导言
在瞬息万变的能源存储领域，准确表征和监测电池性能变得越来越重要。在 SINEXCEL-RE，我们的使命是提供精确、可靠和高效的电池测试解决方案，而电化学阻抗光谱仪（EIS）是我们武器库中最强大的工具之一。.
原则和关键概念
电化学阻抗光谱（EIS）或交流阻抗光谱是一种非破坏性电气测量技术，用于探测电池等设备的内部电化学行为。一般来说，EIS 在电池上施加一个小的交流或电压信号，并在很宽的频率范围内扫描该信号，同时测量系统的响应。通过阻抗分析响应，EIS 将提供有关内部电阻、电容、电荷转移过程和扩散效应的信息。.
阻抗的数学定义是
在哪里？
- 是施加的小交流电压（复振幅）
- 为当前响应（复数）
- 是实部（电阻）
- 为虚部（无功）
由此还可以计算出 规模 和 相位:
这些随频率变化的数值有两种常见的绘制方式：
- 奈奎斯特图地形图（虚）与（实）
- 博德图：曲线图和相位频率
 |  |
a.奈奎斯特图 | c.博德图 |
 | |
c.等效电路 | |
图 1：典型 EIS 响应示意图
上图 1 展示了电化学阻抗能谱仪 (EIS) 中使用的三种基本视觉效果。奈奎斯特图在 x 轴上显示实阻抗，在 y 轴上显示负的虚分量，其典型特征是一个半圆代表电荷转移电阻，其后是一个 45° 的沃伯格尾巴，表示离子扩散。Bode 图显示阻抗的大小和相位角如何随频率变化，从而反映出电阻、电容和扩散控制行为之间的转换。最后，等效电路图（Randles 电路是常见的等效电路图）用欧姆电阻、双层电容、电荷转移电阻和沃伯格扩散阻抗来模拟这些电化学过程。总之，这三种视觉效果为通过 EIS 理解电池内部动态提供了一个完整的解释框架。.
为什么 EIS 对电池测试如此重要？
对于像 SINEXCEL-RE 这样的公司来说，专门经营 高精度电池测试系统, 因此，EIS 是一种必要而非选择。它是非破坏性的，因此可以在循环和老化研究期间进行多次测量，甚至可以在进行质量控制测试的项目上进行测量，而不会影响电池的性能。EIS 还能深入了解内部过程，高频可探测欧姆电阻，中低频可揭示电荷转移和扩散受限行为，例如与离子扩散相关的沃伯格阻抗。此外，它还提供与充电状态 (SoC)、健康状态 (SoH) 和降解趋势相关的特征，从而提供适当的健康和状态估计，进一步增强了先进的 BMS 功能。最后，EIS 具有灵活性和可扩展性，可无缝融入单个电池、模块或完整电池组的工作流程，因此非常适合研发和量产质量控制。.
EIS 如何运作：关键步骤和注意事项
以下是电池测试系统中进行 EIS 的简化流程：
| 步骤 | 说明 | 说明/要点 |
| 1.单元设置 | 在受控环境中将电池/电芯连接到测试系统（如恒电位仪或电池测试系统）。. | 确保稳定和可重复的条件。. |
| 2.应用扰动 | 如果需要，在直流偏压上叠加一个小的正弦交流信号（几毫伏或电池电压的一小部分）。. | 交流信号应足够小，以保持在线性响应区域内。. |
| 3.扫频 | 在较宽的频率范围（千赫兹至兆赫兹）内扫描信号，以捕捉所有相关的电化学动态。. | 高频探测电荷转移；低频探测扩散和质量传输。. |
| 4.测量响应 | 测量每个频率的电流响应（如果是电压控制）或电压响应（如果是电流控制）；记录振幅和相位滞后/前导。. | 精确测量相位和幅值对阻抗计算至关重要。. |
| 5.分析阻抗 | 根据记录的数据计算复阻抗，绘制奈奎斯特图和波特图，并与等效电路模型 (ECM) 进行拟合。. | 提取电阻、电容和扩散系数等有意义的参数。. |
| 6.解读结果 | 使用提取的参数来评估电池的健康状况和性能。. | 例如电阻增加 → 老化；扩散变化 → 电极/材料降解。. |
挑战与最佳做法
虽然 EIS 功能强大，但实际测量也面临挑战：
| 挑战/考虑 | 说明 | 最佳做法/注意事项 |
| 时间 | 低频 EIS 测量速度较慢，有时每次扫描需要 10 多分钟。. | 使用优化的频率范围、多正弦或快速扫描技术来缩短测量时间。. |
| 噪音与精度 | 微小的阻抗变化，尤其是在低阻抗电池中，需要高灵敏度。. | 确保适当的屏蔽、低噪音仪器和稳定的环境条件。. |
| 模型模糊 | 选择合适的等效电路模型并非易事，错误的选择会导致误导性的结果。. | 将细胞化学知识与模型拟合相结合；根据实验数据验证模型。. |
| 在线实施 | 由于测量时间较长，将 EIS 集成到实时 BMS 中具有挑战性。. | 使用快速算法（FFT、多正弦激励）和自适应采样，实现实用的在线监测。. |
未来的 EIS 和智能电池系统
展望未来，EIS 正在成为智能、自适应电池管理的关键推动因素。值得关注的趋势包括
- 在线和实时 EIS：将 EIS 集成到电池管理系统中，在不中断运行的情况下执行定期阻抗测量，有助于预测老化、故障，甚至避免故障。.
- 快速 EIS 技术：使用非正弦信号（如方波激励或多正弦激励），再加上信号处理（如 FFT 或拉普拉斯变换），可大幅缩短测量时间。.
- 机器学习 + EIS：将数据驱动模型应用于 EIS 频谱，以估算电池的健康状况或剩余使用寿命。.
结论
EIS 不仅仅是一种诊断技术，更是一扇了解电池灵魂的窗口。对 SINEXCEL-RE 来说，利用 EIS 意味着提供世界一流的电池测试和储能解决方案，这些解决方案准确、可靠且具有洞察力。通过 EIS 与我们提供的经过验证的测试系统和数据分析能力相结合，我们为客户（从电池制造商到电网规模的储能运营商）提供了比以往任何时候都更好地了解、监控并最终优化其储能资产的能力。.
如对 SINEXCEL-RE 如何将 EIS 与您现有的测试（或存储）基础设施连接感兴趣，请联系 联系我们 讨论定制功能。.
常见问题
- 什么是 EIS？
请回答： EIS 测量电化学系统（如电池或燃料电池）对不同频率的微小交流信号的抵抗和反应。.
- 它是如何工作的？
请回答： 施加一个小的交流电压，测量产生的电流，然后计算不同频率的阻抗。.
- EIS 能告诉我们什么？
请回答： 它能显示电荷转移电阻、电容、离子扩散、腐蚀率以及电池或燃料电池的健康状况。.
- 为什么使用 EIS？
请回答： 它是非破坏性的，可以分离不同时间尺度的过程，并详细了解电化学反应。.
