基于电化学阻抗谱的锂电池过充电阻抗特性与检测方法研究

目前以锂电池为主的电化学储能单元及系统应用日益广泛,而锂电池在实际使用中频发因过充电滥用引发电池故障的情况,因此实际电池的过充电状态准确检测一直是该领域的难点和瓶颈问题。针对此,该文采用电化学阻抗谱技术对单体电池过充电行为及过程开展检测研究,在实验室设计并制定电池过充电模拟循环实验,利用弛豫时间分布法对锂电池阻抗特性进行分析;在获得电池阻抗特性的基础上,对电池弛豫时间分布曲线进行解析;最后筛选阻抗特征参量为模型输入量,构建支持向量机模型进行电池过充电检测。结果表明,弛豫时间分布曲线中的极化峰P1对应锂离子在固态电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)膜中的扩散过程、极化峰P2对应电子在正极材料中的扩散过程、极化峰P3对应锂离子在电极界面的氧化还原反应。过充电会导致电池欧姆内阻、SEI膜内阻与电荷转移电阻的增长速率最大为正常循环的266%、360%和182%,其中固态电解质界面SEI膜内阻为主要因素。电化学阻抗谱的阻抗特征参量以及支持向量机模型可以用于锂电池过充电检测,估计精度达93.24%。不仅可掌握电池的运行状态,还可对过充电进行有效辨识。

基于SVR和电化学阻抗谱的锂电池内部温度在线估计

准确实时地监测锂电池内部温度对于预防电池热失控至关重要。然而,目前尚缺乏有效的在线监测电池内部温度的方法。基于小型化阻抗测试系统,对锂离子电池在不同温度和荷电状态(SOC)下进行阻抗测试实验,研究电池温度和SOC对阻抗的影响,寻找与温度强相关而与SOC弱相关的特征频率。在此基础上,提出了一种基于支持向量回归(SVR)算法的锂电池内部温度估计算法,无需额外传感器,实现对电池内部温度的无损准确估计。

电化学理论与实验相结合的教学实践——以三电极体系测定电化学阻抗为例

针对电化学实验教学中存在教学方式过于传统,理论与实验教学相互割裂的问题,以三电极体系测定电化学阻抗为例,引导学生从实验中挖掘理论,分析三电极体系在电化学检测中的必要性,并用理论去解析电化学阻抗实验数据。通过这一教学实践,不仅帮助学生更好地理解界面电化学的微观过程,还提高学生独立设计阻抗实验的能力。将实验导向理论,用理论指导实验,实现理论和实验充分融合,有利于促进电化学实验的教学质量和学生科研思维的提升。

阴极Mg^(2+)污染物对PEMFC电化学性能及电化学阻抗影响

质子交换膜燃料电池经过长期运行后,其部件(弹性垫片、极板等)会发生损伤,并产生金属离子污染物(如Ca^(2+)、Mg^(2+)),这将影响燃料电池长期运行的稳定性和耐久性。通过向燃料电池阴极空气流中添加不同浓度(100、300和500 mg/L)的Mg^(2+)溶液,研究了极化曲线以及电化学阻抗谱,分析了阴极Mg^(2+)污染物对燃料电池电化学性能及电化学阻抗的影响。极化曲线实验结果表明3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均对燃料电池的电化学性能有明显负面影响,污染后的燃料电池的电流密度出现下降,且下降程度与阴极Mg^(2+)污染物浓度和污染时间呈正相关。极化曲线理论分析结果表明:3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均显著影响质子交换膜的渗透性并增大质子交换膜对氢离子的阻抗,且污染时间越长,质子交换膜性能恶化越严重。电化学阻抗谱分析结果表明:3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均会增大质子交换膜对氢离子的阻抗以及阴极法拉第电阻,且质子交换膜对氢离子的阻抗随污染时间增加而增大;阴极双电层结构受这3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物影响不明显。

基于电化学阻抗谱的石灰石粉硬化水泥浆体孔结构演化研究

为了研究大掺量(质量分数为20%以上)石灰石粉硬化水泥浆体的孔结构演化行为,本文基于电化学阻抗谱(EIS)、压汞(MIP)测试分析,探究大掺量石灰石粉对硬化水泥浆体EIS拓扑结构和孔结构参数的影响规律,并建立大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的微观结构等效电路,研究等效电路中元器件和孔结构参数之间的关系。结果表明:随水化龄期的延长,石灰石粉掺量对EIS拓扑结构参数中Bode角和θ_(max)的影响规律显著,大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的孔径分布整体由大孔和毛细孔向过渡孔和凝胶孔发展演化;另外,EIS等效电路中电阻随硬化水泥浆体中毛细孔含量的增加而减小,电容随硬化水泥浆体中凝胶孔含量的增加而减小。

