锂电池作为电化学储能装置，其内部机制之奥秘仍待深挖。电化学阻抗谱（EIS）作为一种探究手段，其潜力在理解电池电荷存储机制方面尚待完全开发。
电化学阻抗谱简介
电化学阻抗谱是一种强大的技术，用于研究电化学系统中发生的各种过程。这些过程涉及液体或固体材料（如离子、半导体、混合电子-离子甚至绝缘体）的本体或界面区域中电荷的束缚或移动。
该技术的主要优点在于其能够根据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。在整個电化学阻抗谱测量过程中，系统必须保持静态。
要实现上述功能，通常会使用小幅度周期性扰动电位或电流，并以不同频率激发电化学系统。通过测量系统对这种扰动的响应，可以计算出系统的阻抗传递函数。
锂离子电池的电化学阻抗谱特性
锂离子电池虽已得到深入研究，但其具体机制，如充电/放电速率及延长电池循环对能量和电力存储性能的影响等，仍不十分清晰。
这些机制对锂离子电池的寿命和成本有着重大影响，因此有必要进一步研究。电化学阻抗谱在此方面被视为一种有用技术，能够提供有助于解决锂离子电池问题的见解。
尽管电化学阻抗谱在锂电池研究中的应用并不普遍，但将其视为一种辅助技术仍有助于确认传统电化学测量已发现的趋势。这在一定程度上反映了电化学阻抗谱在电池领域的应用理解。
现代技术允许快速采集电化学阻抗谱数据，同时配合自动化算法（如等效电路分析）可轻松解释数据。本文将介绍关于锂离子电池系统电化学阻抗谱的先进测量方法，以及用于深入解释测量数据的最先进建模工具的几个示例。
电池电化学阻抗谱的测量与分析
锂电池的性能通常通过全电池（由两种不同的阴极和阳极组成）进行评估。在电化学阻抗谱测量中，通常也使用全电池。
全电池中包含多种基本过程，尽管电化学阻抗谱具有固有的分辨率，但正确地从单个测量的光谱中解构这些过程仍然非常困难。即使使用对称或三电极电池，所涉及的基本过程数量仍然很多。这些过程包括电子转移、离子迁移、电化学反应等。
理想情况下，电化学阻抗谱能够单独检测这些过程，并作为单个测量光谱的单独特征。但实际上，由于许多单独的特征重叠，因此需要仔细解耦它们以便在电池研究中充分利用电化学阻抗谱。
在过去的十年里，科学家们已经提出了几种实验方法，这些方法可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。
对于测量的阻抗数据，可以进行多级别分析。最常用的分析方法是等效电路分析，该方法基于描述电阻、电容器和电子元件等电路元件的行为来解释电化学过程。
还有基于物理的阻抗谱方法，这些方法依赖于一般物理定律的应用来描述质量和电荷传输以及电化学反应。另外一种基于物理的方法则依赖于将控制方程直接转录为电路元件。
总结与展望
电化学阻抗谱是一种强大的技术，能够将复杂的电化学过程分解为基本步骤。其在电池领域的应用还有巨大的潜力可挖。
通过结合良好的实验设计与提供有关系统结构、组成和宏观信息的补充技术，电化学阻抗谱可以为电池机制提供新的见解。
参考资料：