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    Admiral設備在電池測試中的應用
    更新時(shí)間:2022-11-16   點(diǎn)擊次數:1203次

    鋰電池大致可分為兩類(lèi):鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰電池是一類(lèi)由鋰金屬或鋰合金為正/負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀70年代時(shí),M. S. Whittingham提出并開(kāi)始研究鋰離子電池。隨著(zhù)不斷地研究和改良,鋰電池的性能得到很大的提高,已經(jīng)成為了儲能領(lǐng)域的主流,應用到我們生活的方方面面。而隨著(zhù)應用領(lǐng)域的擴展人們對鋰電池性能的要求也越來(lái)越高,因此我們需要對鋰電池的能量密度、循環(huán)次數、充電速度以及安全性方面繼續改進(jìn)。


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    目前主流的鋰離子電池,一般按照正極材料類(lèi)型命名,磷酸鐵鋰、錳酸鋰等即為正極材料的類(lèi)型;負極為石墨材質(zhì);正極集流體鋁箔,負極集流體為銅箔。

    放電時(shí)外部負載接通后,在電池本體以外形成電流通路。由于正負極之間存在電勢差,負極附近的電子首先通集流體和外部導線(xiàn)向正極移動(dòng);負極周?chē)匿囯x子濃度升高。從負極經(jīng)過(guò)外部電路到達正極的電子,與正極附近的鋰離子結合,嵌入正極材料,正極附近的鋰離子濃度降低。正負極之間的鋰離子濃度差形成。這樣,就完成了電池放電過(guò)程的第一推動(dòng)。

    隨著(zhù)鋰離子在離子濃度差的推動(dòng)下離開(kāi)負極,負極附近出現空缺,負極材料內的鋰離子,從負極脫嵌,進(jìn)入電解液中;大量鋰離子從電解液中穿越隔膜,自負極向正極移動(dòng)。同時(shí),原本與鋰離子以結合形態(tài)存在的電子,則通過(guò)外部電路去往正極。電池開(kāi)始了按照負載的需求進(jìn)行的放電過(guò)程。

    充電是放電的逆過(guò)程,同樣的脫嵌,移動(dòng),嵌入幾個(gè)階段,只是推動(dòng)過(guò)程發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自于充電機理,而離子的運動(dòng)方向是自正極向負極運動(dòng)。

    下面介紹Admiral設備測試方法中關(guān)于電池測試的幾種常用方法。


    1.EIS交流阻抗譜

    鋰電池在工作工程中主要的阻礙因素是電池的內阻,EIS交流阻抗譜可以幫助我們快速地得到這只電池的歐姆電阻RΩ,SEI膜的擴散電阻RSEI,SEI膜的電容值,電荷在電解液和活性物質(zhì)界面間傳遞的等效電阻值RCT以及電荷在電解液中擴散電阻值RW。


    以下是一個(gè)2300mAh18650電池的阻抗譜:

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    而需要得到這些電阻的準確值就需要等效電路擬合軟件,admiral提供功能強大且操作簡(jiǎn)便的離線(xiàn)分析軟件,可快速完成eis等效電路擬合:


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    2.CV循環(huán)伏安

    循環(huán)伏安掃描可以得到電池的氧化還原峰電位的位置和峰電流的大小,用不同的掃描速率的曲線(xiàn)對比可以直觀(guān)地觀(guān)察到峰電位和峰電流的變化。


    Admiral的自建序列測試功能可以輕而易舉地實(shí)現不同掃速的CV連續測試。


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    以下是一個(gè)扣式電池分別在0.1mv/s,0.2mv/s,0.3mv/s,得到的cv曲線(xiàn)。

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    3.CC-CV(恒電流+恒電位)充放電

    循環(huán)充放電可以讓我們知道電池在多次充放電循環(huán)后電池容量的衰減情況。


    以下是一個(gè)1000mAh的小軟包電池的充放電曲線(xiàn),軟件實(shí)時(shí)記錄電流、電壓、容量(由于Admiral電化學(xué)工作站是5電極結構,如果電池有參比電極,儀器可以同時(shí)記錄正極對參比和負極對參比的電壓)。

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    4.不同SOC下阻抗測試

    測試不同SOC狀態(tài)下電池阻抗的變化情況在電池研究中也是經(jīng)常會(huì )用到。用Admiral的自建序列測試功能也能輕松實(shí)現。


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    以下是一個(gè)1000mAh的小軟包電池每隔10%SOC測一次阻抗的充電曲線(xiàn)和阻抗曲線(xiàn)。

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    并可以通過(guò)分析軟件完成批量擬合,大大節省數據處理的時(shí)間。

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    5.間歇滴定技術(shù)(PITT和GITT)

    擴散是物質(zhì)轉移的重要形式。以鋰離子電池為例,鋰離子在電極材料中的嵌入脫出過(guò)程,就是一種擴散。鋰離子的擴散系數決定了電池的反應速率,在一定程度上影響了電池的性能。因此,確定鋰離子的擴散系數,對研究電池的電化學(xué)性能具有重要意義。

    PITT(Potentiostatic intermittent titration technique): 施加一系列按一定步長(cháng)增加的恒電壓脈沖和開(kāi)路序列,記錄電流隨時(shí)間變化。Admiral設備經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的參數設置,即可開(kāi)始測試。

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    右圖中參數的意義:從OCP(開(kāi)路電位)開(kāi)始充電。瞬時(shí)提升10mV的電位,保持10分鐘,隨后進(jìn)入開(kāi)路狀態(tài),進(jìn)行10分鐘的弛豫時(shí)間。每次施加10mV的電位增量,依次重復這個(gè)循環(huán),直到達到4V的上限。然后進(jìn)入放電階段,每次減少10mV,直到達到3V的下限,其余設置與充電環(huán)節類(lèi)似。


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    上圖為PITT測試結果

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    GITT(Galvanostatic intermittent titration technique): 施加一系列恒電流脈沖和開(kāi)路序列,記錄電壓隨時(shí)間變化。Admiral設備經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的參數設置,即可開(kāi)始測試。

    右圖中參數的意義:從OCP(開(kāi)路電位)開(kāi)始充電。施加25mA的恒電流,保持10分鐘,隨后進(jìn)入開(kāi)路狀,時(shí)間為10分鐘進(jìn)行充分的弛豫。依次重復這個(gè)循環(huán),直到達到4V的上限。然后進(jìn)入放電階段,恒電流變?yōu)?/span>-25mA,其余設置與充電環(huán)節類(lèi)似,直到達到3.6V的下限。


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    上圖為GITT測試結果


    另外,Admiral設備還能做其它關(guān)于電池的測試方法,如:恒功率充電/恒電阻放電、恒功率充/放電,恒電阻放電,以及用戶(hù)根據需要可編輯的自建序列測試。

    Admiral有一系列的設備型號:Squidstat Plus, Squidstat Prime, Squidstat Ace, Squidstat Solo, Squidstat Cycler, Squidstat Penta, Squidstat Decka, Squidstat Venta, 以及定制型Cycler。


    各種不同量程的電化學(xué)工作站,可以滿(mǎn)足從扣式電池到動(dòng)力電池的測試需求。


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