基于电化学阻抗谱的电池组不一致性诊断

电池组中的单体电池之间可能会存在温度、荷电状态、老化状态(容量和内阻)等不一致。由于“短板效应”的存在,不一致性将会影响电池组的整体性能发挥,及时准确地进行不一致性诊断非常必要。考虑到上述提及的不一致性会对电极过程特性产生影响,进而反映在电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)上,本文在结合等效电路厘清几种不一致性对EIS和DRT的影响规律后,创新性地提出了一种基于EIS和DRT的电池组不一致性诊断方法。通过将异常电池混入一组一致性良好的电池中,对比分析了K-means、AP和DBSCAN等无监督聚类算法性能,结果表明DBSCAN诊断准确率为99.2%,可以实现电池组内单体电池不一致性差异的准确诊断。

基于电化学阻抗谱的锂离子电池分级安全预警方法

电化学阻抗谱(EIS)是一种无创原位检测和无损检测方法,可以反映电池内部不同结构的状态。基于EIS的指标可以作为故障预警的重要和优良指标,解决不及时和误报的问题。根据不同过充阶段的EIS特点,分阶段建立了与之对应的分数阶模型。用固态电解质相间膜电阻(R_(SEI))和电荷转移电阻(R_(ct))来表示中频段两个电弧随过充的变化。基于与电池内部结构损伤相关的R_(SEI)和R_(ct)指标,提出了三级预警方法。同时采用了新电池和循环老化过的软包电池进行了不同倍率的过充实验,验证了该方法的可靠性。

电化学阻抗谱机器学习评估动力电池状态研究进展

退役动力锂电池(额定容量80%以上)梯次利用可有效缓解电池回收和环境污染压力,提高资源利用率和经济效益,然而对其进行快速、无损和准确的状态评估仍是一个挑战。与其他已报道的方法相比,电化学交流电测量电池并收集数据绘制阻抗谱图是研究电池状态的核心方法,具有快速、无损这两种优势。通过这种方式检测的电池可以建立起内部阻抗和状态相关性,快速完成电池状态评测。电化学阻抗谱图的分析方法主要包括依靠测量数据和机器学习的方法进行阻抗的预测,依靠等效电路图对电路各个等效元件的变化情况进行分析,以及用积分算法将阻抗谱图转化为更直观的弛豫时间分布图谱。这些方法都提供了电池内部老化情况的分析方法,为电池内部阻抗和健康状态之间的联系提供了电化学方面的基础。基于此,综述了电化学阻抗谱结合机器学习评估动力锂电池状态在国内外最新研究进展,重点针对电化学阻抗谱、等效电路模型、弛豫时间分布和机器学习之间的关系进行总结和探讨。

机器学习强化的电化学阻抗谱技术及其在锂离子电池研究中的应用

随着电气化的发展,全球动力电池和储能电池的需求迅猛增加。然而,人们对电池使用安全性和可靠性的关注使得电池老化状态的精准诊断和预测成为电池界重要且富有挑战的研究领域之一。电化学阻抗谱(EIS)因其可以解耦电池内部不同频域过程常被用于电池复杂老化过程状态的解析,而通过机器学习方法不仅可以高效获取和解析EIS数据,而且可促进对电池老化和失效机制的深入理解。本文综述了近年来机器学习方法在EIS技术中的应用,重点讨论了通过机器学习获取和解析EIS数据,进而实现对电池寿命评估预测。此外,本文讨论了数据融合方法在实现电池老化行为分析和寿命预测中的前景,当前机器学习在EIS研究中存在的局限性,以及对未来基于EIS实现电池寿命预测进行了展望。

GB/T 39482.3—2020涂漆和未涂漆金属试样的电化学阻抗谱(EIS)第3部分:从模拟电解池获得数据的处理和分析的标准解析

简述了GB/T3 9482.3—2020涂漆和未涂漆金属试样的电化学阻抗谱(EIS)第3部分:从模拟电解池获得数据的处理和分析的原因,对标准的主要内容进行了简要介绍。本标准的制定使得国内涂料行业内有关该项目指标的测定方法能够很好地统一起来,且方便进入国际市场,并规范和促进涂料行业的发展。

基于电化学阻抗谱的电芯内部温度估计研究

锂离子电池在新能源汽车和储能领域的广泛运用带来了内部状态估计方面的挑战,尤其是电芯内部温度的准确估计,这对于电池的热失控预警至关重要。本文回顾了经典的无传感器电池温度检测方法,介绍了目前采用的基于电化学阻抗谱(EIS)的温度估计方法,研究了电池内部参数对EIS估算温度的影响,分析了大容量三元锂离子动力电池在不同频率下阻抗幅值、相角与温度之间的关系,提出了一种基于电化学阻抗谱的锂离子电池在线温度估计模型,通过分析不同频率下的阻抗幅值、相角与温度的关系,实现了对电池内部温度的准确估计。研究表明适合使用阻抗幅值信息来估算温度的频率点为10 Hz,适合使用阻抗相角信息来估算温度的频率点为17.5 Hz。该模型在-20℃到45℃的范围内,使用阻抗幅值进行温度估算的最大误差为3.79℃,使用阻抗相角信息进行温度估算的最大误差为2.69℃。验证结果表明,使用阻抗谱的幅值与相角信息能有效估算电池内部的真实温度。本研究有助于提升汽车BMS的采集功能,可用于改善电池热管理和热失控的管理策略。

