鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2020年03月09日
解析鋰離子電池電化學(xué)測(cè)量方法
其實(shí)，鋰離子電池電極過程動(dòng)力學(xué)探究中常用的有循環(huán)伏安法(CV)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)、恒電流間歇滴定技術(shù)(GITT)、恒電位間歇滴定技術(shù)(PITT)、電流脈沖弛豫(CPR)、電位階躍計(jì)時(shí)電流(PSCA)和電位弛豫技術(shù)(PRT)等。
鋰離子電池的電極反應(yīng)重要包括哪些
電池中電極過程一般包括溶液相中離子的傳輸，電極中離子的傳輸，電極中電子的傳導(dǎo)，電荷轉(zhuǎn)移，雙電層或空問電荷層充放電，溶劑、電解質(zhì)中陰陽(yáng)離子，氣相反應(yīng)物或產(chǎn)物的吸附脫附，新相成核長(zhǎng)大，與電化學(xué)反應(yīng)耦合的化學(xué)反應(yīng)，體積變化，吸放熱等過程。這些過程有些同時(shí)進(jìn)行，有些先后發(fā)生。
電極過程的驅(qū)動(dòng)力包括電化學(xué)勢(shì)、化學(xué)勢(shì)、濃度梯度、電場(chǎng)梯度、溫度梯度。
分清兩電極和三電極
電化學(xué)測(cè)量一般采用兩電極電池或三電極電池，較少使用四電極電池。
兩電極
兩電極由研究電極（W），亦稱之為工作電極和輔助電極（C），亦稱之為對(duì)電極組成。鋰離子電池的研究中多數(shù)為兩電極電池，兩電極電池測(cè)量的電壓是正極電勢(shì)與負(fù)極電勢(shì)之差，無法單獨(dú)獲得其中正極或負(fù)極的電勢(shì)及其電極過程動(dòng)力學(xué)信息。
三電極
三電極電池包括，W和C分別是工作電極和對(duì)電極，R是參比電極。W和C之間通過極化電流，實(shí)現(xiàn)電極的極化。W和R之間通過極小的電流，用于測(cè)量工作電極的電勢(shì)。
通過三電極電池，可以專門研究工作電極的電極過程動(dòng)力學(xué)。
參比電極的特征
1、參比電極應(yīng)為可逆電極：
2、不易被極化，以保證電極電勢(shì)比較標(biāo)準(zhǔn)和恒定：
3、具有較好的恢復(fù)特性，不發(fā)生嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象；
4、具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性；
5、快速暫態(tài)測(cè)量時(shí)，要求參比電極具有較低的電阻，以減少干擾，提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
6、不同的溶液體系，采用相同的參比電極的，其測(cè)量結(jié)果可能存在差異，誤差重要來源于溶液體系間的相互污染和液接界電勢(shì)的差異。
常用的參比電極
水溶液體系參比電極：可逆氫電極、甘汞電極、汞一氧化汞電極、汞一硫酸亞汞電極等；
非水溶液體系參比電極：銀一氯化銀電極、Pt電極以及金屬鋰、鈉等電極。
其他：也可以用銀絲、鉑絲做準(zhǔn)參比電極，或者采用電化學(xué)反應(yīng)電位穩(wěn)定的溶解于電解液的二茂鐵氧化還原電對(duì)。
關(guān)于準(zhǔn)參比電極細(xì)節(jié)可參考A．J．Bard編著的(ElectrochemicalMethods)。
電極過程
電極過程一般情況下包括下列基本過程或步驟：
1、電化學(xué)反應(yīng)過程：在電極/溶液界面上得到或失去電子生成反應(yīng)產(chǎn)物的過程，即電荷轉(zhuǎn)移過程；
2、傳質(zhì)過程：反應(yīng)物向電極表面或內(nèi)部傳遞或反應(yīng)產(chǎn)物自電極內(nèi)部或表面向溶液中或向電極內(nèi)部的傳遞過程(擴(kuò)散和遷移)；
3、電極界面處靠近電解液一側(cè)的雙電層以及靠近電極內(nèi)一側(cè)的空間電荷層的充放電過程；
4、溶液中離子的電遷移或電子導(dǎo)體、電極內(nèi)電子的導(dǎo)電過程。
