锂离子电池的电化学阻抗谱分析研究进展

锂离子电池的电化学阻抗谱（EIS）是研究电化学系统最有力的实验方法之一,在过去的20多年中,EIS 被广泛应用于锂离子电池研究和生产领域,包括研究电极界面反应机理和容量衰减机制,测定相关电极过程动力学参数和电池的健康状态、荷电状态以及电池的内阻。本文分析了锂离子电池中电极极化过程包含的3 个基本物理化学过程———电子输运、离子输运和电化学反应过程,探讨了每一基本物理化学过程包含的步骤及其EIS 谱特征,详细论述了与电子输运相关的基本物理化学过程———接触阻抗和感抗产生的机制;介绍了多孔电极理论及其在锂离子电池中的应用,阐述了基于多孔电极理论进行阻抗谱数值模拟的建模原理与方法。 综述了石墨、硅、二元3d 过渡金属氧化物、LiCoO₂、尖晶石LiMn2O4、LiFePO4、尖晶石Li4Ti5O12、过渡金属氟化物材料等电极的典型阻抗谱特征和各时间常数的归属问题。最后讨论了EIS现存的问题及未来的发展方向。     

尖晶石LiMn2O4中锂离子嵌入脱出过程的电化学阻抗谱研究

运用电化学阻抗谱(EIS)研究了尖晶石LiMn2O4电极的首次充放电过程. 发现EIS谱高频区域拉长压扁的半圆是由两个半圆相互重叠而成的, 分别归属于与锂离子通过固体电解质相界面膜(SEI膜)的迁移和与尖晶石LiMn2O4材料的电子电导率相关的特征. 通过选取适当的等效电路, 对实验所得的电化学阻抗谱数据进行拟合, 获得尖晶石LiMn2O4电极首次充放电过程中SEI膜电阻、电子电阻和电荷传递电阻等随电极极化电位变化的规律. 根据研究结果提出了嵌锂物理机制模型.     

锂离子电池的电化学阻抗谱分析

电化学阻抗谱(EIS)是研究电极/电解质界面发生的电化学过程的最有力工具之一,广泛应用于研究锂离子在锂离子电池嵌合物电极活性材料中的嵌入和脱出过程。本文从分析嵌合物电极的EIS谱特征入手,探讨了电化学阻抗谱中各时间常数的归属问题,重点讨论了与锂离子嵌脱过程相关的动力学参数,如电荷传递电阻、活性材料的电子电阻、扩散以及锂离子扩散迁移通过固体电解质相界面膜(SEI膜)的电阻等,对电极极化电位和温度的依赖关系。     

对电极性能对染料敏化太阳电池动力学过程的影响

借助电化学阻抗谱(EIS)和强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)技术, 采用不同纳米TiO₂多孔薄膜对电极研究了染料敏化太阳电池(DSC)内部2个主要电荷输运过程的内在联系, 并探讨了载Pt材料对DSC界面动力学过程及电池宏观性能的影响机理. 借助等效电路模型分析了基于不同对电极材料电池的填充因子变化原因. 结果表明, 对电极材料的电极电荷交换过程制约光阳极膜内电子传输, 进而影响电池光伏性能; 同时对电极催化反应速率主要与催化剂活性、 载Pt材料电导率和催化反应面积有关.     

嵌入化合物电极的电化学阻抗谱: 模型与理论模拟

建立了单个嵌入化合物颗粒、混合颗粒、厚度均匀多孔电极层以及非均匀、多层多孔电极层的理论模型,模拟得了了上述模型的相对应电化学阻抗谱（EIS）特征.结果表明,单个颗粒和混合颗粒表现出相似的阻抗谱特征,均由高频区域内与锂离子通过固体电解质相界面（SEI）膜过程相关的R_SEI‖C_SRI半圆,与电荷传递过程相关的R_ct‖C_dl半圆以及锂离子在固体颗粒内部的扩散相关的斜线三部分组成.对于非均匀、多层多孔嵌入电极而言,一个个新奇的现象就是在阻抗谱中会出现三个半圆,影响第三个半圆现现并形成的因素主要为电极中的颗粒尺寸分布以及电极层的厚度分布,也就是说电极片中出现不同尺寸分布的颗粒以及形成薄厚两种电极层的时候,容易导致阻抗谱中出现第三个半圆.     