基于电化学阻抗谱的锂电池模组短路故障诊断方法研究

电化学阻抗谱能够反映电池内部关键状态信息,利用电化学阻抗谱可实现对电池的监测及故障诊断,避免发生安全事故。针对电动汽车在充电时发生安全事故的概率最高且大部分是由电池短路所引起的问题,设计了一种能够在电池充放电时提取电池模组与电池单体阻抗信息的充电桩装置,对锂电池模组短路故障诊断方法进行了研究。首先,详述了所设计充电桩的拓扑与控制方法以及电池模组阻抗测量的原理;然后,通过仿真验证了充电桩可以在对电池模组进行充放电的同时提取其阻抗信息,并分析对比了两种扰动信号的优劣、不同程度短路故障下电池单体与电池模组的阻抗变化以及不同支路的电池发生短路时对模组阻抗的影响;最后,得到了短路故障下电池单体与电池模组的阻抗谱都会缩小并向左移动,并且短路电池越集中在同一支路,模组的阻抗变化越明显的结论。

基于还原氧化石墨烯-聚苯胺/纳米金复合纳米材料的阻抗型电化学适配体传感器检测啶虫脒

基于纳米金(Aunanoparticles,AuNPs)/还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)-聚苯胺(polyaniline,PANi)复合材料制备一种高灵敏、高选择性的啶虫脒(acetamiprid,ACE)电化学适配体传感器(6-巯基-1-己醇(6-mercapto-1-hexanol,MCH)/Apt/AuNPs/rGO-PANi)。采用透射电镜、X射线衍射和扫描电镜/能谱等多种技术对所合成的纳米材料及电极的修饰界面进行了表征,确证了形貌及结构。使用电化学技术研究不同电极的电化学性能,发现AuNPs/rGO-PANi复合材料修饰电极具有较大的电化学活性面积和优异的电子传输能力,可为适配体的固定及电化学检测ACE提供一个理想的平台。在最优条件下,MCH/Apt/AuNPs/rGO-PANi对ACE检测的线性范围为1.0~100000.0 ng/L,检出限为0.15 ng/L(信噪比=3)。100倍的常见共存农药分子不会对ACE的检测产生明显干扰,将该适配体传感器用于青瓜和红薯叶样品检测,回收率为94.5%~98.5%,结果的准确性也得到了液相色谱-质谱法的验证。

基于电化学阻抗法的油液在线监测传感器应用特性研究

大型机械装备润滑系统油况的在线监测是润滑故障诊断的关键技术之一,难点在于准确监测水分异常和润滑油老化失效临界点。根据油液老化过程缓慢且复杂、各种因素导致润滑油阻抗值变化的特性,研究基于电化学阻抗谱技术的油况传感器;通过连续在线监测不同润滑油状态下传感器的体相阻抗、界面阻抗和高频阻抗的变化趋势,发现体相阻抗、界面阻抗和高频阻抗的数据趋势可以用来判断油的状况,具体表现为润滑油状态影响传感器体相阻抗数值和界面阻抗数值,添加剂状态影响界面阻抗数值;油液使用时间越长,老化程度越高,体相阻抗值越高;污染物和分解产物影响高频阻抗数值。介绍油液状态传感器的实现原理,通过实验和工程论证油液状态传感器监测水分和润滑油老化失效临界点的可行性。结果表明,在特定应用场景下,电化学阻抗谱油液传感器能区分不同油液状态,能准确监测润滑系统水分异常和老化失效临界点,为设备润滑安全运维策略提供依据。

氯化钾溶液电化学阻抗测量过程中的等效电路模型研究

等效电路模型是溶液电化学阻抗测量过程中研究其复杂物理化学过程的重要手段,在溶液电导率测量仪等设备的工程技术研发中具有重要的应用。本文选取氯化钾溶液为研究对象,使用电化学工作站和铂黑平行双电极测量0.01 mol/L至1 mol/L氯化钾溶液的阻抗谱,采用Lima和Randles两种等效电路模型对测量结果进行拟合并对比两个模型的精度。基于测量过程中不同频段下溶液的导电物理化学机制不同的事实,对测量结果进行分频段模拟以进一步提高模拟精度,并在Lima和Randles等效电路模型的基础上简化出高频等效电路模型。采用高频等效电路模型对在高频下不同浓度溶液的电导率测量结果进行模拟,对比并分析了浓度不同所引起的溶液内物理化学过程的差异。

