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走進電化學 | 巧用電化學阻抗譜,診斷鋰電池的失效“病因”

走進電化學 | 巧用電化學阻抗譜,診斷鋰電池的失效“病因”
元能科技  2025-03-03  |  閱讀:1801

一、背景介紹

在儲能電站爆炸事故的調查報告里,或在新能源汽車自燃的現(xiàn)場殘骸中,"電池失效"總是作為核心關鍵詞被反復提及。鋰離子電池作為復雜的電化學系統(tǒng),其失效往往源自多尺度、多物理場的復雜演變:電極材料的結構坍塌、電解液分解導致的"鋰枝晶"生長、界面SEI膜的異常增厚等微觀變化,最終都會在宏觀層面表現(xiàn)為容量跳水、內阻激增,甚至熱失控。

傳統(tǒng)失效分析多采用拆解檢測、容量標定等方法,但存在兩大痛點:①破壞性檢測導致樣本無法復用;②靜態(tài)參數(shù)無法反映動態(tài)衰退過程。而電化學阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)技術憑借其無損檢測、多頻段解析的優(yōu)勢,正在成為失效分析領域的"透視眼"。


二、EIS:透視電池內部的多頻段“分層CT掃描”技術

當向電池施加小幅度的電流&電壓激勵信號時,EIS通過掃描兆赫茲至毫赫茲的寬頻域響應,可解析出電池內部不同時間常數(shù)的電化學過程(如下圖所示),這就像對電池進行"分層CT掃描":

? 高頻區(qū)(10000~100 Hz):捕捉集流體/電極界面的接觸阻抗,反映極耳焊接、極片壓實的機械缺陷。

? 中頻區(qū)(1000~10 Hz):解析電荷轉移阻抗,診斷正負極活性材料的反應動力學衰退。

? 低頻區(qū)(10~0.01 Hz):追蹤Warburg阻抗,揭示鋰離子在電極體相中的擴散阻滯。

1.jpg

此外,通過等效電路擬合,可將抽象的半圓曲線量化為Rsei(SEI膜阻抗)、Rct(電荷轉移阻抗)等具體參數(shù),為失效定位提供定量依據(jù),也可以結合弛豫時間分布(Distribution of Relaxation Times, DRT)來獲得快速可視化分析結果。例如某動力電池循環(huán)后出現(xiàn)45°低頻斜線變短,逐步趨向消失(如下圖所示),結合DRT分析可以發(fā)現(xiàn)該電池的鋰離子擴散阻抗明顯增長了一倍多,結合拆解等方式,最終確定失效原因為負極石墨層間距因電解液腐蝕而導致結構坍塌。


三、從實驗室到產業(yè)應用:失效預警的技術突圍

盡管EIS技術在學術研究中已發(fā)表數(shù)萬篇論文,但產業(yè)化應用長期受制于兩大瓶頸:

1. 測試設備局限:傳統(tǒng)電化學工作站難以滿足大容量電池(>100Ah)的大電流測試需求,且測試成本較高;

2. 數(shù)據(jù)分析門檻:多時間常數(shù)的阻抗譜需要專業(yè)的等效電路建模能力,產線工程師難以快速解讀。

元能科技推出的工業(yè)級EIS測試設備(BIT6000系列,如下圖所示)通過三大創(chuàng)新實現(xiàn)技術破局:

? 大電流技術:增大電流測試量程,以滿足大容量電池(>100Ah)的EIS測試;

? 復合激勵技術:采用多頻疊加技術,將原本的測試時間壓縮一半以上;

? 智能化數(shù)據(jù)處理技術:結合大數(shù)據(jù)引擎與機器學習算法,可實現(xiàn)快速分析數(shù)據(jù)、定位失效原因、自動化分類等等,更適合產線工程師。

2.jpg

四、失效分析新范式:EIS技術矩陣的延伸應用

隨著科技的進步,EIS技術也正在與多維度檢測手段深度融合,逐步走向“EIS+”的模式:

3.png

? EIS+原位XRD:該聯(lián)用技術可同步觀測NMC正極材料的相變阻抗與晶體結構演變的關聯(lián)性;

? EIS+超聲掃描:通過聲阻抗與電阻抗的空間映射,定位鋰離子電池內部的析鋰熱點區(qū)域;

? EIS+AI技術:基于百萬級阻抗譜數(shù)據(jù)庫訓練出的AI模型,可預測電池剩余壽命(SOH),且誤差<3%。

這些技術組合正在構建電池失效分析的"數(shù)字孿生"體系,使研究人員能在虛擬空間中模擬不同條件下的失效演化路徑,為"失效預防重于事后分析"的下一代電池設計提供理論基石。


五、結語

從實驗室的精密儀器到“工業(yè)化”的智能檢測設備,EIS技術正在完成從科研工具到工業(yè)利器的蛻變。當我們在Nyquist圖上解析每一個半圓背后的物理意義時,實際上是在破譯鋰電池失效的"指紋密碼"。這種對電池"生命體征"的深度解碼,不僅關乎企業(yè)的質量控制,更是守護新能源產業(yè)安全底線的關鍵技術屏障!



關于元能

元能科技是一家專注于鋰離子電池檢測儀器研發(fā)與生產的高新技術企業(yè),致力于為全球新能源領域提供領先的檢測解決方案與服務。

元能科技注重前沿技術研發(fā),擁有材料、物理、化學、電化學、光學、機械、電子、計算機、人工智能等多學科多專業(yè)交叉的研發(fā)團隊,圍繞表征方法、設備技術、應用方案等開展自主研發(fā),推出多款行業(yè)領先的新型儀器,獲得了多項發(fā)明專利及實用新型專利,服務于全球眾多材料企業(yè)、電芯企業(yè)、終端企業(yè)、科研院所、高校及政府檢測單位。同時,元能科技積極推動建立行業(yè)上下游規(guī)范統(tǒng)一的檢測方法,主導或參與制定多項國家標準、行業(yè)標準及團體標準,參與國家重點研發(fā)計劃,助力新能源行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展!



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