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走進(jìn)電化學(xué) | 如何利用EIS技術(shù)對鋰離子電池進(jìn)行一致性篩分

走進(jìn)電化學(xué) | 如何利用EIS技術(shù)對鋰離子電池進(jìn)行一致性篩分
元能科技  2024-09-05  |  閱讀:2288

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一、背景介紹

在新能源汽車或儲能電站中,鋰離子電池常常會以多并串的形式組成模組或電池包(Pack)進(jìn)行使用,如果其中某幾顆電池出現(xiàn)性能缺陷或安全風(fēng)險(xiǎn),則會引發(fā)整個模組或電池包的失效,甚至起火,這種現(xiàn)象可以稱之為電池包的“木桶效應(yīng)”?!澳就啊钡男钏畼O限取決于“短板”的高度,因此合圍“木桶”所使用的“木頭”需要盡量保持高度一致。同樣,模組或電池包的壽命極限也取決于內(nèi)部性能最差的某幾顆單體電池,因此在電池出貨前,或在組裝模組、電池包前,對電池進(jìn)行一致性篩分,能夠提高電池的梯次利用率,并有效保障新能源汽車或儲能電站的循環(huán)壽命與使用安全。


二、現(xiàn)階段情況

鋰離子電池出貨前,通常會根據(jù)開路電壓(OCV)、容量、1000Hz ACIR、K值等參數(shù)對電池進(jìn)行分級處理,但是這些基本都屬于電子電阻的測試范疇,而對于離子電阻幾乎沒有進(jìn)行評估與考量。此外,在模組或電池包的裝配前,也幾乎沒有對電池再次進(jìn)行一致性評估與分類,這些都會增加“短板”電池的出現(xiàn)概率,進(jìn)而影響整個模組或電池包的壽命與性能。


三、利用EIS技術(shù)對鋰離子電池進(jìn)行一致性篩分

電化學(xué)交流阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)通過向鋰離子電池施加小幅度的電流或電壓激勵信號,并測量相應(yīng)的響應(yīng)信號,可以幫助研究人員理解鋰電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特征,例如雙電層電容、電荷轉(zhuǎn)移過程以及離子擴(kuò)散行為等[1-3]。圖1展示了鋰電池經(jīng)典的EIS圖譜(Nyquist圖),其中不同的半圓代表著不同時間常數(shù)的電化學(xué)過程,而利用圖1右下角的等效電路可以對EIS圖譜進(jìn)行擬合,從而獲取每個電化學(xué)過程的容抗、阻抗大小。


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圖1.鋰離子電池經(jīng)典的EIS圖譜(Nyquist圖)


由于EIS屬于多頻段分析,因此不僅包含了高頻段的電子電導(dǎo),也包含了中低頻段的離子反應(yīng)過程,如果將其應(yīng)用于電池出貨前或電池包裝配前的檢測,則可以對電池進(jìn)行更為精細(xì)化的一致性篩分,減少“短板”電池的出現(xiàn)概率。


EIS測試通常需要使用“電化學(xué)工作站”這類昂貴且精細(xì)的設(shè)備,因此盡管有關(guān)EIS研究的文獻(xiàn)已近萬篇,但是多數(shù)使用場景仍停留在高校與研究所中,產(chǎn)業(yè)化的EIS應(yīng)用幾乎沒有。此外,隨著電池容量越來越大,內(nèi)阻越來越小,常規(guī)的電化學(xué)工作站已無法滿足該類鋰電池的EIS測試了,需要額外搭配大量程的電流放大器,這更進(jìn)一步增加了測試成本。


為了解決該問題,元能科技(廈門)有限公司創(chuàng)新性推出了“工業(yè)級”EIS快速測試設(shè)備——電池一致性篩分儀(BCS6000),如圖2(a)所示。該設(shè)備可與手動式工裝夾具(如圖2(b)所示)或自動上料設(shè)備(如圖2(c)所示)聯(lián)用,快速地對動力或儲能的大容量電池進(jìn)行EIS測試,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對大批量電池進(jìn)行一致性評估與精細(xì)化分組,確保組內(nèi)電池高度一致。


圖3展示了10顆340Ah儲能電池的EIS對比圖。如果僅從EIS高頻區(qū)看,這10顆電池的電子電導(dǎo)幾乎一致,但是結(jié)合EIS中低頻區(qū)的數(shù)據(jù)看,Cell#8和Cell#10這兩顆電池的電荷傳質(zhì)以及離子擴(kuò)散等過程均與其他電池存在較大差異。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析,也可獲得這10顆電池的離散度分布曲線,我們只需要制定相應(yīng)的規(guī)格線,即可剔除一致性較差的電池,或根據(jù)離散度進(jìn)行梯度分組,確保組內(nèi)電池的一致性。


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圖2.(a)電池一致性篩分儀(BCS6000)的實(shí)物圖;(b)手動式工裝夾具;(c)電池自動上料設(shè)備



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圖3.10顆340Ah儲能電池的EIS對比圖,以及通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析得到的離散度分布曲線


參考文獻(xiàn)

[1] W.X. Hu, Y.F. Peng, Y.M. Wei and Y. Yang, Application of Electrochemical Impedance Spectroscopy to Degradation and Aging Research of Lithium-Ion Batteries. J. Phys. Chem. C 127 (2023) 4465-4495.[2] T. Osaka, D. Mukoyama and H. Nara, Review-Development of Diagnostic Process for Commercially Available Batteries, Especially Lithium Ion Battery, by Electrochemical Impedance Spectroscopy. J. Electrochem. Soc. 162 (2015) 2529-2537.

[3] A. Battistel and F.L. Mantia, On the Physical Definition of Dynamic Impedance: How to Design an Optimal Strategy for Data Extraction. Electrochim. Acta 304 (2019) 513-520.

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