用电化学阻抗谱(EIS)研究环氧树脂涂层的防腐蚀性能

测试了环氧树脂/钢体系在3.5%NaCl溶液中的电化学阻抗谱,并结合激光拉曼光谱测量和扫描电镜观察,系统地研究了有机涂层/金属体系性能与失效过程。重点在于涂层内部腐蚀性介质的传输以及涂层/金属界面发生的变化。结果表明:浸泡初期阻抗减小,中期阻抗增大,后期阻抗又减小,这与界面处生成的腐蚀产物膜有关。随着涂层在电解质溶液中浸泡时间的延长,涂层中Cl-浓度增加,破坏了界面处的腐蚀产物膜。

Ti-48Al-2Cr-2Nb钝化膜的电化学性能及形成机理

探究Ti-48Al-2Cr-2Nb合金钝化膜的耐腐蚀性和形成机理对提高电解加工过程中的抗杂散腐蚀具有重要意义。通过极化曲线确定了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的钝化电位,采用X射线光电子能谱确定了钝化膜的成分与结构,并运用电化学阻抗谱和Mott-Schottky理论分析了钝化膜的电化学性能。结果表明,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在NaNO_(3)电解液中钝化电位区间为0.079~1.896V,钝化膜主要成分为Al_(2)O_(3)、TiO_(2)及少量的Nb_(2)O_(5),呈双层多孔结构,具有良好的耐腐蚀性。钝化膜具有n型半导体特性,载流子密度随钝化电位的增加而降低。最后,构建了钝化膜形成示意图,揭示了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金钝化膜的形成机理与成相膜理论相符,以半球体模型延展并形成独立的相。

灰土电化学阻抗谱(EIS)与力学性能的试验研究

在电化学体系研究和分析中,电化学阻抗谱的拓扑结构是一项十分重要的内容。把灰土的的电化学阻抗谱性质和其抗剪强度指标联系起来,可以得出一定关系,这为灰土的力学性能测试提供一个新的方式和途径。通过对不同龄期的灰土电化学测试,得出Nyquist图和Bode图,用相应的等效电路模拟其电化学阻抗谱并得出其参数;结合灰土的内部反应机理,分析参数变化过程,以及与相应龄期灰土抗剪强度指标的关系。试验结果表明:灰土的硬化过程可以分为前期和相对稳定期;其阻抗谱在前期呈现准Randles模型,相对稳定期呈现非Randles模型;通过等效电路模拟,得出其电路的参数:灰土溶液电阻Rs、灰土内部双电层CPE、电荷转移电阻Rt以及扩散阻抗ZW。随着龄期的增长,Rs、Rt、ZW在不断增大,CPE不断减小;通过灰土内部反应机理与等效电路参数的分析,灰土的黏聚力c、内摩擦角φ可以用参数α,β表示出增长的关系。

非饱和粉质黏土中毛细作用对X70钢电化学腐蚀行为的影响

【目的】探究毛细作用对X70钢在土壤中腐蚀的规律。【方法】基于非饱和土与电化学阻抗谱理论,结合极化曲线技术(PC)、电化学阻抗技术(EIS)、扫描电子显微镜(SEM)等测试方法,在室内条件下通过一维土柱仪的模拟试验研究了粉质黏土中毛细作用对X70钢的电化学腐蚀行为。【结果】试验结果表明,毛细作用对X70钢的电化学腐蚀行为具有一定的影响,即在土柱12 cm、27 cm高度位置处的钢片腐蚀速率随埋置时间先增大后减小,在土柱42 cm、57 cm高度位置处的钢片腐蚀速率随埋置时间先减小后增大;毛细水在粉质黏土中的上升速率满足先快后慢的规律。【结论】X70钢片表面的腐蚀类型以点蚀为主,且腐蚀产物表面伴有较深较宽的裂缝,随着土样高度的增加,腐蚀程度降低,整体上腐蚀坑的大小和数目均呈现出减小趋势;毛细水上升过程中,当X70钢片处于固-液-气三相界面(TPB)时,其腐蚀速率最快,腐蚀程度最严重。

用电化学阻抗谱(EIS)最大相角频率(f_(θmax))法快速评价风电涂料

应用电化学阻抗谱Bode图,求出最大相位角处频率fθmax,应用fθmax与涂层电阻Rc的线性关系,现场快速评价有机涂层性能。用该法对几种风电涂料进行了评估,对聚氨酯类风电涂料的防腐机理进行了讨论。分析表明,本法既可作为快速定性比较评价涂层性能的方法,也可作为涂料生产企业质量控制的一种快速有效的方法。