锂电池研究中的EIS实验测量

发布日期：2019-11-12 作者：mathmart 点击：

　电化学阻抗谱(electrochemical impudence spectroscopy，EIS)是一种重要的电化学测试方法，在电化学领域尤其是锂离子电池领域具有广泛的应用，如电导率、表观化学扩散系数、SEI的生长演变、电荷转移及物质传递过程的动态测量。

　　1.EIS实验原理

　　电化学阻抗谱是在电化学电池处于平衡状态下(开路状态)或者在某一稳定的直流极化条件下，按照正弦规律施加小幅交流激励信号，研究电化学的交流阻抗随频率的变化关系，称之为频率域阻抗分析方法。也可以固定频率，测量电化学电池的交流阻抗随时间的变化，称之为时间域阻抗分析方法。

　　锂离子电池的基础研究中更多的用频率域阻抗分析方法。EIS由于记录了电化学电池不同响应频率的阻抗，而一般测量覆盖了宽的频率范围(mHz-MHz)，因此可以分析反应时间常数存在差异的不同的电极过程。

　　电化学阻抗谱数据可以有多种展示方法，最常用的为复数阻抗图和阻抗波特图。复数阻抗图是以阻抗的实部为横轴，负的虚部为纵轴绘制的曲线，亦称之为Nyquist图或Cole-cole图。阻抗波特图则由两条曲线组成，其中的一条曲线描述阻抗模量|Z|随频率的变化关系，称之为Bode模量图;另一条曲线描述阻抗的相位角随频率的变换关系，称之为Bode相位图。一般测量时同时给出模量图和相位图，统称为阻抗Bode图。除此之外，还包括介电系数谱(e'，-e")，介电模量谱(M'，-M")。

　　2. EIS实验测试方法

　　电化学阻抗谱测试结果的可靠性需要满足一定的前提条件，由于不同的电化学阻抗谱仪，其频率测试范围，电流、电压承受范围及控制精度，测试精度各不相同，此外，EIS测试体系的构型也非常丰富;一方面，锂离子电池中包含的可用于研究测试的体系非常庞大，如半电池、全电池、扣式电池、大容量电池(相较于扣式电池)、电极材料、电解质材料、单颗粒、薄膜、块材、原位及非原位等体系;另一方面，在引入如温度、湿度及电池的荷电态SOC等环境变量信息，可用于电化学阻抗谱测试的锂离子电池体系将非常庞大。因此，针对不同的测试体系及环境因素，需要有针对性的选取EIS测试仪器，构建合适的电极构型，设置合理的测试参数。

　　常见的用于EIS测试的电化学工作站的特点及功能: