鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負(fù)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(jì)70年代時(shí),M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。隨著不斷地研究和改良,鋰電池的性能得到很大的提高,已經(jīng)成為了儲(chǔ)能領(lǐng)域的主流,應(yīng)用到我們生活的方方面面。而隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展人們對(duì)鋰電池性能的要求也越來越高,因此我們需要對(duì)鋰電池的能量密度、循環(huán)次數(shù)、充電速度以及安全性方面繼續(xù)改進(jìn)。
目前主流的鋰離子電池,一般按照正極材料類型命名,磷酸鐵鋰、錳酸鋰等即為正極材料的類型;負(fù)極為石墨材質(zhì);正極集流體鋁箔,負(fù)極集流體為銅箔。
放電時(shí)外部負(fù)載接通后,在電池本體以外形成電流通路。由于正負(fù)極之間存在電勢(shì)差,負(fù)極附近的電子首先通集流體和外部導(dǎo)線向正極移動(dòng);負(fù)極周圍的鋰離子濃度升高。從負(fù)極經(jīng)過外部電路到達(dá)正極的電子,與正極附近的鋰離子結(jié)合,嵌入正極材料,正極附近的鋰離子濃度降低。正負(fù)極之間的鋰離子濃度差形成。這樣,就完成了電池放電過程的第一推動(dòng)。
隨著鋰離子在離子濃度差的推動(dòng)下離開負(fù)極,負(fù)極附近出現(xiàn)空缺,負(fù)極材料內(nèi)的鋰離子,從負(fù)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(fù)極向正極移動(dòng)。同時(shí),原本與鋰離子以結(jié)合形態(tài)存在的電子,則通過外部電路去往正極。電池開始了按照負(fù)載的需求進(jìn)行的放電過程。
充電是放電的逆過程,同樣的脫嵌,移動(dòng),嵌入幾個(gè)階段,只是推動(dòng)過程發(fā)展的動(dòng)力來自于充電機(jī)理,而離子的運(yùn)動(dòng)方向是自正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。
下面介紹Admiral設(shè)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(nèi)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(kuò)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(kuò)散電阻值RW。
以下是一個(gè)2300mAh的18650電池的阻抗譜:
而需要得到這些電阻的準(zhǔn)確值就需要等效電路擬合軟件,admiral提供功能強(qiáng)大且操作簡便的離線分析軟件,可快速完成eis等效電路擬合:
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對(duì)比可以直觀地觀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(xiàn)不同掃速的CV連續(xù)測試。
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。
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,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(jié)構(gòu),如果電池有參比電極,儀器可以同時(shí)記錄正極對(duì)參比和負(fù)極對(duì)參比的電壓)。
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(xiàn)。
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和阻抗曲線。
并可以通過分析軟件完成批量擬合,大大節(jié)省數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。
5.間歇滴定技術(shù)(PITT和GITT)
擴(kuò)散是物質(zhì)轉(zhuǎn)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程,就是一種擴(kuò)散。鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)決定了電池的反應(yīng)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(kuò)散系數(shù),對(duì)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增加的恒電壓脈沖和開路序列,記錄電流隨時(shí)間變化。Admiral設(shè)備經(jīng)過簡單的參數(shù)設(shè)置,即可開始測試。
右圖中參數(shù)的意義:從OCP(開路電位)開始充電。瞬時(shí)提升10mV的電位,保持10分鐘,隨后進(jìn)入開路狀態(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(fù)這個(gè)循環(huán),直到達(dá)到4V的上限。然后進(jìn)入放電階段,每次減少10mV,直到達(dá)到3V的下限,其余設(shè)置與充電環(huán)節(jié)類似。
上圖為PITT測試結(jié)果
GITT(Galvanostatic intermittent titration technique): 施加一系列恒電流脈沖和開路序列,記錄電壓隨時(shí)間變化。Admiral設(shè)備經(jīng)過簡單的參數(shù)設(shè)置,即可開始測試。
右圖中參數(shù)的意義:從OCP(開路電位)開始充電。施加25mA的恒電流,保持10分鐘,隨后進(jìn)入開路狀,時(shí)間為10分鐘進(jìn)行充分的弛豫。依次重復(fù)這個(gè)循環(huán),直到達(dá)到4V的上限。然后進(jìn)入放電階段,恒電流變?yōu)?/span>-25mA,其余設(shè)置與充電環(huán)節(jié)類似,直到達(dá)到3.6V的下限。
上圖為GITT測試結(jié)果
另外,Admiral設(shè)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,以及用戶根據(jù)需要可編輯的自建序列測試。
Admiral有一系列的設(shè)備型號(hào):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,可以滿足從扣式電池到動(dòng)力電池的測試需求。
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