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電池優(yōu)劣怎么測？電化學阻抗譜(EIS)幫您忙

2023-11-10
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作者：yangjiaxu
來源：世健&21ic

[導(dǎo)讀]
本帖最后由 yangjiaxu 于 2023-11-10 10:53 編輯 #申請原創(chuàng)# @21小跑堂電池優(yōu)劣怎么測？電化學阻抗譜(EIS)幫您忙作者：21ic電子網(wǎng)工程師 ID：yangjiaxu 電池作為一種儲能裝置，在日常生活中經(jīng)常被用到。按照

作者：21ic電子網(wǎng)工程師 ID：yangjiaxu

電池作為一種儲能裝置，在日常生活中經(jīng)常被用到。按照充電性質(zhì)區(qū)分，電池可分為一次性電池和充電電池兩類，本文將分別以一次性堿性電池和可充電鋰電池為例。堿性電池用后不可再充電，因此基本不以電量多少來衡量，而是以工作電壓的大小為主，常見的有1.5V堿性電池、9V電池等。鋰電池則可以通過外部充電裝置進行充電并支持循環(huán)使用，因此，現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備的電源基本都被鋰電池所替代。但由于廠家技術(shù)水平不同，市面上鋰電池的質(zhì)量參差不齊，因此，對鋰電池進行快速檢測并判斷其質(zhì)量優(yōu)劣極為重要。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健在儲能市場及相關(guān)電化學領(lǐng)域深耕多年，對市場一直保持著敏銳的洞察力。

世健發(fā)現(xiàn)，市場對于鋰電池的測試與檢測技術(shù)的要求越來越高，在保證電池穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上，迫切**能最大化地提升其性能。于是，世健技術(shù)團隊基于電化學阻抗譜(EIS)技術(shù)，自主研發(fā)了一款電化學阻抗譜測量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)。該模塊支持定頻和掃頻兩種工作模式，并具有高集成度和低成本等特點，特別適合小型化的手持式電池內(nèi)阻測試儀器，可助力快速測試測量鋰電池的具體電化學特征信息。那么，什么是電化學阻抗譜(EIS)呢？

一、電化學阻抗譜(EIS)的定義與硬件構(gòu)成
電化學阻抗譜是一種測量電化學系統(tǒng)中電化學反應(yīng)和電荷傳遞過程的技術(shù)。它通過在電化學系統(tǒng)中施加交流電信號，然后測量系統(tǒng)對信號的響應(yīng)來獲得信息，屬于一種無損的參數(shù)測定和有效的電池動力學行為測定方法。一般影響電化學阻抗譜的結(jié)果主要有：被測電池的電池結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)、電池容量、電極材料和電池內(nèi)阻等等。與此同時，EIS中的數(shù)據(jù)信息常用奈奎斯特圖或波特圖直觀地進行顯示。在電化學阻抗譜中，通常1KHz的定頻測量針對電池中的電解質(zhì)電阻值，該電阻值隨著電池的老化而增加；而1Hz到1KHz的掃頻測量則針對電池的電荷轉(zhuǎn)移電阻，從而揭示電池隨溫度和充電狀態(tài)SOC的不同而變化的規(guī)律。
世健這款電化學阻抗譜測量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)的硬件主要由電源、接口、AD5941的傳感器信號調(diào)理和處理器幾部分組成，主要芯片有ADI AD5941、ADG636、AD8694、ADM7155與ATSAML21等。其信號鏈流程如圖1所示，硬件配套與硬件主板如圖2和圖3所示。

圖1 EPSH-EIS5941-V1.0 信號鏈

圖2 EPSH-EIS5941-V1.0的主板與測試工裝

圖3 EPSH-EIS5941-V1.0主板電路

EIS測量模塊的基本特性:
工作模式：支持掃頻和定頻兩種
掃頻模式：取電池測量的關(guān)鍵頻段1Hz ~1KHz（AD5941支持掃描范圍0.015Hz-200KHz）
定頻模式：1KHz
精度：優(yōu)于0.1%(定頻 1KHz)
供電：USB 5V
通訊接口：USB-PC

二、電化學阻抗譜(EIS)的軟件
硬件介紹完，接下來看看軟件的安裝與使用。其實軟件方面官方提供的還是比較簡單易操作的，主要需要注意的是：先安裝labview和visa530full.exe，再使用EIS軟件，否則會有報錯信息或者打不開串口等等，如圖4所示。

圖4 EIS報錯提示

軟件安裝就不與大家展示了，基本上是正常安裝即可，剩下的就是等待了。軟件安裝完成之后，建議先重啟一下電腦，方便環(huán)境變量或者其他配置可以正確地配置成功，否則可能會有一些不可思議的問題發(fā)生，會影響使用。
接下來就是正常使用軟件了：打開EIS，可以看到左側(cè)是串口的基礎(chǔ)配置，右側(cè)是對電化學阻抗譜測量模塊的掃頻信息和采樣點的參數(shù)設(shè)置。當基礎(chǔ)配置都設(shè)置好之后，需要按一下模塊的K1的復(fù)位按鍵，保證設(shè)置參數(shù)均為正常。
注：這里建議同一電池先測試定頻，再測試掃頻。

三、電化學阻抗譜(EIS)測試
電池的不同品牌、不同型號、不同容量，都可能會存在不一樣的電化學阻抗譜，因此測試一定要有定量與變量。因此，我將用不同品牌的電池作為變量來測試電池阻抗與電池掃頻模式下的奈奎斯特圖。本次測試分別選取倍量Doublepow18650鋰電池(3.7V, 12580mWh, 3400mAh)、Panasonic18650鋰電池(NCR18650GA, 3.6V, 3450mAh)與LG21700鋰電池(INR21700M50LT, 3.7V, 5000mAh)，來參與本次的電化學阻抗譜(EIS)測試。

圖5 參與測試的三種品牌電池

Panasonic18650鋰電池定頻測量：最大阻抗為21.884毫歐，最小阻抗為21.874毫歐，平均為21.879毫歐。規(guī)格書1KHz交流阻抗小于38毫歐，典型阻抗為25毫歐。實測阻抗小于典型阻抗，該電池健康狀態(tài)良好。

圖6 Panasonic18650鋰電池定頻測量

Panasonic18650鋰電池掃頻測量：掃頻模式下，是從1 Hz -1KHz范圍內(nèi)實現(xiàn)掃頻，從圖7多次掃描測量可以看出，通過該奈奎斯特圖來說，該電池的性能還是比較好的。

圖7 Panasonic18650鋰電池掃頻測量

Doublepow18650鋰電池定頻測量結(jié)果：最大阻抗為23.378毫歐，最小阻抗為23.366毫歐，平均為23.373毫歐。對比Panasonic18650鋰電池，相近的容量與阻抗（無Doublepow18650鋰電池的規(guī)格書）。

圖8 Doublepow18650鋰電池定頻測量

Doublepow18650鋰電池掃頻測量：掃頻模式下，是從1 Hz -1KHz范圍內(nèi)實現(xiàn)掃頻。從圖9多次掃描測量可以看出，通過采集得到的奈奎斯特圖可以得知，低頻段的測試重復(fù)性不是很好，反映出電荷轉(zhuǎn)移電阻穩(wěn)定性弱于Panasonic18650鋰電池。

圖9 Doublepow18650鋰電池掃頻測量

LG21700鋰電池定頻測量：最大阻抗為13.918毫歐，最小阻抗為13.904毫歐，平均為13.913毫歐。規(guī)則書1KHz交流阻抗典型值是14毫歐，通過對比該數(shù)據(jù)可以看出，該電池健康的狀況也是良好的。眾所周知，鋰電池的內(nèi)阻越低，電池的能量輸出能力就越強。內(nèi)阻越低，電池的充電和放電效率就越高，電池發(fā)熱也會減少，從而延長電池的壽命。因此，在選擇鋰電池時，內(nèi)阻是一個重要的考慮因素之一。

圖10 LG21700鋰電池定頻測量

從圖11的LG21700鋰電池掃頻測量可以看出，該電池狀態(tài)不錯。

圖11 LG21700鋰電池掃頻測量

接下來進行持續(xù)放電狀態(tài)下的電池阻抗檢測（以Panasonic18650鋰電池為例進行）。從3.5V開始用EIS模塊對電池不斷放電，由圖12可見，阻抗在不斷變大（在1KHz定頻下從不到22毫歐增加到超過25毫歐）。用EIS模塊的測試時間時長超過半天。

圖12 Panasonic18650定頻測量電池不斷放電

當Panasonic18650電池進入欠壓狀態(tài)時（小于2.8V），在1KHz定頻測量下阻抗數(shù)據(jù)大幅波動(見下圖)。

圖13 Panasonic18650定頻，2.8V欠壓狀態(tài)測量

四、總結(jié)

通過本次測評，我更深入地了解了一些能影響電池使用特性的參數(shù)，比如電池阻抗、電池高頻特性和低頻特性等。同時，在世健電化學阻抗譜測量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)的使用過程中，我也驗證了該模塊的優(yōu)勢：
* 體積小巧：與當今常用的手持電池測量儀比較，1K定頻測量精度基本相當；且體積小，成本更低。
* 除了定頻外，還提供掃頻功能，可同時檢測電解質(zhì)電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻，從而判斷電池老化與損壞情況。
Excelpoint世健電化學阻抗譜測量模塊(EPSH-EIS5941-V1.0)非常適合小型化的手持式電池內(nèi)阻測試儀器，能助力快速測量鋰電池的阻抗值及相關(guān)的電化學阻抗譜EIS信息。最后，再次感謝世健提供的EIS測試工裝與測試機會。

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