在电芯上做EIS测试时,我们有时候会遇到不寻常的图谱,如在有参比电极使用下的正负极EIS图谱上出现圆圈,但是两电极体系中并未发现,其原因令人一筹莫展,也不知道选择哪种等效电路拟合数据,就像下图所展示的,红色部分存在的半圆弧(虚部坐标低于0时,-Im(Z) < 0),然后才是一条大约45°的斜线,这是什么原因导致的呢?
转化得
阻抗图如下图所示,与我们上图中发现的曲线具有很好的对比性,接下来我们只要找到在电池中哪部分会导致这样的电感表现。
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2、感抗弧的实验验证Arun Thapa设置了两种EIS实验,一种是包含锂金属参比电极的三电极电芯的EIS测试,另一种是两个NCM正极一个负极的软包电芯的EIS测试,如下图所示,通过测试不同SOC的正负极EIS阻抗,可以发现负极在不同SOC均有感抗弧,但是正极和全电池上均无感抗弧产生,且正极阻抗+负极阻抗=全电池阻抗,这说明了测试是没有问题的,选择c中的等效电路拟合之后,数据也能很好地拟合。但是对于负极来说,选择的是具有电感的元件,全电池和正极中均无电感元件,如果是电极材料等磁性影响的话,那么在负极出现感抗弧的前提下,全电池中不应该不出现感抗弧。
故目前排除电极材料磁性的影响,现在通过一个特制的软包电芯来判断是否是电解液导致了感抗弧的出现,如下图所示,软包中包含1正极NCM,2负极石墨,3正极NCM三块电极,处于同一个电解液氛围中,通过测试1-2和2-3的EIS,发现Z(12)和Z(23)均显示正常谱图,无感抗弧,且正负极距离近的阻抗更小(Z12)。
将Z(23)-Z(12)之后,发现了低频下的感抗弧,而12和23测试之间只有距离的区别,便是不同距离长度的电解液差别。这个结果揭示了电解液的电感属性对于阻抗谱图中的低频处的感抗弧有着明显重要的影响。
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感抗弧的产生理论上来说是个不希望得到的现象,那么我们如何避免呢?两电极体系中一般不会存在,三电极中才有可能会测出来,相信看完这篇文章应该就明白了。也可以参考之前的文章,做出更合适的参比电极。
【参考文献】1.Journal of The Electrochemical Society, 2022 169 110535
2.曹楚南. 电化学交流阻抗谱导论