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锂电池是一类电化学能量存储设备，电化学阻抗谱（EIS）在理解电池电荷存储机制方面的潜力仍有待充分开发。一般来说，电化学阻抗谱被认为是一种辅助技术，应促进电化学阻抗谱的应用，重点是改进实验设计，并使用基于物理的模型进行高级数据分析。

电化学阻抗谱简介

电化学阻抗谱是研究电化学系统中发生的过程的有力技术。一般来说，这种过程涉及任何液体或固体材料（离子、半导体、混合电子离子甚至绝缘体）的本体或界面区域中束缚或移动电荷的动力学。

电化学阻抗谱的主要优点是，它可以基于不同的弛豫时间将复杂的电化学过程有效地分解为一系列基本过程。然而，在整个电化学阻抗谱测量过程中，系统必须保持静态。

 

 

这两个特征都可以通过使用电势或电流的小幅度周期性扰动以不同频率激励电化学系统来实现。通过测量系统对该扰动的响应，可以计算相应的传递函数，即系统的阻抗。理想情况下，电化学阻抗谱结合了构成整个电化学机制的每个基本过程的单独特征。

典型电化学储能电池的基本电化学阻抗谱测量，其中在两个电池电极之间探测整个系统，可以产生一个光谱，其中在阴极和阳极处发生的反应被观察为单独的特征。对给定电池进行更详细的电化学阻抗谱研究可能有助于识别其他基本过程。

锂离子电池的电化学阻抗谱

锂离子电池已经得到了深入和持续的研究。然而，具体机制的详细性质，如充电/放电速率或长时间电池循环对能量和电力存储性能的影响，仍然没有完全理解。

这些方面是关键的，并严重影响锂离子电池的寿命和成本，必须加以实施以提高锂离子电池装置的整体质量。在这方面，电化学阻抗谱可以被认为是一种有用的技术，可以产生见解，帮助解决尚未解决的锂离子电池问题。

 

 

电化学阻抗谱在锂电池研究中并不常用。此外，这些文章中的绝大多数将电化学阻抗谱作为一种辅助技术，主要是为了确认传统电化学测量已经发现的趋势。在某种程度上，电化学阻抗谱在电池领域的应用可以很好地理解。

现代电化学阻抗谱仪设备允许快速采集数据，而使用自动算法（最常见的等效电路分析）可以轻松解释数据。本文将介绍锂离子电池系统电化学阻抗谱的几种先进测量方法，以及用于深入解释测量数据的最先进建模工具。

电池电化学阻抗谱测量

锂电池性能通常使用由两个不同的阴极和阳极组成的全电池进行评估。最常见的是，相同的双电极全电池也用于电化学阻抗谱测量。

然而，全电池包含源自每个电极的许多基本过程，尽管电化学阻抗谱具有固有的分辨率，但很难从单个测量光谱中正确地解构这些过程。即使使用对称或三电极电池，电池中发生的基本过程的数量仍然很高，通常涉及：

 

 

● 电子从集电器转移到电极复合体，

● 通过复合电极厚度的电子传导/迁移，

● 离子迁移通过电极厚度，

● 离子和电子电化学嵌入活性存储颗粒，

● 固体/液体界面处的双层充电，

● 活性和非活性离子在多孔电极复合材料中的耦合扩散，

● 离子和电子在活性存储颗粒内的耦合扩散，

● 离子在隔离膜中的迁移和扩散。

事实上，在理想情况下，电化学阻抗谱将能够单独检测或多或少所有这些过程，作为单个测量光谱的单独特征。准确地说：理想情况下，所测量的特征数量仅比单个过程的数量少一个，这证明了电化学阻抗谱将复杂过程划分为基本步骤的能力。

在真实世界的测量中，许多这些单独的特征重叠，很难明确地将它们解耦。这一方面至关重要，必须仔细考虑，以便在电池研究领域充分利用电化学阻抗谱。在过去的十年中，科学家们提出了几种实验方法，以有效地将锂离子电池电化学阻抗谱的合并部分解耦为单独的特征。

电池电化学阻抗谱数据分析

测量阻抗数据的分析可以在几个复杂的层次上进行。

第一种被称为等效电路分析，主要在电池领域占据主导地位。该分析依赖于这样一个事实，即就阻抗而言，最频繁的过程，例如电荷通过相位的迁移和电荷在相位边界的累积，分别表现出与普通宏观电阻器和电容器相同的响应。同样，电荷的扩散也可以由特定的电组件表示。

 

 

与等效电路分析不同，基于物理的阻抗谱方法依赖于描述固相或液相及其界面中质量和电荷传输以及电化学反应的一般物理定律的应用。第三种基于物理的方法在电化学阻抗谱领域有着悠久的传统，并且依赖于将控制方程直接转录到电路元件中。

总结和展望

电化学阻抗谱是一种强大的电化学技术，可以将复杂的过程分解为基本步骤。然而，在电池领域，这项技术的巨大潜力尚未得到充分开发。

如果将良好控制的阻抗研究与补充技术相结合，以提供有关所研究系统的宏观结构、微观结构和组成的信息，这种阻抗导向的实验设计可以为电池机制提供基本的新见解。