交流阻抗
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2023年3月3日发(作者：并联和串联的区别)电池交流阻抗测试
交流阻抗测试是以小振幅正弦波电压信号(或电流信号)作扰
动，使电极系统产生近似线性关系的电流或电压响应，从而测量
动力电池体系在某一频率范围阻抗谱的方法。这种“黑箱方法”
以电压、电流为输入、输出，间接得到电池内部阻抗信息。
在研究电化学阻抗谱的过程中，研究人员基于电化学原理发现
了电极界面双电层电容偏离纯电容的特性，由此引申出了分数阶
模型，显著提高了对电池频域、时域特性的拟合精度。此外，动
力电池交流阻抗谱与老化状态存在强烈的单调映射关系。因此，
在获取动力电池交流阻抗谱后，可通过对其中某些特征参数的提
取来标定动力电池SOH。
使用电化学工作站对动力电池进行EIS测试有多种方式可选，
可采用二电极体系、三电极体系、四电极体系等。如图2-20所示，
二电极体系包含工作电极、对电极，三电极体系相比于二电极体
系增加了一个已知电位的参比电极，由此可以获得工作电极的电
位，同时通过工作电极和对电极回路可以获得流过体系的电流，
即可研究动力电池某一电极电位与界面反应对的关系。目前较为
常用的是二电极体系。
二电极体系下动力电池与电化学工作站的连接方式如图2-21
所示，实物连接方式如图2-22所示。将动力电池的正极作为工作
电极，将负极作为对电极，与电化学工作站相应接口连接，用来
提供正弦激励信号。此外，参比电极线与负极连接，感受电极线
与正极连接，二者没有电流流过，用来测量它们之间的电压信号。
图2-20EIS测试的二电极体系和三电极体系
图2-21二电极体系下动力电池与电化学工作站的连接方式
EIS的测试方法通常有两种：恒电流法和恒电位法。从理论上
讲，两者的测量结果一致，但实际应用中二者的应用场合不同。
恒电位法应用较为广泛，动力电池的激励由一个恒定电压与一个
幅值确定的正弦信号叠加得到的复合电压信号来提供，同时电化
学工作站测量系统的交流电流响应，根据电压和电流的比例得到
阻抗。恒电流法是指对动力电池施加一个由直流电流(可以为0)
与一个幅值确定的正弦电流信号叠加的复合电流信号作为激励，
同时电化学工作站测量动力电池系统的电压信号响应，根据电压
和电流的比值计算阻抗。这种方法一般应用于与腐蚀相关的测试
或者燃料电池测试中。对于锂离子动力电池，恒电位原位EIS测
试和恒电流原位EIS测试均有采用。而恒电流原位EIS测试，能
够防止在长时间测量过程中导致的动力电池充电或者放电，从而
保持SOC值恒定。
图2-22动力电池与电化学工作站的连接方式
充放电结束后静置时间的长短直接影响到锂离子动力电池系
统内部的稳定性，这也是影响电化学阻抗谱测量结果可靠性的一
个重要因素。静置时间可以通过测量该时间内电压电流的变化趋
势，和比较不同静置时间下阻抗谱的测量结果来确定。一般情况
下，合理的静置时间为3h，相比于更短的静置时间，测量结果的
可重复性大大提升，并且低频坏点出现的频率明显降低。另外，
EIS测试还受到很多因素影响，例如电化学工作站夹具在电池极耳
上的连接位置、所使用的测试线长度等。这些因素在实验过程中
都要统一。
动力电池电化学阻抗谱测试结果通常展示在负奈氏图上，横坐
标为阻抗的实部，纵坐标为阻抗的负虚部，从左下到右上频率逐
渐降低。某动力电池电化学阻抗谱如图2-23所示。