Admiral設備在電池測試中的應用

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/負極材料、使用非水電解質溶液的電池。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，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，已經成為了儲能領域的主流，應用到我們生活的方方面面。而隨著應用領域的擴展人們對鋰電池性能的要求也越來越高，因此我們需要對鋰電池的能量密度、循環(huán)次數(shù)、充電速度以及安全性方面繼續(xù)改進。

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；負極為石墨材質；正極集流體鋁箔，負極集流體為銅箔。

放電時外部負載接通后，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向正極移動；負極周圍的鋰離子濃度升高。從負極經過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程的第一推動。

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

充電是放電的逆過程，同樣的脫嵌，移動，嵌入幾個階段，只是推動過程發(fā)展的動力來自于充電機理，而離子的運動方向是自正極向負極運動。

下面介紹Admiral設備測試方法中關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R_Ω，SEI膜的擴散電阻R_SEI，SEI膜的電容值，電荷在電解液和活性物質界面間傳遞的等效電阻值R_CT以及電荷在電解液中擴散電阻值R_W。

以下是一個2300mAh的18650電池的阻抗譜：

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現(xiàn)不同掃速的CV連續(xù)測試。

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

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常會用到。用Admiral的自建序列測試功能也能輕松實現(xiàn)。

以下是一個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)處理的時間。

5.間歇滴定技術(PITT和GITT)

擴散是物質轉移的重要形式。以鋰離子電池為例，鋰離子在電極材料中的嵌入脫出過程，就是一種擴散。鋰離子的擴散系數(shù)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(shù)，對研究電池的電化學性能具有重要意義。

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，記錄電流隨時間變化。Admiral設備經過簡單的參數(shù)設置，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。瞬時提升10mV的電位，保持10分鐘，隨后進入開路狀態(tài)，進行10分鐘的弛豫時間。每次施加10mV的電位增量，依次重復這個循環(huán)，直到達到4V的上限。然后進入放電階段，每次減少10mV，直到達到3V的下限，其余設置與充電環(huán)節(jié)類似。

上圖為PITT測試結果

GITT(Galvanostatic intermittent titration technique): 施加一系列恒電流脈沖和開路序列，記錄電壓隨時間變化。Admiral設備經過簡單的參數(shù)設置，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，隨后進入開路狀，時間為10分鐘進行充分的弛豫。依次重復這個循環(huán)，直到達到4V的上限。然后進入放電階段，恒電流變?yōu)?/span>-25mA，其余設置與充電環(huán)節(jié)類似，直到達到3.6V的下限。

上圖為GITT測試結果

另外,Admiral設備還能做其它關于電池的測試方法，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工作站，可以滿足從扣式電池到動力電池的測試需求。