电化学阻抗技术测试原理 - 中航电科（广州）技术服务有限公司

电化学阻抗技术测试原理

锂离子电池正极具有较高的电压，不仅可以作为电极材料参与电化学反应，而且为电池提供锂离子源；负极的电压较低，在电池充电时起到储存锂离子的作用，放电时将锂离子脱出，实现锂离子可逆的脱/嵌过程。因此锂离子电池正负极材料的充放电容量、循环稳定性能和充放电倍率等重要特性均与锂离子在嵌合物电极材料中的脱出和嵌入过程密切相关，而这些过程可以很好地从电化学阻抗谱的测量和解析中体现出来。把电池中的电极过程等同于电阻与电容串、并联组成的简单电路，通过测试设备电化学工作站输入扰动信号，得到相应的输出信号，根据测量得到的电化学阻抗（EIS）谱图，确定 EIS的等效电路或数学模型，与其他的电化学方法相结合，即可推测电池中包含的动力学过程及其机理。使用小幅度正弦波对电极进行极化，不会引起严重的浓度极化及表面状态变化，扰动与体系的响应近似呈线性关系，速度不同的过程很容易在频率域上分开。在很宽频率范围内测量得到阻抗谱，从而判断出含几个子过程，进而讨论动力学特征，因而 EIS能比其他常规的电化学方法得到更多的电极过程动力学信息和电极界面结构信息。

目前描述电化学嵌入反应机制的模型主要有吸附模型 (adsorption model) 和表面层模型 (surface layer model)。一般采用表面层模型来描述锂离子在嵌合物电极中的脱出和嵌入过程。表面层模型最初由Thomas等提出，分为高频、中频、低频区域，并逐步完善。Barsoukov基于锂离子在单个活性材料颗粒中嵌入和脱出过程的分析，给出了锂离子在嵌合物电极中嵌入和脱出过程的微观模型示意图（见图 3），认为锂离子在嵌合物电极中的脱出和嵌入过程包括以下步骤：1)电子通过活性材料颗粒间的输运、锂离子在活性材料颗粒空隙间的电解液中的输运；2)锂离子通过活性材料颗粒表面绝缘层(SEI膜)的扩散迁移；3)电子/离子导电结合处的电荷传输过程；4)锂离子在活性材料颗粒内部的固体扩散过程；5)锂离子在活性材料中的累积和消耗以及由此导致活性材料颗粒晶体结构的改变或新相的生成。

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