交流阻抗法解析鋰離子電池電化學反應(yīng)

2023-09-22

樣品交流阻抗法解析鋰離子電池電化學反應(yīng)
項目交流阻抗法解析鋰離子電池電化學反應(yīng)

摘要

交流阻抗方法應(yīng)用于電化學體系時，也稱為電化學阻抗譜法(electrochemicalim pedance spectroscopy,EIS)。該方法是指控制通過電極的電流(或電位)在小幅度條件下隨時間按正弦規(guī)律變化，同時測量作為其響應(yīng)的電極電位(或電流)隨時間的變化規(guī)律,或者直接測量電極的交流阻抗(或?qū)Ъ{)。該方法已經(jīng)成為研究電極過程動力學和電極表面現(xiàn)象最重要的方法之一。

阻抗頻譜數(shù)據(jù)測得之后,需要進行合理的數(shù)據(jù)處理,通常采用等效電路的方法,即將電極過程中的各單元步驟用等效電路模型中的元件代表,若根據(jù)阻抗頻譜數(shù)據(jù)解析出電極過程的等效電路及其元件參數(shù),就可確定電極過程的動力學機理及各單元步驟的動力學參數(shù)。

圖1所示混合控制體系的電極等效電路,其中R代表溶液電阻Ru, C代表雙層電容Cd, Rct代表電荷傳遞電阻, W代表Warburg阻抗。

圖1. 混合控制體系的電極等效電路

電化學阻抗譜(EIS)是研究電極/電解質(zhì)界面發(fā)生的電化學過程的最有力工具之一，廣泛應(yīng)用于研究鋰離子在鋰離子電池電極活性材料中的嵌人和脫出過程。EIS能夠根據(jù)電化學嵌入反應(yīng)每一步弛豫時間常數(shù)的不同,在較寬頻率范圍內(nèi)表征電化學嵌入反應(yīng)的每一步。

鋰離子在電極中的脫出和嵌入過程包括以下幾個步驟:①電子在活性物質(zhì)間的輸運和鋰離子在電解液中的輸運;②鋰離子通過SEI膜的擴散遷移;③電極界面的電荷傳輸過程;④鋰離子在活性物質(zhì)內(nèi)部的固體擴散過程;⑤鋰離子的嵌入、脫出導(dǎo)致電極材料晶體結(jié)構(gòu)的改變或新相的生成。

圖2. 鋰電池測量的阻抗譜及等效擬合電路

根據(jù)這個過程EIS譜包括5個部分(如圖2所示):①超高頻區(qū)域(10 kHz以上),與鋰離子和電子移動輸運有關(guān)的歐姆電阻,在EIS譜上表現(xiàn)為一個點,用Rs表示;②高頻區(qū)域,為鋰離子穿透SEI膜的擴散過程,可用一個RSEI/CSEI并聯(lián)電路表示。其中,RSEI 即為鋰離子擴散遷移通過SEI膜的電阻;③中頻區(qū)域，為電化學傳荷過程控制,用Rct/Cd并聯(lián)電路表示。Rct為電荷傳遞電阻，Cd為雙電層電容;④低頻區(qū)域為鋰離子在活性物質(zhì)內(nèi)部的固體擴散過程,在圖上表現(xiàn)為一條斜線,用Warburg阻抗Zw表示;⑤極低頻區(qū)域(< 0.01 Hz),電極結(jié)構(gòu)改變或新相的生成相關(guān)過程,表現(xiàn)為一條垂線,用Rb/Cb并聯(lián)電路與Cint組成的串聯(lián)電路表示。