻抗譜測(cè)量

鋰電池性能通常使用由兩個(gè)不同的陰極和陽(yáng)極組成的全電池進(jìn)行評(píng)估。最常見(jiàn)的是，相同的雙電極全電池也用于電化學(xué)阻抗譜測(cè)量。

然而，全電池包含源自每個(gè)電極的許多基本過(guò)程，盡管電化學(xué)阻抗譜具有固有的分辨率，但很難從單個(gè)測(cè)量光譜中正確地解構(gòu)這些過(guò)程。即使使用對(duì)稱或三電極電池，電池中發(fā)生的基本過(guò)程的數(shù)量仍然很高，通常涉及：

 

 

● 電子從集電器轉(zhuǎn)移到電極復(fù)合體，

● 通過(guò)復(fù)合電極厚度的電子傳導(dǎo)/遷移，

● 離子遷移通過(guò)電極厚度，

● 離子和電子電化學(xué)嵌入活性存儲(chǔ)顆粒，

● 固體/液體界面處的雙層充電，

● 活性和非活性離子在多孔電極復(fù)合材料中的耦合擴(kuò)散，

● 離子和電子在活性存儲(chǔ)顆粒內(nèi)的耦合擴(kuò)散，

● 離子在隔離膜中的遷移和擴(kuò)散。

事實(shí)上，在理想情況下，電化學(xué)阻抗譜將能夠單獨(dú)檢測(cè)或多或少所有這些過(guò)程，作為單個(gè)測(cè)量光譜的單獨(dú)特征。準(zhǔn)確地說(shuō)：理想情況下，所測(cè)量的特征數(shù)量?jī)H比單個(gè)過(guò)程的數(shù)量少一個(gè)，這證明了電化學(xué)阻抗譜將復(fù)雜過(guò)程劃分為基本步驟的能力。

在真實(shí)世界的測(cè)量中，許多這些單獨(dú)的特征重疊，很難明確地將它們解耦。這一方面至關(guān)重要，必須仔細(xì)考慮，以便在電池研究領(lǐng)域充分利用電化學(xué)阻抗譜。在過(guò)去的十年中，科學(xué)家們提出了幾種實(shí)驗(yàn)方法，以有效地將鋰離子電池電化學(xué)阻抗譜的合并部分解耦為單獨(dú)的特征。

電池電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)分析

測(cè)量阻抗數(shù)據(jù)的分析可以在幾個(gè)復(fù)雜的層次上進(jìn)行。

第一種被稱為等效電路分析，主要在電池領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。該分析依賴于這樣一個(gè)事實(shí)，即就阻抗而言，最頻繁的過(guò)程，例如電荷通過(guò)相位的遷移和電荷在相位邊界的累積，分別表現(xiàn)出與普通宏觀電阻器和電容器相同的響應(yīng)。同樣，電荷的擴(kuò)散也可以由特定的電組件表示。

 

 

與等效電路分析不同，基于物理的阻抗譜方法依賴于描述固相或液相及其界面中質(zhì)量和電荷傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的一般物理定律的應(yīng)用。第三種基于物理的方法在電化學(xué)阻抗譜領(lǐng)域有著悠久的傳統(tǒng)，并且依賴于將控制方程直接轉(zhuǎn)錄到電路元件中。

總結(jié)和展望

電化學(xué)阻抗譜是一種強(qiáng)大的電化學(xué)技術(shù)，可以將復(fù)雜的過(guò)程分解為基本步驟。然而，在電池領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力尚未得到充分開(kāi)發(fā)。

如果將良好控制的阻抗研究與補(bǔ)充技術(shù)相結(jié)合，以提供有關(guān)所研究系統(tǒng)的宏觀結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和組成的信息，這種阻抗導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以為電池機(jī)制提供基本的新見(jiàn)解。