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一、背景介紹

在新能源汽車或儲能電站中，鋰離子電池常常會以多并串的形式組成模組或電池包（Pack）進行使用，如果其中某幾顆電池出現(xiàn)性能缺陷或安全風(fēng)險，則會引發(fā)整個模組或電池包的失效，甚至起火，這種現(xiàn)象可以稱之為電池包的“木桶效應(yīng)”。“木桶”的蓄水極限取決于“短板”的高度，因此合圍“木桶”所使用的“木頭”需要盡量保持高度一致。同樣，模組或電池包的壽命極限也取決于內(nèi)部性能最差的某幾顆單體電池，因此在電池出貨前，或在組裝模組、電池包前，對電池進行一致性篩分，能夠提高電池的梯次利用率，并有效保障新能源汽車或儲能電站的循環(huán)壽命與使用安全。

二、現(xiàn)階段情況

鋰離子電池出貨前，通常會根據(jù)開路電壓（OCV）、容量、1000Hz ACIR、K值等參數(shù)對電池進行分級處理，但是這些基本都屬于電子電阻的測試范疇，而對于離子電阻幾乎沒有進行評估與考量。此外，在模組或電池包的裝配前，也幾乎沒有對電池再次進行一致性評估與分類，這些都會增加“短板”電池的出現(xiàn)概率，進而影響整個模組或電池包的壽命與性能。

三、利用EIS技術(shù)對鋰離子電池進行一致性篩分

電化學(xué)交流阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）通過向鋰離子電池施加小幅度的電流或電壓激勵信號，并測量相應(yīng)的響應(yīng)信號，可以幫助研究人員理解鋰電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特征，例如雙電層電容、電荷轉(zhuǎn)移過程以及離子擴散行為等[1-3]。圖1展示了鋰電池經(jīng)典的EIS圖譜（Nyquist圖），其中不同的半圓代表著不同時間常數(shù)的電化學(xué)過程，而利用圖1右下角的等效電路可以對EIS圖譜進行擬合，從而獲取每個電化學(xué)過程的容抗、阻抗大小。

圖1.鋰離子電池經(jīng)典的EIS圖譜（Nyquist圖）

由于EIS屬于多頻段分析，因此不僅包含了高頻段的電子電導(dǎo)，也包含了中低頻段的離子反應(yīng)過程，如果將其應(yīng)用于電池出貨前或電池包裝配前的檢測，則可以對電池進行更為精細(xì)化的一致性篩分，減少“短板”電池的出現(xiàn)概率。

EIS測試通常需要使用“電化學(xué)工作站”這類昂貴且精細(xì)的設(shè)備，因此盡管有關(guān)EIS研究的文獻已近萬篇，但是多數(shù)使用場景仍停留在高校與研究所中，產(chǎn)業(yè)化的EIS應(yīng)用幾乎沒有。此外，隨著電池容量越來越大，內(nèi)阻越來越小，常規(guī)的電化學(xué)工作站已無法滿足該類鋰電池的EIS測試了，需要額外搭配大量程的電流放大器，這更進一步增加了測試成本。

為了解決該問題，元能科技（廈門）有限公司創(chuàng)新性推出了“工業(yè)級”EIS快速測試設(shè)備——電池一致性篩分儀（BCS6000），如圖2(a)所示。該設(shè)備可與手動式工裝夾具（如圖2(b)所示）或自動上料設(shè)備（如圖2(c)所示）聯(lián)用，快速地對動力或儲能的大容量電池進行EIS測試，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對大批量電池進行一致性評估與精細(xì)化分組，確保組內(nèi)電池高度一致。

圖3展示了10顆340Ah儲能電池的EIS對比圖。如果僅從EIS高頻區(qū)看，這10顆電池的電子電導(dǎo)幾乎一致，但是結(jié)合EIS中低頻區(qū)的數(shù)據(jù)看，Cell#8和Cell#10這兩顆電池的電荷傳質(zhì)以及離子擴散等過程均與其他電池存在較大差異。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析，也可獲得這10顆電池的離散度分布曲線，我們只需要制定相應(yīng)的規(guī)格線，即可剔除一致性較差的電池，或根據(jù)離散度進行梯度分組，確保組內(nèi)電池的一致性。

圖2.(a)電池一致性篩分儀（BCS6000）的實物圖；(b)手動式工裝夾具；(c)電池自動上料設(shè)備

圖3.10顆340Ah儲能電池的EIS對比圖，以及通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析得到的離散度分布曲線

參考文獻

[1] W.X. Hu, Y.F. Peng, Y.M. Wei and Y. Yang, Application of Electrochemical Impedance Spectroscopy to Degradation and Aging Research of Lithium-Ion Batteries. J. Phys. Chem. C 127 (2023) 4465-4495.[2] T. Osaka, D. Mukoyama and H. Nara, Review-Development of Diagnostic Process for Commercially Available Batteries, Especially Lithium Ion Battery, by Electrochemical Impedance Spectroscopy. J. Electrochem. Soc. 162 (2015) 2529-2537.

[3] A. Battistel and F.L. Mantia, On the Physical Definition of Dynamic Impedance: How to Design an Optimal Strategy for Data Extraction. Electrochim. Acta 304 (2019) 513-520.