电池优劣怎么测？电化学阻抗谱(EIS)帮您忙

 

电池作为一种储能装置，在日常生活中经常被用到。按照充电性质区分，电池可分为一次性电池和充电电池两类，本文将分别以一次性碱性电池和可充电锂电池为例。碱性电池用后不可再充电，因此基本不以电量多少来衡量，而是以工作电压的大小为主，常见的有1.5V碱性电池、9V电池等。锂电池则可以通过外部充电装置进行充电并支持循环使用，因此，现在大多数设备的电源基本都被锂电池所替代。但由于厂家技术水平不同，市面上锂电池的质量参差不齐，因此，对锂电池进行快速检测并判断其质量优劣极为重要。

 

技术型授权代理商Excelpoint世健在储能市场及相关电化学领域深耕多年，对市场一直保持着敏锐的洞察力。世健发现，市场对于锂电池的测试与检测技术的要求越来越高，在保证电池稳定、可靠的基础上，迫切希望能最大化地提升其性能。

 

于是，世健技术团队基于电化学阻抗谱(EIS)技术，自主研发了一款电化学阻抗谱测量模块(EPSH-EIS5941-V1.0)。该模块支持定频和扫频两种工作模式，并具有高集成度和低成本等特点，特别适合小型化的手持式电池内阻测试仪器，可助力快速测试测量锂电池的具体电化学特征信息。

 

那么，什么是电化学阻抗谱(EIS)呢？
 

Excelpoint世健邀请了21IC资深工程师进行测评分享。
 

 

电化学阻抗谱(EIS)的定义与硬件构成

电化学阻抗谱是一种测量电化学系统中电化学反应和电荷传递过程的技术。它通过在电化学系统中施加交流电信号，然后测量系统对信号的响应来获得信息，属于一种无损的参数测定和有效的电池动力学行为测定方法。一般影响电化学阻抗谱的结果主要有：被测电池的电池结构、电解质、电池容量、电极材料和电池内阻等等。与此同时，EIS中的数据信息常用奈奎斯特图或波特图直观地进行显示。在电化学阻抗谱中，通常1KHz的定频测量针对电池中的电解质电阻值，该电阻值随着电池的老化而增加；而1Hz到1KHz的扫频测量则针对电池的电荷转移电阻，从而揭示电池随温度和充电状态SOC的不同而变化的规律。

 

世健这款电化学阻抗谱测量模块(EPSH-EIS5941-V1.0)的硬件主要由电源、接口、AD5941的传感器信号调理和处理器几部分组成，主要芯片有ADI AD5941、ADG636、AD8694、ADM7155与ATSAML21等。其信号链流程如图1所示，硬件配套与硬件主板如图2和图3所示。

图1 EPSH-EIS5941-V1.0 信号链图2 EPSH-EIS5941-V1.0的主板与测试工装图3 EPSH-EIS5941-V1.0主板电路

 

EIS测量模块的基本特性:

工作模式：支持扫频和定频两种

扫频模式：取电池测量的关键频段1Hz ~1KHz（AD5941支持扫描范围0.015Hz-200KHz）

定频模式：1KHz

精    度：优于0.1%(定频 1KHz)

供    电：USB 5V

通讯接口：USB-PC

 

 

电化学阻抗谱(EIS)的软件

硬件介绍完，接下来看看软件的安装与使用。其实软件方面官方提供的还是比较简单易操作的，主要需要注意的是：先安装labview和visa530full.exe，再使用EIS软件，否则会有报错信息或者打不开串口等等，如图4所示。

图4 EIS报错提示

软件安装就不与大家展示了，基本上是正常安装即可，剩下的就是等待了。软件安装完成之后，建议先重启一下电脑，方便环境变量或者其他配置可以正确地配置成功，否则可能会有一些不可思议的问题发生，会影响使用。

接下来就是正常使用软件了：打开EIS，可以看到左侧是串口的基础配置，右侧是对电化学阻抗谱测量模块的扫频信息和采样点的参数设置。当基础配置都设置好之后，需要按一下模块的K1的复位按键，保证设置参数均为正常。

