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性能缺陷或安全風險，則會引發整個模組或電池包的失效，甚至起火，這種現象可以稱之為電池包的“木桶效應”。“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壽命與使用安全。

二、現階段情況

鋰離子電池出貨前，通常會根據開路電壓（OCV）、容量、1000Hz ACIR、K值等參數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技術對鋰離子電池進行一致性篩分

電化學交流阻抗譜（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，并測量相應的響應信號，可以幫助研究人員理解鋰電池內部電化學反應的動力學特征，例如雙電層電容、電荷轉移過程以及離子擴散行為等[1-3]。圖1展示了鋰電池經典的EIS圖譜（Nyquist圖），其中不同的半圓代表著不同時間常數的電化學過程，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過程的容抗、阻抗大小。

圖1.鋰離子電池經典的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，也包含了中低頻段的離子反應過程，如果將其應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化的一致性篩分，減少“短板”電池的出現概率。

EIS測試通常需要使用“電化學工作站”這類昂貴且精細的設備，因此盡管有關EIS研究的文獻已近萬篇，但是多數使用場景仍停留在高校與研究所中，產業化的EIS應用幾乎沒有。此外，隨著電池容量越來越大，內阻越來越小，常規的電化學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）有限公司創新性推出了“工業級”EIS快速測試設備——電池一致性篩分儀（BCS6000），如圖2(a)所示。該設備可與手動式工裝夾具（如圖2(b)所示）或自動上料設備（如圖2(c)所示）聯用，快速地對動力或儲能的大容量電池進行EIS測試，并通過神經網絡算法對大批量電池進行一致性評估與精細化分組，確保組內電池高度一致。

圖3展示了10顆340Ah儲能電池的EIS對比圖。如果僅從EIS高頻區看，這10顆電池的電子電導幾乎一致，但是結合EIS中低頻區的數據看，Cell#8和Cell#10這兩顆電池的電荷傳質以及離子擴散等過程均與其他電池存在較大差異。結合神經網絡算法分析，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的規格線，即可剔除一致性較差的電池，或根據離散度進行梯度分組，確保組內電池的一致性。

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)電池自動上料設備

圖3.10顆340Ah儲能電池的EIS對比圖，以及通過神經網絡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.