下载文档原格式
如何研究锂离子电池的阻抗？ 在对阻抗建模时，COMSOLMultiphysics软件会自动将这些方程转换为频域形式，并围绕给定的电压和电流将方程线性化。
电池在工作时通常会经历很多过程，而这些过程涉及了非常多的参数。
如何深入探究电池内部的运行和反应过程？一种便捷的途径是分析电池的阻抗。
借助“案例库”中的“锂离子电池阻抗”演示App，我们可以对特定锂离子电池设计中的阻抗进行分析。
阻抗谱：一种实验方法 电化学阻抗谱（EIS）是一种广泛应用于电分析领域的技术，其作用是研究电化学系统中的谐波响应。
在电池中，它会在两个电极之间电势差的基础之上施加一个小的正弦振荡，并根据阻抗以频域分析得到的电流结果。
通常情况下，该扰动应用于开路电压。
在电学分析中，阻抗是一个包含实部和虚部的复数。
实部相当于与外加电压同相的电阻；虚部相当于与外加电压呈90°异相的电抗。
阻抗的实部和虚部告诉了人们有关电池的动力学、质量传递属性及其电容特性的信息。
通过测量一定频率范围内的阻抗，系统中各个物理场的相对影响都可以被表示为特征时间尺度的函数。
如何模拟锂离子电池中的阻抗 发生在锂离子电池内的多个过程展现出了瞬态响应，可以在频域中探测到。
下图中的标准锂离子电池由两个多孔电极构成，并且两电极之间带有多孔隔膜，我们可以对以下过程进行解释：活性电极材料表面的电荷转移反应。
➤活性电极材料表面的电荷转移反应。
➤电解质中的质量传递（扩散和迁移）。
➤活性电极材料颗粒内的锂扩散。
➤活性电极材料、电导体和其他表面上双电层电荷的变化。
➤导电材料之间的接触阻抗。
锂离子电池内的过程与材料 在对阻抗建模时，COMSOLMultiphysics软件会自动将这些方程转换为频域形式，并围绕给定的电压和电流将方程线性化。
线性化方法与阻抗数据的谐波解释一致，并且由于使电池电势受到很小的扰动，所以该方法是可行的。
如何理解阻抗数据？ 奈奎斯特图是表征系统阻抗的常用方式，图中阻抗的负虚部分量与实部分量分别绘制在y轴和x轴上。
磷酸铁锂材料的交流阻抗谱
磷酸铁锂材料的交流阻抗谱是一种对电池性能进行评估和分析的重要方法。
通过测量电池在不同频率下的交流电阻，可以得到不同频率下的阻抗谱，从而了解电池的内部电化学过程和材料性能。
交流阻抗谱通常由三个主要的电化学过程组成：电解质在电极表面的吸附和解吸过程、电极表面的电荷转移过程和离子在电解质中的扩散过程。
这些过程对应着阻抗谱中的不同区域。
在低频区域（几十毫赫兹以下），阻抗谱会显示出一个虚拟电容，代表电解质在电极表面的吸附和解吸过程。
这个虚拟电容与电解质在电极表面的溶解度、电极材料的吸附能力和反应速率有关。
在中频区域（几十至几百赫兹），阻抗谱会显示出一个交流电阻，代表电极表面的电荷转移过程。
这个交流电阻与电极材料的电导率、离子和电荷的传输速率有关。
在高频区域（几百赫兹以上），阻抗谱会显示出一个电解质内部的扩散电阻，代表离子在电解质中的扩散过程。
这个扩散电阻与电解质中离子的浓度、离子迁移率和电解质的导电性有关。
通过分析交流阻抗谱，可以得到电池材料的导电性、离子迁移率、界面反应速率等关键参数，为电池性能的改进和优化提供依据。
同时，交流阻抗谱也可以用来评估电池的状态和健康度，对电池的寿命预测和故障诊断具有重要意义。
总之，磷酸铁锂材料的交流阻抗谱是一种非常有价值的表征电池性能的方法，通过分析不同频率下的阻抗谱可以了解材料的电化学行为和性能，并为电池的改进和应用提供指导。
