[发明专利]用电化学阻抗谱表征电池的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种用电化学阻抗谱表征电池的方法，尤其是涉及一种采用CR传输线模型解析电化学阻抗谱，揭示其中隐含的扩散特征，进而表征电池的方法。

【背景技术】

目前，蓄电池的应用已渗透到尖端科技、军工、生产、生活的各个方面。蓄电池相对于提升水位蓄能、电解水制氢储氢蓄能等方法，有电能存储效率高的特点，可方便地组成各种不同电压和容量的电源应用系统；而其电能提取使用方便的特点，使之非常适合用作各种移动设备的工作电源与应急备用电源，甚至成为太阳能转换利用中的重要组成部分。蓄电池已成为今后社会发展中其它电能储存方法难以替代的、最有发展前途的应用电源之一。然而，蓄电池体系中仍然存在的一些悬而未决的基本问题，导致使用维护过于困难，难以有效保障安全、预测寿命，因而使用成本过高，直接影响了一些需要大规模应用蓄电池的产业(如电动汽车、可再生能源发电系统和各种后备式应急电源等)的高效率、低成本、高可靠产业化开发的进程。

如何准确、可靠获得蓄电池荷电状态(SOC)、电池健康状态(SOH)以及影响电池性能的重要参数，是蓄电池在定值负载下工作时间长短以及充电条件的依据，也是研究延长电池寿命、优化电池结构的关键。建立快速、准确、便捷表征电池内在特征的方法是热门课题。

目前，以电池整体性能而言，最经典的表征方法是充放电实验，虽然其结果可靠，但耗时、不便于在线监测，且难以给出电池过程的机理。就评价SOC而言，铅酸电池最早使用的是通过电解质中硫酸浓度预测SOC，具体测量方式有比重法或硫酸可逆电极。多种电池的通用方法则是测量电压和内阻、模糊算法以及目前研究的热点-神经网络方法等。虽然上述方法能从不同角度提供SOC的信息，但也存在一些无法弥补的缺陷。事实上，只有电池放电电流对时间的积分才是真实SOC。电解质组成不是决定SOC的唯一因素，因而不能保证准确反映SOC。电池电压和内阻属于SOC关系之外的参数，彼此之间不存在线性关系，用其衡量SOC缺乏科学依据。对于电动势基本不随SOC变化的Li电池，电压评价法几乎完全无效。为了探讨电压与SOC之间的关系，人们引入了Kalman过滤器，希望通过合适的模型分离直接与SOC有关的电压分量。而目前研究最多的是考虑到电池内外影响SOC的多种因素及其相互关系的复杂性，所提出的综合性考虑解决方案-模糊算法和神经网络，从而明显提高了预测SOC的准确度。这两种方法的共同特点是需要采集电池使用前和使用过程中的大量参数，利用计算机进行复杂运算，训练或调试模型中的多种参数，使模型的最终预测结果合理。

也有许多微观分析方法能从不同角度提供电池材料的组成和结构等特征。其缺点一是大型仪器价格高难以普及；二是微观检测方法样品的制备过程复杂、费时、具有破坏性，不便于现场连续监测；三是一种方法通常仅能表征一种性能，不能进行多性能的综合评价；四是电池体系中最重要的电化学特征必须用电化学方法表征，不能用其它方法取代。

在电化学表征方法中，电化学阻抗谱(EIS)测量条件简单、易得，无破坏性，并能同时给出电池变化机理的丰富信息，因而是研究电池的重要手段。国内外许多研究者希望从EIS中鉴别出与SOC密切相关的参数，例如阻抗虚部、相位角、特殊位置的频率，固定结构等效电路的参数。由于不同电池中变化有规律的参数类型各不相同，即便是相同作者对不同电池EIS规律信息的定量解释方法也不同，并且经常受测量频率范围的影响，甚至低频无法拟合，因而缺少普遍意义。更重要的是在许多情况下这些参数与SOC之间的理论关系并不清楚，缺少可靠的理论基础。

由于电池体系的复杂性、多样性、以及阻抗谱信息的隐含性，建立EIS参数与电池内部过程特征的关键是建立数学模型与体系性能参数之间的直接关系。简言之，是建立二者之间理论基础清楚、客观、通用、便于测量的可靠关系。

【发明内容】

为了克服现有技术的上述问题，本发明在采用结构一致的CR传输线模型解析阻抗谱数据的基础上，提供一种具有操作过程简单、数据处理便捷、结果客观可靠和无破坏性特点的用电化学阻抗谱表征电池的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

首先根据电化学基本理论指出的方向确定EIS数据中隐含的规律信息，然后比较不同电池体系规律的共性与差异，进一步详细探讨规律性的物理基础。