EIS還可以評(píng)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(shí)必備——交流阻抗譜(EIS)”介紹了EIS原理及應(yīng)用。EIS在科研工作及生產(chǎn)中一般用來(lái)測(cè)試電池的阻抗,從而得到電池內(nèi)部各部分的阻抗值(包括總阻抗、界面阻抗和擴(kuò)散阻抗等),這些阻抗值是評(píng)價(jià)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(diǎn)“大材小用”了。
西班牙維戈大學(xué)Sara Valverde-Pérez等人利用EIS來(lái)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(dá)300個(gè)充/放電循環(huán)過(guò)程以監(jiān)測(cè)電池的健康狀態(tài)(SOH)。
圖片來(lái)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(zhǎng),具備一定的安全性。但是,由于不可逆的物理化學(xué)反應(yīng),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(lái)評(píng)估鋰離子電池的“健康狀態(tài)”(SOH),這也是電池研究中的熱門(mén)話題。
傳統(tǒng)的SOH評(píng)估方法涉及利用低倍率充/放電方法進(jìn)行容量校準(zhǔn),該過(guò)程精度高但耗時(shí)較長(zhǎng),不實(shí)用。開(kāi)發(fā)電池SOH快速評(píng)估方法的初步研究主要集中通過(guò)電化學(xué)模型分析電池正/負(fù)極之間的傳質(zhì)過(guò)程,這種方法易于分析,但精度相對(duì)較低。
在之前研究中,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種方法來(lái)估計(jì)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(nèi)阻,不過(guò)一些報(bào)告表明容量損失和歐姆電阻之間并不存在相關(guān)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(gè)等效電路模型,旨在擴(kuò)大頻率窗口,以便獲得盡可能多的關(guān)于電極動(dòng)力學(xué)的信息,包括法拉第過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程。系統(tǒng)的預(yù)期完整描述可以為SOH或SOC估計(jì)選擇合適的參數(shù)。
內(nèi)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(lái)源:ChemistrySelect論文)
如上面左圖所示,2號(hào)電池是本研究中詳細(xì)討論的電池類(lèi)型。它的容量在第200個(gè)循環(huán)后呈指數(shù)級(jí)下降。在EIS譜中也觀察到了類(lèi)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(gè)循環(huán)后變化更加明顯。
阻抗譜隨溫度的變化(圖片來(lái)源:ChemistrySelect論文)
上圖說(shuō)明了溫度在阻抗譜的中頻范圍內(nèi)具有的強(qiáng)烈影響。
阻抗譜隨電池SOC的演變(圖片來(lái)源:ChemistrySelect論文)
上圖是阻抗與SOC的關(guān)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(lái)研究SOH的演變。
不同動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨循環(huán)數(shù)(SOH)的演變(圖片來(lái)源:ChemistrySelect論文)
如上圖所示,內(nèi)阻(Re)似乎并不是提供SOH信息的適當(dāng)參數(shù),這與一些文獻(xiàn)報(bào)道一致。與SOH信息最敏感參數(shù)似乎是Rd1,因?yàn)樵搮?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(jié)
作者使用充/放電循環(huán)和EIS對(duì)圓柱形鋰離子電池的電化學(xué)行為進(jìn)行了表征。在不同 SOC、SOH和溫度下進(jìn)行10 kHz–1 mHz 頻率范圍內(nèi)的交流阻抗測(cè)試,并且模擬出一種電化學(xué)等效電路。等效電路的參數(shù)可以作為估計(jì)SOC或SOH狀態(tài)的工具。在所研究的示例中,與負(fù)極、電荷轉(zhuǎn)移電阻和擴(kuò)散電阻相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)最適合分析SOH。
附:文獻(xiàn)鏈接
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/slct.202104464
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網(wǎng)址: EIS還可以評(píng)估電池的健康狀態(tài)(SOH)! http://www.u1s5d6.cn/newsview1295663.html
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