此外，伴隨電化學(xué)反應(yīng)，還有溶劑、陰陽(yáng)離子、電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的吸附/脫附過程，新相生長(zhǎng)過程以及其它化學(xué)反應(yīng)等。
典型的電極過程及動(dòng)力學(xué)參數(shù)
離子在電解質(zhì)中的遷移電阻(Rsol)；離子在電極表面的吸附電阻和電容(Rad，Cad)；電化學(xué)雙電層電容(Cdl)；空間電荷層電容(Csc)；離子在電極電解質(zhì)界面的傳輸電阻(Rincorporation)；離子在表面膜中的輸運(yùn)電阻和電容(Rfilm，Cfilm)；電荷轉(zhuǎn)移(Rct)；電解質(zhì)中離子的擴(kuò)散電阻(Zdiffusion)；電極中離子的擴(kuò)散(Zdiffusion)——體相擴(kuò)散(Rb)和晶粒晶界中的擴(kuò)散(Rgb)；宿主晶格中外來原子/離子的存儲(chǔ)電容(Cchem)；相轉(zhuǎn)變反應(yīng)電容(Cchem)；電子的輸運(yùn)(Re)。
值得注意的是，不同電極過程的響應(yīng)時(shí)間不同，總的來說：電荷轉(zhuǎn)移＜表面反應(yīng)＜電子傳輸＜界面擴(kuò)散＜固相反應(yīng)＜體相擴(kuò)散，因此離子在電極、電解質(zhì)材料內(nèi)部的擴(kuò)散以及固相反應(yīng)一般是速率控制步驟。
極化及類型
在施加了外來電場(chǎng)后，電池或電極逐漸偏離平衡電勢(shì)的狀態(tài)，稱之為極化。極化電勢(shì)與平衡電勢(shì)的差值的大小被稱之為過電勢(shì)。
在不具有流動(dòng)相的電池中，存在著3種類型的極化：
1、化學(xué)極化——與電荷轉(zhuǎn)移過程有關(guān)的極化，極化的驅(qū)動(dòng)力是電場(chǎng)梯度。電化學(xué)極化的大小是由電化學(xué)反應(yīng)速率決定的，電化學(xué)極化電阻(Rct)的大小與交換電流密度直接相關(guān)。
2、濃差極化——與參與電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散過程有關(guān)的極化，極化的驅(qū)動(dòng)力為濃度梯度。濃差極化與傳質(zhì)粒子的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。
3、歐姆極化——與載流子在電池中各相輸運(yùn)有關(guān)的極化，驅(qū)動(dòng)力是電場(chǎng)梯度。歐姆極化的大小是由電池內(nèi)部涉及到電遷移的各類電阻之和，即歐姆電阻決定的。
若還存在其它基本電極過程，如勻相或多相化學(xué)反應(yīng)過程，則可能存在化學(xué)反應(yīng)極化。
電化學(xué)測(cè)量方法在鋰離子電池中的經(jīng)典應(yīng)用
鋰離子電池電極材料在電池充放電過程中一般經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟：
1、劑化的鋰離子從電解液內(nèi)遷移到電解液/固體電極的兩相界面；
2、溶劑化的鋰離子吸附在電解液/固體電極的兩相界面；
3、去溶劑化；
4、電荷轉(zhuǎn)移，電子注入電極材料的導(dǎo)帶，吸附態(tài)的鋰離子從電解液相遷移至活性材料表面晶格；
5、鋰離子從活性材料表面晶格向內(nèi)部擴(kuò)散或遷移；
6、電子從集流體向活性材料的遷移。
循環(huán)伏安法
常用于電極反應(yīng)的可逆性、電極反應(yīng)機(jī)理(如中間體、相界吸/脫附、新相生成、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)等)及電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(如擴(kuò)散系數(shù)、電極反應(yīng)速率常數(shù)等)的探究。
電勢(shì)向陰極方向掃描時(shí)，電活性物質(zhì)在電極上還原，產(chǎn)生還原峰；向陽(yáng)極方向掃描，還原產(chǎn)物重新在電極上氧化，產(chǎn)生氧化峰。因而一次掃描，完成一個(gè)還原和氧化過程的循環(huán)，其電流一電壓曲線稱為循環(huán)伏安曲線。
