一、背景介绍
在新能源汽车自燃事故的调查报告里,电池失效总是令人心惊的关键词。锂枝晶生长、电极结构坍塌、SEI膜异常增厚等等,这些微观“病变”该如何快速诊断?电化学交流阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)如同电池的“电化学听诊器”,记录下电池内部的失效“心电图”,而等效电路拟合(Equivalent Circuit Model, ECM)则是解读该“心电图”的“密码本”。本文将以通俗易懂的语言带你一步步理解和掌握这个“密码本”,揭开电池失效的隐秘真相。
二、等效电路拟合的关键“零件”
等效电路拟合ECM,顾名思义,就是当我们拿到一条交流阻抗谱EIS曲线时,如果想要进一步分解其中的阻抗、容抗、感抗大小,需要先用电阻、电容、电感等理想的元器件进行一定的排列组合,使这些理想元器件的阻抗谱EIS能够尽可能复现出实测的交流阻抗谱,那么我们就可以认为这个“组合”能够代表这个被测电池内部的电化学反应,同时,这个“组合”所用的电阻、电容、电感大小即为这个被测电池内部电化学反应所受到的阻抗、容抗、感抗大小。
这边要注意的是,由于锂电池多孔极片的表面是粗糙且不均匀的,这会导致电势和电流分布不匀,而理想的电容无法真实表征锂离子电池的不均匀界面,因此在锂电池EIS拟合中,会选用常相位角来代替纯电容,用于校正这些偏差[1]。
那么先让我们通过下表来看看常用于等效电路拟合的一些基础元器件和常用组合吧:

三、等效电路拟合的实施过程
以下图的EIS曲线为例(使用元能科技的电池阻抗测试仪BIT6000所得),我们可以先利用上述的关键“零件”,并结合文献中的经验,构建图中右下角的等效电路,之后给定合适的初始值,即可通过非线性最小二乘法进行等效电路拟合,拟合结果如图红色实线所示,具体拟合数值如下表所示。随着AI技术的不断发展,也可借助AI工具进行高通量的EIS数据拟合,且可以越来越不依赖人为给定的初始值,实现智能化数据处理与分析。


四、等效电路拟合对于电池失效分析的意义
等效电路拟合可以精确地将EIS曲线划分为几个与电池老化失效原因相关的区域,并使得科研工作者们可以有效识别和量化分析电池老化过程中的内部演变。具体来说,每个区域的相关性如下[2]:
(1)在高频区,欧姆电阻Rs代表了电池的导电性好坏。随着电池不断循环老化,Rs也会不断增加,即代表电池的导电性在不断降低,而导电性的降低又主要是由电解质分解和消耗引起的,因此Rs的变化常常被用来反映电解液的劣化程度。当然,集流体的腐蚀、导电碳的剥离、外电路的老化等等也会引起导电性的降低,但是它们的占比相对较小;
(2)在中频区,由电阻RSEI和常相位角元件CPE1并联的等效电路模型常常与SEI膜有关,其中RSEI表示锂离子的扩散离子电阻,而CPE1-C则表示SEI膜的容抗大小。随着电池不断循环老化,SEI膜变厚,锂离子穿越SEI的阻抗也越来越大,即RSEI不断变大;
(3)由电阻Rct和常相位角元件CPE2并联的第二个半圆则涉及阳极和阴极的电荷转移过程,其中Rct和CPE2-C分别表示电荷转移电阻和双电层电容大小。随着电池不断循环老化,这些参数的演变过程非常复杂,不能简单地归结为活性锂损失或活性材料的破损与失效;
(4)在低频区,韦伯阻抗Rw主要反应了锂离子的扩散行为,尤其是在活性材料里面的固态扩散过程。随着电池不断循环老化,极片的结构分解和材料的颗粒断裂会引起Rw的不断增加。
为了方便研究循环条件下的EIS演变过程,可以选择元能科技自主研发的电池阻抗测试仪BIT6000,该设备可对电池施加0.2~30A的宽范围电流,无需外接电流放大器,即可对几百安时,甚至1000Ah的大容量、小内阻电池进行EIS测试,有效帮助动力或储能电池进行电化学机理研究与老化失效分析。同时,该设备也可搭配任意充放电仪,实现电池在循环测试下的定期测试EIS,无需人为介入,无需来回搬运电池,也无需在两台设备(充放电仪与电化学工作站)之间来回切换,不仅省时省力,还降低了因来回切换接线而导致接触电阻波动的风险。