锂电池研究中的电导率测试分析方法许洁茹;凌仕刚;王少飞;潘都;聂凯会;张华;邱纪亮;卢嘉泽;李泓【摘要】锂电池活性电极材料的锂离子电导率、电子电导率以及电解质的锂离子电导率与锂电池的动力学行为密切相关.电导率的测试分析有助于理解材料的电化学性能,常用的方法包括直流法、交流阻抗法和直流极化法等.本文根据电解质材料和活性电极材料的不同导电特性,分类介绍了电导率测试选取的方法、原理、设备、测试流程和注意事项,并结合具体案例阐述数据的分析.【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2018(007)005【总页数】30页(P926-955)【关键词】电导率;直流法;交流阻抗法;直流极化法;锂电池【作者】许洁茹;凌仕刚;王少飞;潘都;聂凯会;张华;邱纪亮;卢嘉泽;李泓【作者单位】中国科学院物理研究所,北京 100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京 100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京 100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京 100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京 100190【正文语种】中文【中图分类】TM911电子和离子在固体中的输运问题分别是半导体物理和固体离子学的核心研究内容，对这部分内容感兴趣的读者可以参阅相关的专著和综述类文献[1-2]。
本文对载流子输运的基本参数和宏观传输机理进行表述，以方便后文的说明。
当一个稳恒电流通过一个导体时，其电流和施加于导体两端的电压成正比。
电导率以欧姆定律定义为电流密度J和电场强度的比率电导率反应载流子传输电流能力的强弱，单位是西门子/米（S/m）或西门子/厘米（S/cm）。
实验测量值为物体的电阻R，正比于其长度L，反比于其截面积A式中，R为电阻，Ω；L为导体长度，cm；A为导体截面积，cm2。
从而有迁移速度v正比于局部作用的电场强度，迁移率由以下比值确定v为迁移速度，cm/s；为迁移率，cm2/(V·s)。
集团公司文件内部编码：(TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-DBTTY-虚部：C d2l R b1、了解交流阻抗技术原理及应用2、应用交流阻抗技术测定聚合物电解质离子电导率交流阻抗法是一种以小振幅的正弦波电位(或电流) 为扰动信号，叠加在外加直流电压上，并作用于电解池。
通过测量系统在较宽频率范围的阻抗谱，获得研究体系相关动力学信息及电极界面结构信息的电化学测量方法。
例如，可从阻抗谱中含有时间常数个数及其大小推测影响电极过程的状态变化情况，可以从阻抗谱观察电极过程中有无传质过程的影响等。
本实验采用交流交流阻抗技术测量聚合物电解质离子电导率。
基本测试电池回路的等效电路示于图1。
其中C dl 是双电层电容，由电极／电解质界面的相反电荷形成， C g 是两个平行电极构成的几何电容，它的数值较双电层电容C dl 小。
R b 为电解质的本体电阻。
图1测试电池的等效电路由图1等效电路计算得相应的阻抗值：Z= 一j(1)其中，实部：Z1= (Cg+C dl)2 + 2 C d2l C g2R b2(2)-Z ＂=(3)在低频区ω→0，式(2)简化为C d 2l R b Z1= ( C g +C dl )2当C dl >>C g 时，则C g /C dl →0得到：Z1=R b (4)此时图1简化成纯电阻R b ，在复平面图上是一条垂直于实轴并与实轴交于R b 的直线。
在高频区ω→∞，当C dl >>C g 时式(2)简化为b而式(3)简化为O C 2R 2将式(5)与式(6)中的ω削去可得(Z '一 R b / 2)2 + (一Z ")2 = R b 2 / 4 (7) 式(7) 表示的是一个以(R b /2，0) 为圆心， R b /2为半径的圆方程。
在复平面图上 表现为一个半圆。
综合式(4) 和(7) ，与图1对应的阻抗图谱如图2所示。
该阻抗图是一个标准的半圆 (高频部分)，外加一条垂直于实轴Z1的直线(低频部分) 。