通過循環(huán)伏安曲線的氧化峰和還原峰的峰高、對(duì)稱性、氧化峰與還原峰的距離，中點(diǎn)位置，可判斷電活性物質(zhì)在電極表面反應(yīng)的可逆程度和極化程度。假如氧化與還原反應(yīng)的過電位差別不大的化，還可以把一對(duì)氧化峰與還原峰之間的中點(diǎn)值近似作為該反應(yīng)的熱力學(xué)平衡電位值。
另外恒電流充放電的電壓容量曲線微分后以dQ/dV作為縱軸，橫軸為電壓，可以獲得與CV曲線十分相似的結(jié)果，其實(shí)本質(zhì)并沒差別。
循環(huán)伏安法計(jì)算鋰離子擴(kuò)散系數(shù)
注意：僅適用于擴(kuò)散過程為控制步驟且電極為可逆體系，此時(shí)有公式
常溫時(shí)，
式中，Ip為峰電流的大小，n為參與反應(yīng)的電子數(shù)，A為浸入溶液中的電極面積，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，DLi為L(zhǎng)i在電極中的擴(kuò)散系數(shù)，v為掃描速率，△C0為反應(yīng)前后待測(cè)濃度的變化。
可以按如下步驟來計(jì)算：
1、測(cè)量電極材料在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線；
2、將不同掃描速率下的峰值電流對(duì)掃描速率的平方根作圖；
3、對(duì)峰值電流進(jìn)行積分，測(cè)量樣品中鋰的濃度變化；
4、將相關(guān)參數(shù)帶入式(2)，即可求得擴(kuò)散系數(shù)。
要注意的是，由于以下幾個(gè)原因，其測(cè)得的絕對(duì)值在不同文獻(xiàn)中不盡相同
要該反應(yīng)收擴(kuò)散控制，而且循環(huán)伏安測(cè)到的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)并非電極材料內(nèi)部本征的離子擴(kuò)散系數(shù)（詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)見擴(kuò)展閱讀）。還有就是，假如是多孔粉末電極，其真實(shí)反應(yīng)面積遠(yuǎn)大于電極幾何面積，且難以精確測(cè)量，給結(jié)果帶來很大的不確定性。
當(dāng)然，關(guān)于循環(huán)伏安法原理使用等，我們會(huì)另外詳細(xì)介紹。
恒電流間歇滴定技術(shù)
恒電流問歇滴定技術(shù)(galvanostaticintermittenttitrationtechnique)由德國(guó)科學(xué)家W．Weppner提出，基本原理是在某一特定環(huán)境下對(duì)測(cè)量體系施加一恒定電流并持續(xù)一段時(shí)問后切斷該電流，觀察施加電流段體系電位隨時(shí)間的變化以及弛豫后達(dá)到平衡的電壓，通過分析電位隨時(shí)閭的變化可以得出電極過程過電位的弛豫信息，進(jìn)而推測(cè)和計(jì)算反應(yīng)動(dòng)力學(xué)信息。
當(dāng)體系滿足如下條件時(shí)，可以計(jì)算鋰離子擴(kuò)散系數(shù)
1、電極體系為等溫絕熱體系；
2、電極體系在施加電流時(shí)無體積變化與相變；
3、電極響應(yīng)完全由離子在電極內(nèi)部的擴(kuò)散控制；
4、τ≤L2/D，L為離子擴(kuò)散長(zhǎng)度；
5、電極材料的電子電導(dǎo)遠(yuǎn)大于離子電導(dǎo)等條件
計(jì)算公式如下：
式中，DLi為“在電極中的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)，Vm為活性物質(zhì)的體積，A為浸入溶液中的真實(shí)電極面積，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，n為參與反應(yīng)的電子數(shù)目，I0為滴定電流值，dE/dx為開路電位對(duì)電極中Li濃度曲線上某濃度處的斜率(即庫(kù)侖滴定曲線)，dE/dt1/2為極化電壓對(duì)時(shí)間平方根曲線的斜率。
