[發(fā)明專利]一種復(fù)雜電池阻抗譜解析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011206618.5
• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112540316B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王康麗;王晟;蔣凱;程時杰
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01R31/389
• 分類號: G01R31/389;G01N27/02;G01R31/378;G01R31/382
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明公開了一種復(fù)雜電池阻抗譜解析方法，屬于電池機理分析與建模領(lǐng)域。本發(fā)明方法使用了阻抗譜的全部極化部分阻抗(包括實部和虛部數(shù)據(jù))，既沒有在低頻區(qū)域做假設(shè)性的延拓，也沒有直接舍棄阻抗譜中解析困難的部分，因此在理論上可以真實地反映實際電極過程的動力學特征；本發(fā)明方法通過交叉驗證來完成正則化系數(shù)的選擇：首先單獨使用極化阻抗的實部、虛部數(shù)據(jù)計算弛豫時間分布函數(shù)的近似解，然后分別用極化阻抗的虛部、實部驗證近似解的擬合精度，擬合均方根誤差最小時，對應(yīng)的正則化系數(shù)即為最優(yōu)值；交叉驗證可以保證在選擇的正則化系數(shù)下，弛豫時間分布函數(shù)近似解最為精確。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池機理分析與建模領(lǐng)域，更具體地，涉及一種復(fù)雜電池阻抗譜解析方法。

背景技術(shù)

阻抗譜技術(shù)是電極過程研究和電池建模的重要工具之一，它通過測量電化學系統(tǒng)在極寬頻段范圍內(nèi)的交流阻抗來分析其內(nèi)部的復(fù)雜反應(yīng)過程，與充放電測試等時域方法相比可以獲取更多的動力學信息和材料界面結(jié)構(gòu)信息。電池阻抗譜解析是指根據(jù)測量得到的阻抗譜圖，確定對應(yīng)的等效電路或者數(shù)學模型，計算等效電路中的元件參數(shù)或者數(shù)學模型中的有關(guān)參數(shù)，并與其他電化學方法相結(jié)合，推測電極系統(tǒng)中包含的動力學過程及其機理。

目前，電池阻抗譜的主要解析方法為等效電路法，主要分為以下兩步進行：首先根據(jù)電極反應(yīng)的動力學規(guī)律構(gòu)建出合理的等效電路模型，然后通過對實測阻抗譜數(shù)據(jù)的擬合，估計模型中的電路元件參數(shù)。在中國發(fā)明專利CN100570348C說明書中公開了一種金屬材料表面性能的電化學阻抗譜綜合分析方法，這種方法采用mCRR傳輸線模型擬合測量的電化學阻抗譜，然后確定模型中離散的電阻、電容參數(shù)隨特征頻率的變化規(guī)律和不同預(yù)處理條件下表征腐蝕阻力的電阻參數(shù)，最終根據(jù)模型參數(shù)的分布特征研究金屬材料表面性能的差異。在中國發(fā)明專利CN104914312A說明書中也公開了一種計算交流阻抗譜弛豫時間分布的方法，這種方法在測量交流阻抗譜后，應(yīng)用Tikhonov正則化方法和二次規(guī)劃方法得到弛豫時間分布函數(shù)，然后通過函數(shù)圖象的峰值和面積來研究不同電化學過程的時間常數(shù)及其阻抗的大小。

在這兩種阻抗譜的分析方法中，第一種方法利用了電化學阻抗譜測量精度高和物理信息豐富的特點，通過選擇客觀、通用的模型結(jié)構(gòu)，擬合其中的電路元件參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)分布特征推斷金屬材料表面發(fā)生的過程，評價金屬材料表面預(yù)處理的效果，從而篩選和優(yōu)化預(yù)處理配方和工藝。但與此同時，它無法確定所有電路元件參數(shù)與特定電化學過程之間的對應(yīng)關(guān)系，且mCRR模型的階數(shù)僅由擬合誤差決定，不能揭示背后的物理意義。第二種方法基于交流阻抗譜數(shù)據(jù)重構(gòu)了弛豫時間分布函數(shù)，且重構(gòu)過程無需預(yù)先假設(shè)電化學過程數(shù)量和確定等效電路模型結(jié)構(gòu)，避免了建模過程帶來的主觀性；同時提高了阻抗譜分析的頻域分辨率，在一個頻率數(shù)量級內(nèi)可以解析出2～3個電化學過程，即使它們的時間常數(shù)相近，仍然可以做出準確區(qū)分。

然而，該方法中弛豫時間分布函數(shù)的計算僅使用了阻抗譜的虛部數(shù)據(jù)，而不涉及實部數(shù)據(jù)，計算結(jié)果的誤差相對較高；另外，在應(yīng)用Tikhonov正則化方法時，直接人為指定正則化系數(shù)，沒有明確提出正則化系數(shù)的選擇方法，解得的弛豫時間分布函數(shù)不一定是最優(yōu)解。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種復(fù)雜電池阻抗譜解析方法，其目的在于提供一種不需要預(yù)先建立等效電路模型，即可以準確區(qū)分不同電極反應(yīng)過程的阻抗譜解析方法。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種復(fù)雜電池阻抗譜解析方法，包括：

S1.對電池進行阻抗譜測試，得到測試頻率和對應(yīng)的交流復(fù)阻抗；

S2.在交流復(fù)阻抗數(shù)據(jù)中減去阻感部分阻抗，得到后續(xù)用于弛豫時間分布解析的極化部分阻抗；

S3.采用分段線性插值方法對弛豫時間分布函數(shù)進行離散化處理，建立極化部分阻抗和弛豫時間分布函數(shù)之間的線性關(guān)系；