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電化學阻抗譜技術(shù)：鋰離子電池健康狀態(tài)監(jiān)測的新篇章

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2025年08月19日 21:03

通訊單位：School of Electrical Engineering, Weihai Innovation Research Institute, Qingdao University, Qingdao 266000, China

【研究背景】

鋰離子電池（LIBs），作為清潔能源的首選電源，憑借其高能量密度和小尺寸，在多個領(lǐng)域均有著廣泛的應用。然而，隨著鋰離子電池應用范圍和規(guī)模的不斷擴大，實時且精確地監(jiān)測其健康狀態(tài)顯得愈發(fā)重要。傳統(tǒng)的基于電壓和電流的監(jiān)測方法，由于無法深入反映電池內(nèi)部的復雜機制，其監(jiān)測精度受到了極大的限制。幸運的是，隨著電化學阻抗譜（EIS）技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)對鋰離子電池健康狀態(tài)的快速且準確在線估計。EIS技術(shù)通過測量電池在寬頻率范圍內(nèi)的阻抗，為反映電池內(nèi)部的老化狀態(tài)提供了可能。

展示了新型單細胞測試儀的基本結(jié)構(gòu)，該儀器專門為鋰離子電池的電化學阻抗譜（EIS）測試而設計。它包含幾個核心組件，使得電池的充電、放電以及阻抗測量得以精準控制。通過兩個可控電流源進行電池充放電操作，同時，一個分流電阻RS被用于電流的精確測量。此配置確保了測試儀能夠細致地監(jiān)測電池在各個頻率下的阻抗變化。此外，等效電路模型（ECM）在理解和剖析電池行為方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
1中，可能展示了一個或多個等效電路模型。這些模型通過模擬電池的電化學過程，能夠預測電池在不同工作狀態(tài)下的阻抗特性。等效電路中，電阻和電容元件被用來代表電池的內(nèi)部電阻、電荷傳遞反應、雙電層效應以及潛在的擴散過程。

通過將小幅度的正弦波形電壓或電流信號施加到電池上，并測量其響應，我們可以得到相應的阻抗頻譜。這個頻譜顯示了電池阻抗隨頻率如何變化。通常，阻抗頻譜包括實部和虛部，以及相位角。這些信息對于分析電池的電化學狀態(tài)至關(guān)重要，例如電極材料的活性、電解液的導電性，以及電池內(nèi)部的界面穩(wěn)定性等。
1中介紹的新型單細胞測試儀，為評估鋰離子電池的健康狀況提供了尖端手段。通過融合等效電路模型與阻抗頻譜分析，我們能更深入地剖析電池的內(nèi)部運作機理，進而為電池管理系統(tǒng)（BMS）的優(yōu)化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

其中DUT通過兩個受控電流源進行充電與放電，而電流的測量則是借助分流電阻器RS來實現(xiàn)的。此外，圖1（b）還描繪了等效電路模型及其對應的阻抗頻譜，為我們深入剖析電池內(nèi)部運作提供了有力工具。近年來，EIS快速測量技術(shù)取得了顯著進展，這些進步主要歸功于干擾信號類型的多樣化研究。相關(guān)的主要研究成果已匯總于表格中。

表1：電化學阻抗譜采集技術(shù)總結(jié)

在探討新型單細胞測試儀及其等效電路模型的過程中，我們不可避免地要關(guān)注到電化學阻抗譜的采集技術(shù)。這一技術(shù)為深入了解電池內(nèi)部運作提供了關(guān)鍵信息。近年來，隨著干擾信號類型的多樣化研究，EIS快速測量技術(shù)取得了顯著進展。這些進步不僅推動了電池測試領(lǐng)域的發(fā)展，更為我們的日常生活帶來了諸多便利。接下來，我們將詳細探討這些進展及其在電池測試中的應用。

其中，（a）部分描繪了如何通過一個等效電路來表征電池的電化學特性。這個電路通常包含電阻和電容元件，它們分別模擬電池的內(nèi)部電阻、電荷傳遞反應、雙電層效應以及潛在的擴散過程。在鋰離子電池的等效電路中，電阻主要代表電池的歐姆電阻，而電容元件則體現(xiàn)電池電解液和電極界面的電容特性。

（b）部分則展示了阻抗數(shù)據(jù)的擬合曲線。這些曲線是通過將實驗測量的阻抗數(shù)據(jù)與等效電路模型進行對比，從而得到最佳擬合結(jié)果。擬合曲線的分析有助于驗證等效電路模型的準確性，同時還可以用于提取電池的關(guān)鍵參數(shù)，例如電荷傳遞阻抗和擴散阻抗。