温度对尖晶石LiMn2O4中锂离子嵌脱过程的影响

运用电化学阻抗谱研究了商品化尖晶石LiMn₂O₄电极在1 mol/L LiPF₆-EC(碳酸乙烯酯):DEC(碳酸二乙酯)电解液中―10～30 ℃范围内的阻抗谱特征、固体电解质相界面(SEI)膜阻抗、电子电阻和电荷传递电阻等随温度的变化. 研究结果表明, 尖晶石LiMn₂O₄电极的阻抗谱特征与温度有关, 随温度的升高, 与活性材料电子电导率相关的半圆和与SEI膜相关的半圆会发生重叠而成为一个半圆. 通过选取适当的等效电路拟合了实验所得的电化学阻抗谱数据, 测得尖晶石LiMn₂O₄电极在1 mol/L LiPF₆-EC:DEC 电解液中, 锂离子迁移通过SEI膜的离子跳跃能垒平均值为15.49 kJ/mol; 电子电导率的热激活化能平均值为24.21 kJ/mol; 嵌入反应活化能平均值为53.07 kJ/mol.     

电解液组成对尖晶石LiMn_2O_4中锂离子嵌脱过程的影响

运用电化学阻抗谱(EIS)研究了尖晶石LiMn2O4正极在1mol·L-1LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)∶DEC(碳酸二乙酯)∶DMC(碳酸二甲酯),1mol·L-1LiPF6-EC∶DEC∶EMC(碳酸甲乙酯)和1mol·L-1LiPF6-EC∶DMC三种不同电解液中,-20-20℃范围内的阻抗谱特征随温度的变化.研究结果表明,温度强烈影响尖晶石LiMn2O4正极的阻抗谱特征,而电解液组成对尖晶石LiMn2O4正极阻抗谱特征的影响较小,但电解液组成对锂离子在尖晶石LiMn2O4正极中嵌入脱出过程相关动力学参数影响较大.测得尖晶石LiMn2O4正极在上述三种电解液中,锂离子迁移通过固体电解质相界面(SEI)膜的离子跳跃能垒平均值分别为7.60、16.40和18.40kJ·mol-1;电子电导率的热激活化能平均值分别为44.77、35.47和68.06kJ·mol-1;嵌入反应活化能平均值分别为52.19、46.19和69.86kJ·mol-1.     

Li_3PO_4表面修饰提高球形LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4正极材料的性能（英文）

通过共沉淀法制备了球形Li Ni_(0.5)Mn_(1.5)O_4@Li_3PO_4复合材料,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)及充放电测试研究了其结构与电化学性能。XRD和SEM表明,Li_3PO_4包覆影响了球形Li Ni_(0.5)Mn_(1.5)O_4的晶格常数。CV和EIS表明,质量百分数5%Li_3PO_4包覆的Li Ni_(0.5)Mn_(1.5)O_4具有比纯Li Ni_(0.5)Mn_(1.5)O_4更高的锂离子嵌脱可逆性,更大的锂离子扩散系数和更小的电荷转移电阻,说明在锂离子扩散过程中,质量百分数5%Li_3PO_4包覆的Li Ni_(0.5)Mn_(1.5)O_4具有更高的电子电导率。充放电测试表明,原位Li_3PO_4改性提高了材料的电子电导率、电化学活性,进而提高了高倍率放电容量。质量百分数5%Li_3PO_4包覆的Li Ni_(0.5)Mn_(1.5)O_4提高的电化学性能归因于Li_3PO_4的包覆、纳米颗粒组成球形的粒径引起的高的电子电导率和小的电化学极化。     

电化学阻抗谱弛豫时间分布基础

电化学阻抗谱（EIS）是一种高效的原位/非原位电化学表征技术,已在电化学能源领域得到广泛应用,如用于锂离子电池、超级电容器、燃料电池等材料及器件性能的诊断和优化. 弛豫时间分布（DRT）是一种不依赖于研究对象先验知识的EIS解析技术,可用于分离和解析EIS中高度重叠的物理化学过程. 为了促进DRT解析技术的应用和推广,本文详细阐述了如下问题： 1） DRT解析原理、实现算法及重要扩展; 2） 典型电路基元的DRT解析分析; 3） DRT的具体实现及在电化学能源中的典型应用举例; 4）DRT解析技术研究进展、存在问题及发展趋势.     