干货锂电池研究中的电导率测试分析方法导读：锂离子电池充放电过程中，电池极片内部存在锂离子和电子的传输，其中锂离子通过电极孔隙内填充的电解液传输，而电子主要通过固体颗粒，特别是导电剂组成的三维网络传导至活物质颗粒/电解液界面参与电极反应。
电子的传导特性对电池性能影响大，主要影响电池的倍率性能。
而电池极片中，影响电导率的主要因素包括箔基材与涂层的结合界面情况，导电剂分布状态，颗粒之间的接触状态等。
通过电池极片的电导率能够判断极片中微观结构的均匀性，预测电池的性能。
本文根据自己的经验和文献资料对电池极片的电导率测试方法进行简单总结，并列举极片电导率的部分影响因素。
01电导率测试方法1.1 测试装置的构建和电极选择最常规的测试装置将测试材料夹在两片测试电极之间，构成一个三明治结构，如图1 所示。
而对于薄膜材料，则必须设计合适的微电极，一般分为两种：三明治结构和面内电极结构（叉指电极、平行条状电极）。
图1 测试电极示意图构成测试装置的极片有 3 类，可逆电极（reversible electrode）、全阻塞电极（blocking electrode）和半阻塞电极（semi-blocking electrode）。
可逆电极和全阻塞电极对应于传统电化学中交换电流很大的理想不极化电极和交换电流接近于零的理想极化电极，半阻塞电极常用于混合导体中离子电导率和电子电导率的区分。
利用这些电极可以组成不同类型的测试装置，以满足不同导电特性材料的不同测试需要。
不同类型电极的特点列于表1。
表1 不同电极类型及特点1.2 离子电导率和电子电导率的测试方法3 种测试离子电导率和电子电导率的电极构筑方式。
BUSCHMANN 等分别用金属锂可逆电极和Au 离子阻塞电极作为测试电极进行交流阻抗谱测试[图2(a)]，得到材料的离子电导率和电子电导率之和；图2(b)用金属锂作为测试电极（170 ℃退火处理，保证测试电极和测试材料之间的良好接触）进行四电极直流法测试，得到总电导率和交流阻抗谱的结果基本一致；图2(c)一侧用Au电极，一侧用金属锂电极，通过Hebb-Wagner 直流极化，混合离子和电子的高瞬态电流很快下降，并最终达到稳定的电子电流，从而确定电子和空穴的电导率；之后，由交流阻抗谱得到的总电导率和直流极化法得到的电子电导率，用迁移数的定义计算电子迁移数。
锂电池原位电化学阻抗谱测试引言随着电动汽车、移动设备等领域的快速发展，锂电池在储能领域的应用日益广泛。
为了深入了解锂电池的性能、优化其设计和提升电池的安全性，原位电化学阻抗谱测试成为一种重要的研究方法。
本篇文章将详细介绍锂电池原位电化学阻抗谱测试，主要探讨以下方面：电池性能测试、阻抗谱分析、电极过程动力学、电解液特性、电池反应动力学、温度和压力影响、老化与失效机制以及安全性评估。
1. 电池性能测试电池性能测试是评估锂电池性能的重要手段，包括容量、电压、电流等参数的测量。
通过测试不同参数的电池，可以分析电池的性能和影响因素。
此外，循环寿命、倍率性能和自放电率等也是评估锂电池性能的重要指标。
2. 阻抗谱分析阻抗谱分析是一种研究电化学系统的方法，通过测量系统的阻抗特性随频率的变化，可以深入了解电池的内部机制。
在锂电池原位电化学阻抗谱测试中，测量不同频率区域的阻抗谱，可以获得电极材料、电解液和电池内部其他组件的电化学性质和动力学参数。
3. 电极过程动力学电极过程动力学是研究电池极化现象的重要理论。
通过阻抗谱测量和分析，可以确定电极过程的动力学参数，如活化能、反应物浓度等，进而了解电池内部反应机理。
此外，电极过程动力学还可以为优化电极材料和设计提供理论指导。
4. 电解液特性电解液是锂电池的重要组成部分，其特性对电池性能具有重要影响。
通过阻抗谱分析电解液的物理和化学性质，如离子导电性、电化学稳定性等，可以探究电解液对电池性能的影响。
此外，电解液的选择和优化对提高电池的安全性和稳定性也具有重要意义。
5. 电池反应动力学电池反应动力学是研究电池反应速度和反应路径的重要理论。
通过阻抗谱分析不同反应机理，探究电池反应的具体过程，可以为优化电池设计和提升电池性能提供理论支持。
