EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 建模參考

 參考文獻:https://www.nature.com/articles/s41598-017-01025-7

電化學阻抗譜（EIS）被用作阻抗分析方法，以闡明電池的阻抗回應34,35。鋰電池（LiB）典型的Nyquist圖通常在高頻和中頻範圍內顯示半圓。關於半圓的歸屬，已有不同的研究報告：

 

- 第一大半圓：

  - 據報導主要歸因於正極，第二個半圓歸因於負極36,37。

  - 但Osaka等人則認為第一個半圓屬於負極，第二個半圓屬於正極。

 

然而，通過系統比較SOC50的負極/負極對稱電池、SOC50的正極/正極對稱電池以及SOC50的正極/負極全電池後，我們得出結論：在採用石墨作為負極、NCM111作為正極的層壓全電池中，第一個半圓歸因於正極，第二個半圓歸因於負極。

 

Nyquist圖的其他特徵

除了正極和負極的兩個主要半圓外，Nyquist圖中還包括：

- 一個近似45°的直線，代表活性材料內部的擴散過程。

- 在超低頻（低於1 mHz）下出現幾乎垂直的直線，表示純電容行為。

 

等效電路模型

基於鋰離子電池中的元件和介面，我們提出了圖11(a)所示的等效電路。具體模型包括：

 

- 電化學反應：

  - 正極和負極的電化學反應通過介面電容與串聯的Warburg阻抗相連接的電荷轉移電阻並聯表示。

- 串聯電阻（Rs）：

  - 等效串聯電阻。

- 外部電感元件：

  - 包括線圈和電阻器（L1和R1），與測量設備之間的電極連接及受損的集流體相關。

- 正極部分模型：

  - 由兩種不同半徑的活性材料組成。

  - 兩組擴散元件和電荷轉移電阻的串聯連接與電解質之間的電容及顆粒之間的電連接並聯。

  - 顆粒中電容的變化用恒相元件（CPE）表示，兩種半徑顆粒的電容器並聯連接，並簡化為一個CPE35。

- SEI層的影響：

  - 假設鋰離子通過遷移進入SEI。

  - SEI的阻抗由電阻和SEI層電容並聯組成34,38,40。

 

### EIS結果分析

圖11(b,c)展示了參考電池和添加MG的電池的典型EIS曲線及擬合數據。主要結果包括：

 

- 等效串聯電阻（ESR）：

  - 未添加MG的電池：0.104 Ω/cm²

  - 添加MG的電池：0.094 Ω/cm²

  - 添加MG減少了9.6%的體積電阻。

 

- 正極電荷轉移電阻（Rc）標準化值：

  - 未添加MG的電池：0.106 Ω/cm²

  - 添加MG的電池：0.072 Ω/cm²

  - 添加MG後，正極電荷轉移電阻減少了32%。

 

- 負極電荷轉移電阻（Ra）：

  - 未添加MG的電池：0.44 Ω/cm²

  - 添加MG的電池：0.4 Ω/cm²

  - 添加MG後，負極電荷轉移電阻減少了9%。

 

此外，圖11(c)所示的擴散曲線在低頻下的斜率相對於圖11(b)較小，這表明添加MG提高了電化學雙電層電容。