粉末多孔镍电极电化学阻抗谱及其数学模型

镍电极反应动力学在大多情况下是受固态质子扩散过程控制的，以此为出发点建立了具有明确物理意义的镍电极电化学阻抗谱（EIS）的数学模型．并以该模型为基础，讨论了一些模型参数如双电层电容C（d1）、质子扩散系数D及活性物质位于半径γ0等的改变，电极的不同行电状态以及多孔镍电极中的传质过程对镍电极阻抗谱的影响．理论模型较好地解释了一些实验结果．     

白藜芦醇对长期贮存锂离子电池电解液性能的影响

锂离子电池电解液从制造完成到使用,一般都会经历灌装、运输和贮存的过程,了解长期贮存过程对锂离子电池电解液性能的影响,对锂离子电池的生产具有一定的理论指导意义.本文运用电化学阻抗谱(EIS)测试并结合循环伏安法(CV)测试、充放电测试、扫描电子显微镜(SEM)等研究了1 mol.L-1 LiPF6-EC:EMC 基础电解...     

固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解

电化学阻抗谱技术(EIS)在固体氧化物燃料电池(SOFC)中已获得广泛应用。在EIS分析过程中,研究者能够清楚地获得燃料电池内部因纯离子(电子)导电引起的欧姆电阻和因电化学过程、扩散作用引起的极化阻抗的大小,但是对于极化阻抗的构成缺乏进一步解析。本文选用传统的Ni-YSZ阳极支撑电池,通过改变测试温度、阳极运行气氛和阴极运行气氛,设计了一套完整的阻抗差异分析(ADIS)实验。并基于弛豫时间分布法(DRT)和阻抗差异分析法,系统地分析并解释了阻抗谱中各频率段对应阻抗的物理或(电)化学含义,将该类型电池阻抗谱以6个RQ并联电路予以拟合,为之后燃料电池性能稳定性的研究奠定基础。     

海藻酸钠引导合成纳微复合结构ZnFe_2O_4及其在锂离子电池中的应用

使用海藻酸钠作为结构导向剂,通过溶剂热法原位合成了不同形貌的含碳ZnFe_2O_4锂离子电池负极材料.利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼(Raman)光谱等对复合材料的形貌和结构进行表征,通过恒电流充放电、循环伏安曲线(CV)和交流阻抗谱(EIS)等对复合材料的电化学性能进行了测试.结果表明,在不同形貌的复合材料中,具有类蒲公英状纳微复合结构的含碳ZnFe_2O_4的电化学性能最佳:在1000 mA/g的电流密度下循环100周后依然保持2100 mA·h/g的比容量.还探讨了海藻酸钠在材料形成和制作极片过程中的作用及其对电池性能的影响.     

电解液添加剂硫酸亚乙酯对锂离子电池性能的影响

在1 mol/L LiPF₆/碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯+碳酸甲乙酯（体积比1∶1∶1）电解液中,采用恒流充放电测试、循环伏安法（CV）、扫描电子显微镜（SEM）、能量散射光谱（EDS）、电化学阻抗谱（EIS）等测试技术,研究了添加剂硫酸亚乙酯（DTD）对锂离子电池性能及石墨化中间相碳微球（MCMB）电极/电解液界面性质的影响。 结果表明,在电解液中引入体积分数0.01%DTD后,MCMB/Li电池可逆放电容量从300 mA·h/g提高至350 mA·h/g,电池总阻抗降低,循环稳定性提高。CV测试发现,在首次还原过程中,DTD在电极电位1.4 V左右（vs Li/Li⁺）发生电化学还原,参与了MCMB电极表面固体电解质相界面膜（SEI膜）的形成过程。 同时,DTD对LiMn₂O₄电极性能无不良影响。     

尖晶石LiMn2O4锂充放电池的电化学研究

本文报导尖晶石型ＬｉＭｎ２Ｏ４化合物的制备方法，用循环伏安法和交流阻抗技术研究了Ｌｉ／有机电解液／ＬｉＭｎ２Ｏ４电池的电化学行为，用分形理论首次考察和进一步讨论电极材料的阻抗行为随锂离子嵌入或脱嵌电极时的变化。     

PMo12-PPY修饰的多孔阳极氧化铝膜电极的电化学交流阻抗研究

将磷钼杂多酸聚吡咯(PMo12-PPY)用电聚合法沉积在载有多孔阳极氧化铝(AAO)的玻碳电极表面(AGCE),制备了PMo12-PPY/AGCE纳米复合材料修饰电极,并通过循环伏安(CVs)、电化学阻抗谱(EIS)方法表征了PMo-PPY/AGCE和PMo-PPY/GCE的电化学性质及电极界面反应特征.结果表明,AAO膜使电极表面粗糙度降低,电子传输的能力增强,并使氧化还原反应速度加快.     

