EIS還可以評估電池的健康狀態(tài)（SOH）！

維科網(wǎng)鋰電在2月23日一文“鋰電知識必備——交流阻抗譜（EIS）”介紹了EIS原理及應用。EIS在科研工作及生產中一般用來測試電池的阻抗，從而得到電池內部各部分的阻抗值（包括總阻抗、界面阻抗和擴散阻抗等），這些阻抗值是評價電池性能的一種重要參數(shù)。但是，僅僅利用EIS得到阻抗信息未免有點“大材小用”了。

西班牙維戈大學Sara Valverde-Pérez等人利用EIS來表征商業(yè)圓柱形鋰離子電池在不同充電狀態(tài)（SOC）條件下和多達300個充/放電循環(huán)過程以監(jiān)測電池的健康狀態(tài)（SOH）。

圖片來源ChemistrySelect論文

背景介紹

鋰離子電池 （LIB）高能量密度高，循環(huán)壽命長，具備一定的安全性。但是，由于不可逆的物理化學反應，使得電池循環(huán)壽命不斷惡化。因此，我們需要一種快速可靠的方法來評估鋰離子電池的“健康狀態(tài)”（SOH），這也是電池研究中的熱門話題。

傳統(tǒng)的SOH評估方法涉及利用低倍率充/放電方法進行容量校準，該過程精度高但耗時較長，不實用。開發(fā)電池SOH快速評估方法的初步研究主要集中通過電化學模型分析電池正/負極之間的傳質過程，這種方法易于分析，但精度相對較低。

在之前研究中，已經開發(fā)出幾種方法來估計SOH。這些方法主要基于充放電曲線，包括增量容量分析（ICA）和差分電壓分析（DVA）或基于電池的內阻，不過一些報告表明容量損失和歐姆電阻之間并不存在相關性。

EIS的數(shù)據(jù)建模通常限于1 kHz-0.1 Hz的頻率窗口，這在一定程度上限制了能獲得的信息。鑒于此，作者提出了一個等效電路模型，旨在擴大頻率窗口，以便獲得盡可能多的關于電極動力學的信息，包括法拉第過程和擴散過程。系統(tǒng)的預期完整描述可以為SOH或SOC估計選擇合適的參數(shù)。

內容介紹

左電池容量隨循環(huán)次數(shù)（0.8C）的變化，右EIS譜隨循環(huán)次數(shù)的變化（0.8C，25% SOC）（圖片來源ChemistrySelect論文）

如上面左圖所示，2號電池是本研究中詳細討論的電池類型。它的容量在第200個循環(huán)后呈指數(shù)級下降。在EIS譜中也觀察到了類似的趨。如上面右圖所示，阻抗譜隨循環(huán)次數(shù)的增加而變化（特別是低頻域），在第200個循環(huán)后變化更加明顯。

阻抗譜隨溫度的變化（圖片來源ChemistrySelect論文）

上圖說明了溫度在阻抗譜的中頻范圍內具有的強烈影響。

阻抗譜隨電池SOC的演變（圖片來源ChemistrySelect論文）

上圖是阻抗與SOC的關系，在所有頻域，尤其是低于1 kHz的頻域，SOC在25%和0%之間發(fā)生了顯著變化。阻抗譜在25%和100%SOC之間變化平穩(wěn)。該形狀參數(shù)可用于確定SOC。本文選擇25%SOC來研究SOH的演變。

不同動力學參數(shù)隨循環(huán)數(shù)（SOH）的演變（圖片來源ChemistrySelect論文）

如上圖所示，內阻（Re）似乎并不是提供SOH信息的適當參數(shù)，這與一些文獻報道一致。與SOH信息最敏感參數(shù)似乎是Rd1，因為該參數(shù)電阻在有規(guī)律地增加。該增加與循環(huán)200圈之前SEI厚度的逐漸增加相一致。

總結

作者使用充/放電循環(huán)和EIS對圓柱形鋰離子電池的電化學行為進行了表征。在不同 SOC、SOH和溫度下進行10 kHz–1 mHz 頻率范圍內的交流阻抗測試，并且模擬出一種電化學等效電路。等效電路的參數(shù)可以作為估計SOC或SOH狀態(tài)的工具。在所研究的示例中，與負極、電荷轉移電阻和擴散電阻相關的動力學參數(shù)最適合分析SOH。

附文獻鏈接

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/slct.202104464