此外，电池反应动力学还可以为新型电池的开发提供指导。
6. 温度和压力影响温度和压力对锂电池的性能和阻抗谱具有重要影响。
通过实验参数的变化，可以了解温度和压力对电池性能的影响机制。
如何用交流阻抗数据确定锂电材料的扩散系数锂离子电池是利用Li+在正负极之间的迁移和扩散，在正负极之间建立Li的浓度差，从而储存电能。
因此Li+在正负极之间的扩散会对锂离子电池性能产生显著的影响，如果我们按照从快到慢的速度为Li+扩散的各个环节排序的话，无疑Li+在电解液之中的扩散是最为迅速的，其次是Li+在正负极表面的电荷交换过程，这一过程的速度就相对较慢了，容易成为限制缓解，而Li+在正负极材料内部的扩散速度是最慢的，这一环节也往往成为限制锂离子电池倍率性能的关键。
作为衡量Li+在活性物质内部扩散速度快慢的关键参数——固相扩散系数也就成为衡量一款材料倍率性能的关键，但是获取材料的这一参数并非简单的事情。
通常来说，计算活性物质固相扩散系数的方法主要有恒电位滴定、恒电流滴定和交流阻抗数据等方法。
近日，德国德累斯顿工业大学的Tien Quang Nguyen（第一作者）和Cornelia Breitkopf（通讯作者）提出了一种新的通过交流阻抗数据获取扩散系数的方法。
采用EIS数据获取材料的扩散系数并不是新提出的概念，在此之前就已经有不少模型采用了交流阻抗中的扩散阻抗值来计算电极或材料的扩散系数，但是这些模型通常都需要结合扩散长度等参数进行计算，而这一数值通常采用电极厚度或颗粒半径等数值近似代替。
而Tien Quang Nguyen提出的方法仅仅需要采用交流阻抗数据就可以获得计算扩散系数所需要的全部参数。
根据扩散系数的定义，我们可以通过扩散长度ID和扩散时间τD之间的比值得到扩散系数（如下式所示）。
从上式能够看到，要想获得扩散系数我们需要通过实验数据或理论模型数据得到上述的两个参数。
在电化学体系中，离子淌度可以通过双电层的厚度λD和极化过程中的弛豫时间τ2根据下式计算得到。
为了获得扩散系数这一关键参数，我们首先要获得扩散层厚度这一数据，所谓扩散层是指的在扩散过程中物质浓度会受到影响的范围，Bandara & Mellander and Coelho等人通过界面电介质极化现象开发了一个模型用以计算扩散层的厚度。
交流阻抗法离子传导膜电阻交流阻抗法是一种常用的实验技术，用于研究离子传导膜的电阻特性。
离子传导膜是一种能够选择性传导离子的薄膜，广泛应用于电池、燃料电池、分离膜等领域。
交流阻抗法是通过测量电极在交流电场中的响应来研究离子传导膜的电阻特性。
其基本原理是利用交流电压激发离子传导膜中的离子运动，通过测量电极的阻抗来推断膜的电导率和电阻特性。
在实验中，首先需要制备好具有一定厚度和面积的离子传导膜，常用的材料有聚合物膜、陶瓷膜等。
然后将电极固定在离子传导膜的两侧，并通过电缆将电极与测量仪器连接起来。
在进行实验之前，需要先确定适当的实验条件，如频率范围、电压振幅等。
一般情况下，选择一个较低的频率范围可以使测量结果更加准确。
在实验过程中，通过施加交流电压，可以使离子在传导膜中产生运动。
离子传导膜中的离子对电场的响应可以通过测量电极的阻抗来得到。
阻抗是描述电极对交流电压响应的物理量，它由电阻和电容两个部分组成。
通过测量电极的阻抗，可以得到离子传导膜的电导率和电阻特性。
根据交流阻抗法的原理，当交流电压的频率较低时，离子传导膜的电导率主要由离子的迁移速率决定；而当频率较高时，电极与离子传导膜之间的电荷传递过程也会对电导率产生影响。
交流阻抗法具有非常高的测量精度和灵敏度，可以用来研究离子传导膜的电导率、电阻特性以及离子迁移速率等。
同时，该方法还可以用于评估离子传导膜的稳定性和耐久性。
总结来说，交流阻抗法是一种非常重要的实验技术，用于研究离子传导膜的电阻特性。
通过测量电极的阻抗，可以得到离子传导膜的电导率和电阻特性，进而评估其性能和稳定性。
这种方法在电池、燃料电池、分离膜等领域有着广泛的应用前景。
