前 言
随着锂离子电池在消费、动力和储能等方面的普及应用,对其快充性能的要求也越来越高。电化学交流阻抗谱(EIS)是评估其动力学性能的一个重要且常用的测量技术,详细测量方法介绍可参考元能科技公众号文章《走进电化学 | 锂离子电池电化学阻抗谱概述》。在锂电材料及工艺性能的研究过程中,技术人员还会需要测试电芯更多状态下的EIS性能,如充放电过程中不同荷电状态(SOC)下的EIS,这种就属于原位EIS测试方法。如图1所示,德国亚琛工业大学的Pouyan Shafiei Sabet(第一作者、通讯作者)和Dirk Uwe Sauer两人对高能量密度锂离子电池(NCM/石墨体系)的交流阻抗图谱进行了深入的分析,明确了全电池交流阻抗图谱的反应过程对应的正负极反应,对于锂离子电池反应机理的研究具有重要的意义1。本文将为大家初步介绍原位EIS的测试流程及应用场景。
图1. NCM半电池不同SOC的EIS曲线1
1. 实验设备与测试方法
1.1 实验设备:元能科技电化学性能分析仪,型号ERT7008-100mA。设备如图2。
图2. ERT7008外观图
1.2 测试方法:选取一种容量为24mAh 钴酸锂/石墨扣式电池,进行循环EIS测试:EIS测试频率范围为0.01Hz~100kHz,电压扰动5mV,每10%SOC测试一次EIS,对应的电压和电流变化曲线如图3所示。
图3. 原位EIS测试电压电流曲线图
2. 数据分析
对扣式电池进行充电和放电过程中不同SOC的EIS测试,结果如图4所示。从(a)和(b)的Nyquist图的结果来看,随着充电SOC的增加,阻抗谱的半圆逐渐向左缩小,随着放电深度DOD的增加,阻抗谱的半圆逐渐向右增加。取1Hz左右对应的实部阻抗,得到图(c)和(d),充电过程中阻抗逐渐减小,放电过程中阻抗逐渐增大,这个趋势与电芯内阻的“浴盆曲线”趋势是一致的,主要是由于锂离子在正负极材料中脱嵌时,高SOC对应的电荷转移阻抗变小。采用原位EIS的测试模式,可以快速得到电芯不同状态各部分阻抗的变化趋势,助力研究人员分析材料性能。
图4. 充电和放电过程不同SOC的EIS曲线
3. 总结
本文使用元能科技的电化学性能分析仪ERT系列,实现对扣电原位充放电过程中不同SOC状态的EIS测试,可发现阻抗随着充电SOC的增加而降低,随放电深度DOD的增加而增加的现象。采用这种原位EIS的测试方法,可助力研发人员深入分析材料和电芯性能。
4. 参考文献
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.
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