注：这里建议同一电池先测试定频，再测试扫频。

 

 

电化学阻抗谱(EIS)测试

电池的不同品牌、不同型号、不同容量，都可能会存在不一样的电化学阻抗谱，因此测试一定要有定量与变量。因此，这里将用不同品牌的电池作为变量来测试电池阻抗与电池扫频模式下的奈奎斯特图。本次测试分别选取倍量Doublepow18650锂电池(3.7V, 12580mWh, 3400mAh)、Panasonic18650锂电池(NCR18650GA, 3.6V, 3450mAh)与LG21700锂电池(INR21700M50LT, 3.7V, 5000mAh)，来参与本次的电化学阻抗谱(EIS)测试。

图5 参与测试的三种品牌电池

Panasonic18650锂电池定频测量：最大阻抗为21.884毫欧，最小阻抗为21.874毫欧，平均为21.879毫欧。规格书1KHz交流阻抗小于38毫欧，典型阻抗为25毫欧。实测阻抗小于典型阻抗，该电池健康状态良好。

图6 Panasonic18650锂电池定频测量

Panasonic18650锂电池扫频测量：扫频模式下，是从1 Hz -1KHz范围内实现扫频，从图7多次扫描测量可以看出，通过该奈奎斯特图来说，该电池的性能还是比较好的。

图7 Panasonic18650锂电池扫频测量

Doublepow18650锂电池定频测量结果：最大阻抗为23.378毫欧，最小阻抗为23.366毫欧，平均为23.373毫欧。对比Panasonic18650锂电池，相近的容量与阻抗（无Doublepow18650锂电池的规格书）。

图8 Doublepow18650锂电池定频测量

Doublepow18650锂电池扫频测量：扫频模式下，是从1 Hz -1KHz范围内实现扫频。从图9多次扫描测量可以看出，通过采集得到的奈奎斯特图可以得知，低频段的测试重复性不是很好，反映出电荷转移电阻稳定性弱于Panasonic18650锂电池。

图9 Doublepow18650锂电池扫频测量

LG21700锂电池定频测量：最大阻抗为13.918毫欧，最小阻抗为13.904毫欧，平均为13.913毫欧。规则书1KHz交流阻抗典型值是14毫欧，通过对比该数据可以看出，该电池健康的状况也是良好的。众所周知，锂电池的内阻越低，电池的能量输出能力就越强。内阻越低，电池的充电和放电效率就越高，电池发热也会减少，从而延长电池的寿命。因此，在选择锂电池时，内阻是一个重要的考虑因素之一。

图10 LG21700锂电池定频测量

从图11的LG21700锂电池扫频测量可以看出，该电池状态不错。

图11 LG21700锂电池扫频测量

接下来进行持续放电状态下的电池阻抗检测（以Panasonic18650锂电池为例进行）。从3.5V开始用EIS模块对电池不断放电，由图12可见，阻抗在不断变大（在1KHz定频下从不到22毫欧增加到超过25毫欧）。用EIS模块的测试时间时长超过半天。

图12 Panasonic18650定频测量 电池不断放电

当Panasonic18650电池进入欠压状态时（小于2.8V），在1KHz定频测量下阻抗数据大幅波动(见下图)。

图13 Panasonic18650定频，2.8V欠压状态测量

 

 

总结

通过本次测评，让人更深入地了解了一些能影响电池使用特性的参数，比如电池阻抗、电池高频特性和低频特性等。同时，在世健电化学阻抗谱测量模块(EPSH-EIS5941-V1.0)的使用过程中，也验证了该模块的优势：

 • 体积小巧：与当今常用的手持电池测量仪比较，1K定频测量精度基本相当；且体积小，成本更低。

 • 除了定频外，还提供扫频功能，可同时检测电解质电阻和电荷转移电阻，从而判断电池老化与损坏情况。

Excelpoint世健电化学阻抗谱测量模块(EPSH-EIS5941-V1.0)非常适合小型化的手持式电池内阻测试仪器，能助力快速测量锂电池的阻抗值及相关的电化学阻抗谱EIS信息。