走进电化学 | 原位EIS测试指南

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.

5. 往期链接

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