五、结语
等效电路拟合不仅是数据处理的工具,更是一门连接微观机制与宏观性能的“翻译艺术”。随着AI与高通量技术的融合,未来的EIS分析将如同“自动驾驶”——工程师只需输入数据,系统即可自动生成“诊断报告”。但万变不离其宗,唯有深入理解等效电路背后的电化学原理,才能真正驾驭这场技术革命。
六、参考文献
[1] J.B. Jorcin, M.E. Orazem, N. Pebere and B. Tribollet, CPE Analysis by Local Electrochemical Impedance Spectroscopy. Electrochim. Acta 51 (2006) 1473-1479.
[2] 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.
关于元能
元能科技是一家专注于锂离子电池检测仪器研发与生产的高新技术企业,致力于为全球新能源领域提供领先的检测解决方案与服务。
元能科技注重前沿技术研发,拥有材料、物理、化学、电化学、光学、机械、电子、计算机、人工智能等多学科多专业交叉的研发团队,围绕表征方法、设备技术、应用方案等开展自主研发,推出多款行业领先的新型仪器,获得了多项发明专利及实用新型专利,服务于全球众多材料企业、电芯企业、终端企业、科研院所、高校及政府检测单位。同时,元能科技积极推动建立行业上下游规范统一的检测方法,主导或参与制定多项国家标准、行业标准及团体标准,参与国家重点研发计划,助力新能源行业的创新与发展!
3835
0- 1四方仪器氧分析仪 Gasboard-3053
- 2X16E 中文样本
- 3四方仪器 煤气分析仪(在线型)Gasboard-3100
- 4可靠的数据中心冷却测量解决方案
- 5安东帕Brabender标准面粉粘度计Amylograph-E产品册
- 6C403M氧气/水蒸气透过率测试系统 多功能透氧透湿仪 产品资料
- 7C401H氧气/水蒸气透过率测试系统 透氧透湿一体机 产品资料
- 8四方仪器天然气热值分析仪 Gasboard-3520
- nitto kohki AC0910空气压缩机性能简介
- 日本KAIJO 19001D超声波声压计工作原理与应用价值
- NDK NFX-1000A 高精度数字磁通计|精密磁元件出厂定级与稳定性检测设备
- 无限稀释条件下反气相色谱法对微晶纤维素的吸附热研究
- 环保型石灰消化器:除尘和污水那点事儿,一次说透
- 软质材料专用检测|RHEOTECH RTC-3002D高精度质构仪 科研品控通用
- 石灰消化器反应温度控制与消化率提升技巧
- 石灰消化器在电厂脱硫及废水处理中的应用
- 日本LUCEO LSM-9002S全自动光学应变测试仪 材料力学精密检测设备
- 奥法美嘉复杂制剂应用专题 | 高压微射流均质次数对脂肪乳注射液粒径分布及稳定性的影响研究
- SUZUMO铃茂全自动饭团机 省人工SSN-JLX
- SEM SELN-131BM高精度电子水平仪性能优势及行业应用
- 从“作用”到“场域”:粉碎技术的范式演进与柯立微能量场理论的构建
- 大明化学氧化铝粉在低温烧结制粉中的应用
- Development, Characterization, and Molecular Dynamics Simulation of Andrographolide Nanosuspensions Utilizing Hummer Acoustic Resonance Technology
- 苏州碳丰科技首席科学家程金生老师以本公司名义在国际上发表关于石墨烯纤维的论文《石墨烯纤维纳米复合材料的合成及氨基酸检测的分析应用》:

