锂离子电池交流阻抗论文

摘要电化学阻抗谱是研究电极/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。本文讲述了阻抗模型的研究背景和研究意义。选用正极材料为LiFePO4的锂离子电池作为实际的研究对象，通过对电池的内部结构和工作原理的分析，结合电极动力学原理，采用基于电子运动理论的电极等效电路，同时考虑除电极以外的其他组成部分的等效元件，建立了电池阻抗模型。使用电化学测量仪器测量电池的电化学阻抗谱，通过对图谱曲线的特征分析，采用专业的电化学阻抗谱分析软件，对所测得的阻抗数据进行数据拟合、分析。关键词锂离子电池阻抗模型电化学阻抗谱等效电路AbstractElectrochemicalimpedancespectroscopyisoneofthemostpowerfultoolstoanalyzeelectrochemicalprocessesoccurringatelectrode/electrolyteinterfaces，andhasbeenwidelyusedtoanalyzetheinsertion/desertionprocessoflithiumionintheintercalationelectrodeforlithiumionbattery.ThispaperpresentstheresearchbackgroundandmeaningoftheImpedancemodel.LithiumionbatteryofLiFePO4aspositiveelectrodematerialischosenastheresearchobject，Throughtheanalysisofinternalstructureandworkprincipleofbatteryandcombinatio，withelectrodedynamicstheory，theequivalentcircuitofelectrodebasedonelectronmovementtheoryisadoptedandtheimpedancemodelofbatteryisestablished，withotherapartmentconsidered．Measuringtheelectrochemicalimpedancespectroscopyofbatterythroughelectrochemicalinstrument.accordingtothecharacterofimpedancespectroscopycurveandfrequencyresponseofequivalentelement.Impedancespectroscopydataisfittedandanalyzedbyspecialelectrochemicalsoftware．Keywords：lithiumionbattery;impedancemodel;electrochemicalimpedancespectroscopy;equivalentcircuit目录1．绪论.......................................................................................................11.1锂离子电池应用现状..............................................................................11.2现有方法及检测状况..............................................................................11.3电化学阻抗模型的研究意义.....................................................................12．电化学阻抗谱与等效电路..................................................................22.1交流阻抗的含义....................................................................................22.2阻抗的基本条件....................................................................................22.3等效元件的阻抗....................................................................................33．电池的制备..........................................................................................73.1锂离子电池原理....................................................................................73.2实验电池的制备...................................................................................74．模拟与分析..........................................................................................94.1阻抗模拟.............................................................................................94.2电极过程动力学模型............................................................................124.3扩散过程引起的阻抗............................................................................134.4结论.................................................................................................155．设计总结............................................................................................16参考文献..................................................................................................1711．绪论1.1锂离子电池应用现状随着科技的发展，人们对生活环境质量的要求愈来愈高，对相应的电池材料提出了更高的要求。目前，在日常生活和工业化领域中，锂离子电池是广泛应用的二次电池之一，与现有的可充放电池相比，它具有工作电压高，体积小，能量效率高，循环寿命长，不含重金属及有害物质，不污染环境等优点，是真正意义上的绿色电源，而且手机、手提电脑等数码产品的日益普遍使锂离子电池得到迅速的发展。已成为人们日常生活中必需品。小到从电子表、CD唱机、移动电话、MP3、MP4、照相机、摄像机、各种遥控器、儿童玩具等。大到从医院、宾馆、超市、电话交换机等场合的应急电源，电动工具。目前电动车，航天和储能方面需要的大容量锂电池也在竞相开发中，可见其应用前景广阔[1]。1.2现有方法及检测状况虽然现在的锂离子电池在方方面面应用都极其广泛，然而与锂离子电池相关的物理问题却往往被人们忽略。电池阻抗模型包含了可以表示电池性能的大量信息，研究表明电池的状态和性能与阻抗的变化密切相关[2]。因此，电池的阻抗模型研究成为了电池制造、检测、监控领域，以及动力电池领域的热点问题。所以建立正确电池阻抗模型具有重要的意义，可以方便研究影响电池性能的各个因素。为锂离子电池的发展和应用提供比较可靠的理论依据[3]。1.3电化学阻抗模型的研究意义这个课题研究属于理论应用范畴，并结合了一定的实际操作，具有一定的理论和实际意义。由于电池工作时其内部结构是不能够直接观察的，但是应用电化学阻抗谱法，通过测得的实验数据建立电池阻抗模型，就可以模拟出电池工作的原理。并通过数据求得模型中的元件参数。通过分析模型中的参数与电池荷电状态以及容量的关系，为阻抗模型中的有关参数的检测提供理论依据。22．电化学阻抗谱与等效电路2.1交流阻抗的含义一个未知内部结构的物理系统就像一个黑箱，其内部结构是未知的。但是，作为物理系统的这个黑箱有一个输入端及一个输出端。在其输入端给它一个激励信号（扰动信号），在其输出端就得到一个响应信号。如果这个黑箱的内部结构是线性的稳定结构，输出的信号就是扰动信号的线性函数。对黑箱的扰动及黑箱的响应都是可测量的。因而，可以在未知黑箱内部结构的情况下，通过扰动与响应之间的关系来研究黑箱的一些性质。用来描述对物理系统的扰动与物理系统的响应之间的关系的函数，被称为传输函数。一个系统的传输函数，由系统的内部结构所决定，且反映了这个系统的一些性质。通过对传输函数的研究，可以研究物理系统的性质，获得关于这个系统内部结构的有用信息。如果扰动信号X是一个小幅度的正弦波电信号，那么响应信号Y通常也是一个同频率的正弦波电信号。此时传输函数G(ω)被称为频率响应函数或简称频响函数。Y和X之间的关系可用下式来描述Y=G(ω)X式中，Y和X分别为响应函数与扰动函数的拉普拉斯(Laplace)变换；G(ω)是角频率ω的函数。应该说明，这里所指的扰动可以是任何种类的扰动，它可以是电信号、光信号或其他信号；扰动的形式也可以是多种多样的，可以是单个的或周期的脉冲、方波阶跃、方波交流、三角波交流或正弦波交流等等。本文我们只讨论正弦波交流的传输函数。交流阻抗理论就是通过对电池系统施加小幅电位扰动，通过输入的电位函数和测得的输出电流函数求得系统的传递函数。如果扰动信号X为正弦波电流信号，而Y为正弦波电压信号，则称传送函数G称为系统的阻抗[4]。2.2阻抗的基本条件不是任何状态下求出的G都能正确的表示电池的传递函数。在前面对频率响应函数作介绍时，我们在系统上加了稳定的线性系统的条件，还规定了输入的扰动信号与输出的响应信号部是角频率为ω的正弦波信号，因而它必须满足一些基本条件。这些基本条件是：因果性条件,稳定性条件,线性条件。事实上，只有在满足了三个基本条件的情况，才能保证对系统的扰动及系统的响应都是角频率为ω的正弦波信号。(1)因果性系统输出的信号只是对于所给的扰动信号的响应。所以，这就要求我们在对系统施加扰动信号的响应信号进行测量时，要排除任何其他噪声信号的干扰，以确保对体系的扰动与系统对扰动的响应之间的关系是惟一的因果关系。显然地，若系统受到了其他噪声信号的干扰，就会扰乱系统的响应，这就不能保证系统会输出一个与扰动信号具有同样角频率的正弦波响应信号。(2)线性系统输出的响应信号与输入系统的扰动信号之间必须存在线性的函数关系。不仅扰动信号与响应信号之间要具有因果关系的情况下，还要存在线性关系的条件下，两者才是具有同一角频率ω的正弦波信号。即使扰动信号与响应信号之间已经满足了因果性条件却不满足线性条件，响应信号中就不仅具有频3率为ω的正弦波交流信号，还包含其谐波。应该注意到电极过程的电流密度与电位之间不是线性关系。只有在电位信号的正弦波的幅值很小的条件下两者近似地为线性。故为