锂电池交流内阻测试原理一、引言锂电池是目前广泛应用于手机、电动车、无人机等领域的一种重要电源。
为了保证锂电池的性能和安全性，对其内部参数进行准确的测试是非常必要的。
其中，交流内阻是评估锂电池性能的重要指标之一。
本文将介绍锂电池交流内阻测试的原理和方法。
二、锂电池交流内阻的概念交流内阻是指锂电池在交流条件下，电流通过锂电池时所产生的内部电阻。
它由锂电池的电化学反应、电解质的离子传输以及电极材料的电导等多种因素共同决定。
交流内阻的大小直接影响着锂电池的性能和寿命。
三、锂电池交流内阻测试的原理1. 交流内阻测量原理锂电池交流内阻的测量通过施加交流信号，并测量电压和电流的相位差来计算得到。
一般采用的测量方法有恒流法和信号法。
2. 恒流法测量恒流法测量是通过施加恒定的交流电流信号，并测量锂电池两端的交流电压来计算交流内阻。
该方法的原理是根据欧姆定律，利用电流和电压的关系计算出内阻大小。
3. 信号法测量信号法测量是通过施加交流电压信号，并测量锂电池两端的交流电流来计算交流内阻。
该方法的原理是根据欧姆定律，利用电压和电流的关系计算出内阻大小。
四、锂电池交流内阻测试的方法1. 实验仪器准备进行锂电池交流内阻测试前，需要准备一台交流内阻测试仪或者多用途电池测试仪。
该仪器一般具有交流电流源、交流电压源和相位差测量等功能。
2. 测试步骤（1）连接仪器：将锂电池的正负极分别连接到仪器的正负极。
（2）设置参数：根据测试仪器的要求，设置测试的频率、电流等参数。
（3）开始测试：启动测试仪器，进行交流内阻测试。
根据仪器的指示，测量电压和电流的数值，并记录下来。
（4）计算结果：根据测量值和仪器提供的计算公式，计算出交流内阻的数值。
五、锂电池交流内阻测试的影响因素1. 温度影响：锂电池的内阻会随着温度的变化而变化，一般在高温下内阻较小，在低温下内阻较大。
2. 频率影响：不同频率下，锂电池的内阻可能会有所不同，需要根据实际情况选择合适的测试频率。
锂离子电池交流阻抗测试交流阻抗谱（EIS）对于研究锂离子电池系统有非常多的优点。
通过一张EIS谱图可以获得电池的欧姆阻抗（Rs），界面层（SEI），电荷转移反应（Rct）和扩散过程（W）的阻抗信息。
EIS测量过程中不需要对电池进行拆解，这样避免了环境条件对电池材料的影响，并且可以在电池的工作状态下进行测量。
本应用报告将对使用交流阻抗对锂电池进行测试及拟合的过程进行详细描述。
1.设备：所有Zahner的电化学工作站都具有交流阻抗的测试功能2.连接：采用四电极连接方式，分别把工作电极黑色引线（WE power）和工作测试电极蓝色引线（WE sense）连接到电池的正极(+)，把对电极红色引线（CE）和参比电极绿色引线（RE）连接到电池的负极(-).3.连接后，选中EIS测试方法EIS potentiostatic 或EIS galvanostatic后,Online Display窗口会自动显示电池开路电压(cell Voltage), 检查其是否正确和稳定，如果发现异常，仔细检查连接是否正确。
Online display可以实时显示电池开路电位（Cell voltage）4.测试设置：这里注意的是测试方法的选定，通常有电压扰动（EIS potentiostatic）和电流扰动（EIS galvanostatic）两种方法，两种方法测试结果相同。
选择电压扰动（EIS potentiostatic方法时，要根据欧姆定律，估计一下得到的电流是否会超出仪器的最大量程。
例如：内阻大约为1mΩ，施加5mV电压扰动，峰值电流就会达到5A。
这样的电流就超出了仪器的量程，测试就不能进行，严重的话可能会损坏硬件,同时大电流也影响到电池的SOC，测试结果也会受到影响。
所以为了安全，当电池的内阻非常小时，例如在100mΩ以下，建议使用电流扰动EIS 方法（EIS galvanostatic）。
一般是扣式电池用电压扰动，动力电池用电流扰动。
