电池交流阻抗测试

电池交流阻抗测试

交流阻抗测试是以小振幅正弦波电压信号(或电流信号)作扰动，使电极系统产生近似线性关系的电流或电压响应，从而测量动力电池体系在某一频率范围阻抗谱的方法。这种“黑箱方法”以电压、电流为输入、输出，间接得到电池内部阻抗信息。

在研究电化学阻抗谱的过程中，研究人员基于电化学原理发现了电极界面双电层电容偏离纯电容的特性，由此引申出了分数阶模型，显著提高了对电池频域、时域特性的拟合精度。此外，动力电池交流阻抗谱与老化状态存在强烈的单调映射关系。因此，在获取动力电池交流阻抗谱后，可通过对其中某些特征参数的提取来标定动力电池SOH。

使用电化学工作站对动力电池进行EIS测试有多种方式可选，可采用二电极体系、三电极体系、四电极体系等。如图2-20所示，二电极体系包含工作电极、对电极，三电极体系相比于二电极体系增加了一个已知电位的参比电极，由此可以获得工作电极的电位，同时通过工作电极和对电极回路可以获得流过体系的电流，即可研究动力电池某一电极电位与界面反应对的关系。目前较为常用的是二电极体系。

二电极体系下动力电池与电化学工作站的连接方式如图2-21所示，实物连接方式如图2-22所示。将动力电池的正极作为工作电极，将负极作为对电极，与电化学工作站相应接口连接，用来提供正弦激励信号。此外，参比电极线与负极连接，感受电极线与正极连接，二者没有电流流过，用来测量它们之间的电压信号。

图2-20 EIS测试的二电极体系和三电极体系

图2-21 二电极体系下动力电池与电化学工作站的连接方式EIS的测试方法通常有两种：恒电流法和恒电位法。从理论上讲，两者的测量结果一致，但实际应用中二者的应用场合不同。恒电位法应用较为广泛，动力电池的激励由一个恒定电压与一个幅值确定的正弦信号叠加得到的复合电压信号来提供，同时电化学工作站测量系统的交流电流响应，根据电压和电流的比例得到阻抗。恒电流法是指对动力电池施加一个由直流电流(可以为0)与一个幅值确定的正弦电流信号叠加的复合电流信号作为激励，同时电化学工作站测量动力电池系统的电压信号响应，根据电压和电流的比值计算阻抗。这种方法一般应用于与腐蚀相关的测试或者燃料电池测试中。对于锂离子动力电池，恒电位原位EIS测试和恒电流原位EIS测试均有采用。而恒电流原位EIS测试，能

够防止在长时间测量过程中导致的动力电池充电或者放电，从而保持SOC值恒定。

图2-22 动力电池与电化学工作站的连接方式

充放电结束后静置时间的长短直接影响到锂离子动力电池系统内部的稳定性，这也是影响电化学阻抗谱测量结果可靠性的一个重要因素。静置时间可以通过测量该时间内电压电流的变化趋势，和比较不同静置时间下阻抗谱的测量结果来确定。一般情况下，合理的静置时间为3h，相比于更短的静置时间，测量结果的可重复性大大提升，并且低频坏点出现的频率明显降低。另外，EIS测试还受到很多因素影响，例如电化学工作站夹具在电池极耳上的连接位置、所使用的测试线长度等。这些因素在实验过程中都要统一。

动力电池电化学阻抗谱测试结果通常展示在负奈氏图上，横坐标为阻抗的实部，纵坐标为阻抗的负虚部，从左下到右上频率逐渐降低。某动力电池电化学阻抗谱如图2-23所示。