（c）部分則呈現(xiàn)了不同的等效電路圖，這些電路圖反映了不同研究者或不同電池系統(tǒng)可能采用的多樣化建模方法。每個電路圖都試圖以獨特的方式捕捉電池的電化學行為，這可能包括不同的電阻和電容元件的組合，以及潛在的Warburg阻抗，后者專門用于模擬電池的擴散過程。這些不同的模型往往基于電池的特定化學組成、結(jié)構(gòu)或老化狀態(tài)。
圖2為鋰離子電池的等效電路模型提供了全面的解析，揭示了如何運用這些模型來深入剖析和預估電池的健康狀況。借助這些精細的模型，研究者和工程師能更透徹地洞悉電池的運作機理，進而設計出更為高效的電池管理策略。

圖2展示了鋰離子電池等效電路的多個方面，包括安裝等效電路、阻抗擬合曲線以及不同的等效電路圖。這些圖表為深入理解電池性能提供了寶貴的參考。
3圖展示了基于固體電解質(zhì)界面（SEI）電阻的鋰離子電池狀態(tài)健康（SOH）估計的原理。該圖通過監(jiān)測SEI電阻的變化來評估電池的健康狀況，從而為電池老化提供了一種有效的評估方法。SEI電阻是電池老化過程中的一個重要指標，隨著電池使用時間的增長，SEI層可能會逐漸變化，導致電阻值上升。在圖中，電化學阻抗譜（EIS）技術(shù)被用于收集阻抗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)進一步被用于擬合一個包含SEI電阻的等效電路模型。通過該模型，可以精確提取SEI電阻的值，進而計算出電池的SOH。這個過程不僅涉及從EIS數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征參數(shù)，還需要將這些參數(shù)與電池的初始和當前容量進行關(guān)聯(lián)，以準確判斷電池相對于其原始狀態(tài)的健康程度。
4的示意圖可能還包括了EIS曲線，這些曲線清晰地展示了SEI電阻隨時間推移的變化情況，為電池老化提供了直觀的證據(jù)。借助這種方法，電池管理系統(tǒng)（BMS）能夠更精準地監(jiān)控和預測電池的壽命與性能，為電池的維護與替換決策提供關(guān)鍵支持。

本文旨在全面綜述電化學阻抗譜（EIS）在鋰離子電池（LIBs）健康狀態(tài)（SOH）快速準確估計方面的最新進展。隨著鋰離子電池在各個領(lǐng)域的廣泛應用，實時監(jiān)測其健康狀態(tài)顯得愈發(fā)重要。傳統(tǒng)監(jiān)測方法雖依賴電壓和電流檢測，卻難以反映電池內(nèi)部老化機制，因而監(jiān)測精度受限。

EIS技術(shù)通過在寬頻率范圍內(nèi)測量電池阻抗，從而反映電池內(nèi)部的老化狀態(tài)。它能夠捕捉到電池內(nèi)部的電化學變化，如電極材料退化、電解液老化以及SEI層的形成，因此能提供比傳統(tǒng)方法更準確的電池健康狀態(tài)信息。

本文進一步探討了基于EIS的SOH估計技術(shù)，包括等效電路模型（ECM）方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法。ECM方法通過擬合EIS數(shù)據(jù)到物理模型來估計SOH，而數(shù)據(jù)驅(qū)動方法則利用機器學習算法從EIS數(shù)據(jù)中提取特征并預測SOH。這兩種方法各有優(yōu)劣勢，ECM方法提供物理上可解釋的結(jié)果，但可能需復雜模型和計算；數(shù)據(jù)驅(qū)動方法能處理大量數(shù)據(jù)并快速預測SOH，但可能缺乏物理解釋能力。

此外，文章還強調(diào)了EIS測量技術(shù)的迅速進步，如基于傅里葉變換和拉普拉斯變換的快速獲取阻抗譜的新方法，它們顯著減少了測量時間。然而，這些技術(shù)在實際應用中仍面臨如數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和在線測量可行性等挑戰(zhàn)。

最后，作者展望了EIS在鋰離子電池SOH監(jiān)測中的應用前景，并指出了未來研究的方向，包括提升模型準確性和魯棒性、降低計算復雜度等。文章強調(diào)了結(jié)合ECM和機器學習方法的潛力，以實現(xiàn)更準確的SOH預測并提升電池管理系統(tǒng)的性能。
EIS技術(shù)在電池健康管理中的應用潛力日益凸顯。隨著該技術(shù)的持續(xù)進步，我們有理由期待，未來將涌現(xiàn)出更多創(chuàng)新的解決方案，從而進一步提升電池的性能并確保其使用安全。

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