鋰電池是一類電化學能量存儲設備，電化學阻抗譜（EIS）在理解電池電荷存儲機制方面的潛力仍有待充分開發(fā)。一般來說，電化學阻抗譜被認為是一種輔助技術，應促進電化學阻抗譜的應用，重點是改進實驗設計，并使用基于物理的模型進行高級數(shù)據分析。

電化學阻抗譜簡介

電化學阻抗譜是研究電化學系統(tǒng)中發(fā)生的過程的有力技術。一般來說，這種過程涉及任何液體或固體材料（離子、半導體、混合電子離子甚至絕緣體）的本體或界面區(qū)域中束縛或移動電荷的動力學。

電化學阻抗譜的主要優(yōu)點是，它可以基于不同的弛豫時間將復雜的電化學過程有效地分解為一系列基本過程。然而，在整個電化學阻抗譜測量過程中，系統(tǒng)必須保持靜態(tài)。

 

 

這兩個特征都可以通過使用電勢或電流的小幅度周期性擾動以不同頻率激勵電化學系統(tǒng)來實現(xiàn)。通過測量系統(tǒng)對該擾動的響應，可以計算相應的傳遞函數(shù)，即系統(tǒng)的阻抗。理想情況下，電化學阻抗譜結合了構成整個電化學機制的每個基本過程的單獨特征。

典型電化學儲能電池的基本電化學阻抗譜測量，其中在兩個電池電極之間探測整個系統(tǒng)，可以產生一個光譜，其中在陰極和陽極處發(fā)生的反應被觀察為單獨的特征。對給定電池進行更詳細的電化學阻抗譜研究可能有助于識別其他基本過程。

鋰離子電池的電化學阻抗譜

鋰離子電池已經得到了深入和持續(xù)的研究。然而，具體機制的詳細性質，如充電/放電速率或長時間電池循環(huán)對能量和電力存儲性能的影響，仍然沒有完全理解。

這些方面是關鍵的，并嚴重影響鋰離子電池的壽命和成本，必須加以實施以提高鋰離子電池裝置的整體質量。在這方面，電化學阻抗譜可以被認為是一種有用的技術，可以產生見解，幫助解決尚未解決的鋰離子電池問題。

 

 

電化學阻抗譜在鋰電池研究中并不常用。此外，這些文章中的絕大多數(shù)將電化學阻抗譜作為一種輔助技術，主要是為了確認傳統(tǒng)電化學測量已經發(fā)現(xiàn)的趨勢。在某種程度上，電化學阻抗譜在電池領域的應用可以很好地理解。

現(xiàn)代電化學阻抗譜儀設備允許快速采集數(shù)據，而使用自動算法（最常見的等效電路分析）可以輕松解釋數(shù)據。本文將介紹鋰離子電池系統(tǒng)電化學阻抗譜的幾種先進測量方法，以及用于深入解釋測量數(shù)據的最先進建模工具。

電池電化學阻抗譜測量

鋰電池性能通常使用由兩個不同的陰極和陽極組成的全電池進行評估。最常見的是，相同的雙電極全電池也用于電化學阻抗譜測量。

然而，全電池包含源自每個電極的許多基本過程，盡管電化學阻抗譜具有固有的分辨率，但很難從單個測量光譜中正確地解構這些過程。即使使用對稱或三電極電池，電池中發(fā)生的基本過程的數(shù)量仍然很高，通常涉及：

 

 

● 電子從集電器轉移到電極復合體，

● 通過復合電極厚度的電子傳導/遷移，

● 離子遷移通過電極厚度，

● 離子和電子電化學嵌入活性存儲顆粒，

● 固體/液體界面處的雙層充電，

● 活性和非活性離子在多孔電極復合材料中的耦合擴散，

● 離子和電子在活性存儲顆粒內的耦合擴散，

● 離子在隔離膜中的遷移和擴散。

事實上，在理想情況下，電化學阻抗譜將能夠單獨檢測或多或少所有這些過程，作為單個測量光譜的單獨特征。準確地說：理想情況下，所測量的特征數(shù)量僅比單個過程的數(shù)量少一個，這證明了電化學阻抗譜將復雜過程劃分為基本步驟的能力。

在真實世界的測量中，許多這些單獨的特征重疊，很難明確地將它們解耦。這一方面至關重要，必須仔細考慮，以便在電池研究領域充分利用電化學阻抗譜。在過去的十年中，科學家們提出了幾種實驗方法，以有效地將鋰離子電池電化學阻抗譜的合并部分解耦為單獨的特征。

電池電化學阻抗譜數(shù)據分析

測量阻抗數(shù)據的分析可以在幾個復雜的層次上進行。

第一種被稱為等效電路分析，主要在電池領域占據主導地位。該分析依賴于這樣一個事實，即就阻抗而言，最頻繁的過程，例如電荷通過相位的遷移和電荷在相位邊界的累積，分別表現(xiàn)出與普通宏觀電阻器和電容器相同的響應。同樣，電荷的擴散也可以由特定的電組件表示。

 

 

與等效電路分析不同，基于物理的阻抗譜方法依賴于描述固相或液相及其界面中質量和電荷傳輸以及電化學反應的一般物理定律的應用。第三種基于物理的方法在電化學阻抗譜領域有著悠久的傳統(tǒng)，并且依賴于將控制方程直接轉錄到電路元件中。

總結和展望

電化學阻抗譜是一種強大的電化學技術，可以將復雜的過程分解為基本步驟。然而，在電池領域，這項技術的巨大潛力尚未得到充分開發(fā)。

如果將良好控制的阻抗研究與補充技術相結合，以提供有關所研究系統(tǒng)的宏觀結構、微觀結構和組成的信息，這種阻抗導向的實驗設計可以為電池機制提供基本的新見解。