【锂离子电池电化学阻抗谱】用于计算不同充电状态下锂离子电池的宽带电化学阻抗谱研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、研究背景与理论基础

1.1 电化学阻抗谱（EIS）核心原理

EIS 通过在宽频率范围（µHz-MHz） 内施加小幅正弦激励信号（通常 5mV，≤10mV），测量系统阻抗随频率的变化关系，实现对电极过程的分层解析。其核心优势在于：

• 时间常数分离：高频区（MHz 级）反映快速步骤（如欧姆电阻响应），低频区（µHz 级）对应慢速步骤（如锂离子扩散）；

• 无损表征：小幅扰动不破坏电池平衡状态，可原位追踪 SOC 变化过程中的界面特性。

1.2 SOC 与 EIS 的内在关联

SOC 通过改变电极材料中锂离子浓度，直接影响阻抗特性：

• 电荷转移电阻（Rct）：中等 SOC 时最低，低 SOC（锂嵌入不足）和高 SOC（锂嵌入饱和）时显著升高；

• 扩散阻抗（Zw）：与锂离子在电极内的浓度梯度正相关，SOC 极值区扩散阻力增大；

• 整体趋势：充电时 SOC 升高，阻抗谱半圆向左缩小；放电时 DOD（放电深度）增加，半圆向右扩张。

二、原位测试方法

1. 电池预处理：对扣式 / 软包电池进行 3 次充放电循环激活，确保性能稳定；

1. SOC 调节：采用恒流恒压法充电至目标 SOC（如 10%~100%），静置 30min 使体系平衡；

1. EIS 测量：通过电化学工作站（如 ERT7008）采集奈奎斯特图和波特图；

1. 循环验证：重复充放电 - 阻抗测试流程，验证数据重现性。

三、阻抗谱解析与数据分析

3.1 典型阻抗谱特征（奈奎斯特图）

锂离子电池 EIS 通常由三部分构成：

1. 高频区：与实轴交点为欧姆电阻（Rohm），包含电解液、集流体及接触电阻；

1. 中高频区：容抗弧对应电荷转移电阻（Rct） 与双电层电容（Cd）并联结构，反映界面电化学反应速率；

1. 低频区：45° 斜线为Warburg 阻抗（Zw），代表锂离子扩散过程。

3.2 等效电路模型与参数拟合

1. 基础模型：针对 SOC 研究，常用简化模型为Rohm + (Rct//Cd) + Zw（// 表示并联）；

1. 拟合工具：采用 ZView 或 Nova 等软件，通过 Kramers-Kronig 变换验证数据有效性；

1. 关键参数：提取 Rohm、Rct 及 Zw 随 SOC 的变化曲线，建立定量关联模型（如图 1 示意）。

图 1 不同 SOC 下 EIS 参数变化趋势（示意图）

• 横轴：SOC（%） 纵轴：阻抗值（Ω）

• 曲线 1（Rct）：呈 “U 型” 分布，50% SOC 处最低

• 曲线 2（Zw）：低 SOC 和高 SOC 区显著升高

• 曲线 3（Rohm）：随 SOC 变化幅度较小

四、核心结论与应用价值

4.1 SOC 依赖的阻抗规律

• 充电过程：SOC 从 10% 升至 100% 时，Rct 下降 40%~60%，Zw 下降 30%~50%，总阻抗呈 “浴盆曲线” 特征；

• 放电过程：DOD 从 0 增至 100% 时，阻抗变化与充电过程呈镜像关系，且存在轻微滞后效应；

• 临界区间：20%~80% SOC 内阻抗稳定性高，是电池高效工作的理想区间。

4.2 实际应用场景

1. SOC 估算优化：针对磷酸铁锂电池（OCV-SOC 曲线平坦），通过 1Hz 频率点阻抗实部建立校正模型，估算误差≤3%；

1. 电池状态诊断：结合 Rct 与 Zw 变化，区分 “锂库存损失” 与 “活性材料衰减” 对 SOC 的影响；

1. 快充策略制定：基于高 SOC 区扩散阻抗升高特性，优化充电电流曲线，避免极化累积。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 孙保瑞.复杂形貌电极增容机制研究[D].电子科技大学,2010.DOI:10.7666/d.D312407.

[2] 李超.基于电化学-热耦合模型的析锂特性研究[D].江苏大学[2025-10-23].

[3] 袁闪闪,刘和平,杨飞.基于扩展卡尔曼滤波的LiFePO4电池荷电状态估计[J].电源技术, 2012, 36(3):3.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2012.03.010.

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