利用GITT方法測(cè)量電極材料中的鋰化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)基本過程如下：在電池充放電過程中的某一時(shí)刻，施加微小電流并恒定一段時(shí)間后切斷；記錄電流切斷后的電極電位隨時(shí)間的變化；做出極化電壓對(duì)時(shí)間平方根曲線，即dE/dt1/2曲線；測(cè)量庫(kù)侖滴定曲線，即dE/dx曲線；代入相關(guān)參數(shù)，利用公式求解擴(kuò)散系數(shù)。
恒電勢(shì)間歇滴定技術(shù)
恒電位間歇滴定技術(shù)(potentiostaticintermittenttitrationtechnique)是通過瞬時(shí)改變電極電位并恒定該電位值，同時(shí)記錄電流隨時(shí)間變化的測(cè)量方法。通過分析電流隨時(shí)間的變化可以得出電極過程電位弛豫信息以及其它動(dòng)力學(xué)信息，類似于恒電位階躍，只是PITT是多電位點(diǎn)測(cè)量。
使用恒電位間歇滴定技術(shù)測(cè)量鋰離子化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)公式如下：
式中，i為電流值，t為時(shí)間，△Q為嵌入電極的電量，DLi為L(zhǎng)i在電極中的擴(kuò)散系數(shù)，d為活性物質(zhì)的厚度。
基本操作如下：以恒定電位步長(zhǎng)瞬間改變電極電位，記錄電流隨時(shí)間的變化；利用ln(i)一t曲線；截取ln(i)一t曲線線性部分的數(shù)據(jù)，求斜率即可求出鋰離子化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)。
電位弛豫技術(shù)
電位弛豫技術(shù)(potentialrelaxtechnique)是在電池與外界無物質(zhì)和能量交換的條件下研究電極電勢(shì)隨時(shí)間的變化關(guān)系，該方法屬于電流階躍測(cè)量方法中的斷電流法，與GITT實(shí)驗(yàn)方法一致，不同的是分析弛豫過程中的電位變化。該方法最早由我國(guó)科學(xué)院物理研究所王慶等運(yùn)用于鋰離子電池電極材料中的離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)研究。
計(jì)算公式為：
式中，ψm為平衡電極電位，ψ為初始電位，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，d為活性物質(zhì)的厚度，DLi為L(zhǎng)i在電極中的擴(kuò)散系數(shù)，t為電位達(dá)到平衡時(shí)的時(shí)間。
具體測(cè)量步驟如下：對(duì)電池預(yù)充放電，使電池的庫(kù)侖效率降至97％左右；在電池充/放電到一定程度時(shí)，切斷電流，采用CPT(chronopotentiometrytechnique)記錄電壓隨時(shí)問的變化曲線；運(yùn)用公式對(duì)ln[exp(ψm-ψ)xF/RT-1]-t作圖，并對(duì)后半部分作線性擬合；ln[exp(ψm-ψ)xF/RT-1]-t曲線進(jìn)行擬合，求解擬合曲線斜率，帶公式即可求得鋰的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)。
運(yùn)用電位弛豫技術(shù)測(cè)量電極過程動(dòng)力學(xué)信息要滿足一定的前提條件。通常，鋰離子電池在首周充放電過程中伴隨著一些副反應(yīng)，典型的副反應(yīng)為SEI膜的形成，為避免副反應(yīng)的發(fā)生對(duì)鋰離子化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量所帶來的干擾，通常電池要進(jìn)行幾個(gè)充放電循環(huán)之后開始測(cè)量其化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)。此外，由于電位弛豫是一個(gè)非常緩慢的過程，一般在8h左右，在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的弛豫后，電位仍不能達(dá)到平衡狀態(tài)，則有可能是儀器漏電所造成，要特別注意。
