1. 引言
电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)作为一项核心的电化学表征技术,能够无损地解析电池内部复杂的动力学过程,如锂离子迁移、电荷转移和固相扩散等。通过拟合EIS数据获得的电荷转移阻抗、SEI膜阻抗及扩散系数等关键参数,对于准确评估电池的健康状态(SOH)、循环寿命、失效机理及性能优劣具有不可替代的重要意义。因此,EIS数据的准确性直接决定了后续电池状态诊断与模型构建的可靠性。
目前,主流的EIS测试方法主要分为非原位(ex-situ) 与原位(in-situ) 两种,非原位测试将电池从测试设备中取出,在特定环境下用电化学工作站进行测量,容易因电池状态的弛豫(如开路电压漂移、温度变化)而引入额外误差。而原位测试则在电池持续的充放电循环或静置过程中进行实时监测,能更真实地反映电池在实际工作状态下的动态阻抗信息,得到真实的EIS数据。本文通过对比原位与非原位两种测试方法所获取的EIS数据,分析二者在表征电池电化学行为时存在的差异,进而论证何种方法在保证数据真实性、一致性方面具有更优的可靠性。
2. 测试方法
2.1 原位EIS
原位EIS主要体现在一体化测试架构:将充放电模块和EIS模块集成在统一平台上,共享相同的信号采集系统和控制单元。这种架构确保了电流/电压测量的基准一致性,消除了设备间系统误差。在充放电过程中直接进行阻抗测量,实现了真正意义上的"在线"监测。
采用元能科技自研的ERT高精度电池测试系统(如图1(a)所示),该设备集成了充放电和电化学工作站的功能,可对电池进行充放电测试、EIS测试和CV测试等。本次实验用100mAh的软包电池在恒温箱里进行0.2c恒流充电10min-静置10min-0.2c恒流放电10min-静置10min-EIS测试-循环5次,具体工步如图1(b)所示。由于电池性能较好,且只用小电流进行短时间的充放电,因此五次EIS的数据理论上会比较一致。

图1. 原位EIS测试设备(a)ERT(b)测试工步
2.2 非原位EIS
非原位EIS测试的核心问题在于测试过程的离散化和非连续性(如图2所示)。具体而言,这种模式需要研究人员在充放电设备完成特定测试后,手动将电池转移到专用EIS测试平台,操作繁琐且容易引入接触电阻误差和电池状态误差。本次实验用100mAh的软包电池在恒温箱里进行0.2c恒流充电10min-静置10min-0.2c恒流放电10min-静置10min,再将电池从充放电设备上面取下,将其夹在电化学工作站上进行EIS测试,重复五次以上操作。
图2. 非原位EIS的测试过程
3. 数据分析

图3. 循环EIS图谱:(a)原位(b)非原位
通过对同一个型号电池分别进行原位与非原位EIS测试,从循环EIS数据分析发现,原位EIS测试得到的EIS曲线高度重合,拟合得到的欧姆阻抗(Rs)和电荷转移阻抗(Rct)数值波动小,cov≤1%,表现出优异的重复性;而非原位测试的EIS曲线则呈现明显分散性,Rs和Rct值存在差异,这反映了频繁拆卸电池会导致接触电阻不一致,且电池状态弛豫会引入系统误差。实验结果表明,原位EIS测试通过避免人为操作干扰,能够提供更可靠、更精准的阻抗数据,提升数据的可比性和分析价值。
表1. 原位和非原位EIS拟合得到的Rs&Rct

根据原位和非原位EIS的测试结果,我们可以得到两种方法的差异对比,如下表所示:
表2. 原位和非原位EIS的差异对比表

4. 小结
本研究通过实验对比分析发现原位EIS测试方法能够提供更为准确、可靠的阻抗数据。由于其能够在电池实际工作状态下进行实时监测,有效避免了非原位测试中因电池转移、环境变化及人工操作引入的额外误差,从而更真实地反映了电池内部的电化学动力学过程。因此,采用原位EIS获得的阻抗数据,方能为电池的健康状态评估、失效机制解析、模型参数拟合及寿命预测等深度分析提供坚实且有效的依据,提升研究成果的科学性与可靠性。
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