硬碳材料电极首周嵌钠过程的电化学阻抗谱研究

运用电化学阻抗谱（EIS）研究了硬碳材料电极嵌钠的过程,发现EIS谱由两个半圆和一条斜线组成,两个半圆可归因于接触阻抗和钠离子通过固体电解质界面膜（SEI膜）扩散的过程和电荷传递的过程,斜线域则反映了钠离子在硬碳材料颗粒内部的固态扩散相关的斜线.通过选取适当的等效电路,对实验结果进行拟合,可以得出硬碳电极首周嵌钠过程中SEI膜电阻、电子电阻等随电极极化电位的变化规律.     

饱和NaCl溶液浸泡下混凝土试块中有机阻锈剂对钢筋腐蚀行为的影响

利用电化学阻抗谱(EIS)、半电池腐蚀电位(Ecorr)和宏观电池腐蚀电流密度(Icorr)测量技术,在饱和NaCl溶液浸泡的硬化混凝土试块中,研究了4种醇胺基阻锈剂对钢筋电极腐蚀电化学行为的影响和长期阻锈性能.在浸泡初始的100d内,与空白样相比,添加阻锈剂后钢筋电极腐蚀电位升高,阻抗膜值增大,腐蚀电流密度值降低,表明电极表面处于钝态,阻锈剂表现出良好的阻锈性能.随浸泡时间延长,电极腐蚀电位和阻抗膜值下降,腐蚀电流密度增大.浸泡后期,除添加醇胺基CI-4样外,电极电位和腐蚀电流密度与空白样相比无明显差别,表明电极由钝态转变为活性腐蚀状态.但添加CI-4样品,钢筋电极始终保持在钝化状态,阻锈性能最好.基于阻锈剂与Cl-间的竞争吸附,分析探讨了可能的阻锈机理.     

玻碳电极界面的阻抗谱数学表达及定量分析

玻碳电极（GCE）是各类电化学传感器常用的基础电极,其界面特征直接影响检测性能。本文详细考察了电极体系的电化学过程,针对GCE传感界面,探讨了一个等效电路中电解质电阻、电荷输运电阻、扩散阻抗、电化学（氧化/还原）反应阻抗、表面吸附阻抗和双电层电容等电学元件的物理意义,并给出了对应的数学模型。通过改变模型中5个参数值,模拟了不同状态下的阻抗谱,分析了电极系统各参数对GCE阻抗谱的贡献规律。最后,采用该数学模型对裸GCE和修饰GCE在铁氰化钾溶液中的阻抗谱进行分析,拟合结果与实验数据吻合度高;基于拟合获得参数,定量对比分析了修饰前后电极表面的特征变化。     

LiBOB对Li_(1.15)Ni_(0.68)Mn_(1.32)O_4电极电化学行为的影响

采用恒电流充放电技术研究了锂离子电池电解液添加剂双草酸硼酸锂(Li BOB)对Li1.15Ni0.68Mn1.32O4电极电化学性能的影响,用X射线衍射(XRD)、衰减全反射傅里叶变换红外光谱(FTIR-ATR)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学阻抗谱(EIS)分析了Li BOB对Li1.15Ni0.68Mn1.32O4电极性能的影响.结果显示,Li BOB作为电解液添加剂能显著改善Li1.15Ni0.68Mn1.32O4电极的循环性能,原因是Li BOB在充放电过程中会在Li1.15Ni0.68Mn1.32O4电极表面发生分解,分解产物在电极表面沉积形成固体电解质界面(SEI)膜,SEI膜能够有效抑制Li1.15Ni0.68Mn1.32O4电极材料中Mn的溶解,确保其晶体结构的稳定性,从而提高Li1.15Ni0.68Mn1.32O4电极的循环性能.