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一、背景介紹
在新能源汽車自燃事故的調查報告里，電池失效總是令人心驚的關鍵詞。鋰枝晶生長、電極結構坍塌、SEI膜異常增厚等等，這些微觀“病變”該如何快速診斷？電化學交流阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）如同電池的“電化學聽診器”，記錄下電池內部的失效“心電圖”，而等效電路擬合（Equivalent Circuit Model, ECM）則是解讀該“心電圖”的“密碼本”。本文將以通俗易懂的語言帶你一步步理解和掌握這個“密碼本”，揭開電池失效的隱秘真相。
二、等效電路擬合的關鍵“零件”
等效電路擬合ECM，顧名思義，就是當我們拿到一條交流阻抗譜EIS曲線時，如果想要進一步分解其中的阻抗、容抗、感抗大小，需要先用電阻、電容、電感等理想的元器件進行一定的排列組合，使這些理想元器件的阻抗譜EIS能夠盡可能復現出實測的交流阻抗譜，那么我們就可以認為這個“組合”能夠代表這個被測電池內部的電化學反應，同時，這個“組合”所用的電阻、電容、電感大小即為這個被測電池內部電化學反應所受到的阻抗、容抗、感抗大小。
這邊要注意的是，由于鋰電池多孔極片的表面是粗糙且不均勻的，這會導致電勢和電流分布不勻，而理想的電容無法真實表征鋰離子電池的不均勻界面，因此在鋰電池EIS擬合中，會選用常相位角來代替純電容，用于校正這些偏差[1]。
那么先讓我們通過下表來看看常用于等效電路擬合的一些基礎元器件和常用組合吧：
三、等效電路擬合的實施過程
以下圖的EIS曲線為例（使用元能科技的電池阻抗測試儀BIT6000所得），我們可以先利用上述的關鍵“零件”，并結合文獻中的經驗，構建圖中右下角的等效電路，之后給定合適的初始值，即可通過非線性最小二乘法進行等效電路擬合，擬合結果如圖紅色實線所示，具體擬合數值如下表所示。隨著AI技術的不斷發展，也可借助AI工具進行高通量的EIS數據擬合，且可以越來越不依賴人為給定的初始值，實現智能化數據處理與分析。
四、等效電路擬合對于電池失效分析的意義
等效電路擬合可以精確地將EIS曲線劃分為幾個與電池老化失效原因相關的區域，并使得科研工作者們可以有效識別和量化分析電池老化過程中的內部演變。具體來說，每個區域的相關性如下[2]：
（1）在高頻區，歐姆電阻Rs代表了電池的導電性好壞。隨著電池不斷循環老化，Rs也會不斷增加，即代表電池的導電性在不斷降低，而導電性的降低又主要是由電解質分解和消耗引起的，因此Rs的變化常常被用來反映電解液的劣化程度。當然，集流體的腐蝕、導電碳的剝離、外電路的老化等等也會引起導電性的降低，但是它們的占比相對較小；
（2）在中頻區，由電阻RSEI和常相位角元件CPE1并聯的等效電路模型常常與SEI膜有關，其中RSEI表示鋰離子的擴散離子電阻，而CPE1-C則表示SEI膜的容抗大小。隨著電池不斷循環老化，SEI膜變厚，鋰離子穿越SEI的阻抗也越來越大，即RSEI不斷變大；
（3）由電阻Rct和常相位角元件CPE2并聯的第二個半圓則涉及陽極和陰極的電荷轉移過程，其中Rct和CPE2-C分別表示電荷轉移電阻和雙電層電容大小。隨著電池不斷循環老化，這些參數的演變過程非常復雜，不能簡單地歸結為活性鋰損失或活性材料的破損與失效；
（4）在低頻區，韋伯阻抗Rw主要反應了鋰離子的擴散行為，尤其是在活性材料里面的固態擴散過程。隨著電池不斷循環老化，極片的結構分解和材料的顆粒斷裂會引起Rw的不斷增加。
為了方便研究循環條件下的EIS演變過程，可以選擇元能科技自主研發的電池阻抗測試儀BIT6000，該設備可對電池施加0.2~30A的寬范圍電流，無需外接電流放大器，即可對幾百安時，甚至1000Ah的大容量、小內阻電池進行EIS測試，有效幫助動力或儲能電池進行電化學機理研究與老化失效分析。同時，該設備也可搭配任意充放電儀，實現電池在循環測試下的定期測試EIS，無需人為介入，無需來回搬運電池，也無需在兩臺設備（充放電儀與電化學工作站）之間來回切換，不僅省時省力，還降低了因來回切換接線而導致接觸電阻波動的風險。
五、結語
等效電路擬合不僅是數據處理的工具，更是一門連接微觀機制與宏觀性能的“翻譯藝術”。隨著AI與高通量技術的融合，未來的EIS分析將如同“自動駕駛”——工程師只需輸入數據，系統即可自動生成“診斷報告”。但萬變不離其宗，唯有深入理解等效電路背后的電化學原理，才能真正駕馭這場技術革命。
六、參考文獻
[1] J.B. Jorcin, M.E. Orazem, N. Pebere and B. Tribollet, CPE Analysis by Local Electrochemical Impedance Spectroscopy. Electrochim. Acta 51 (2006) 1473-1479.
[2] 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.
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