工业镍镉电池的先进电化学阻抗谱 | MDPI Batteries

工业镍镉电池的先进电化学阻抗谱 | MDPI Batteries

镍镉 (Ni-Cd) 电池在工业领域中正变得越来越重要，它是一种可靠、长寿命的电化学储能系统，适用于从发动机启动、应急照明、开关设备到与关键环境条件相关的不间断电源等各种应用。此外，与其他电池化学成分（例如锂离子电池）相比，镍镉电池的内部电阻相对较低，并且可以提供关键工业应用中通常所需的高浪涌电流。

近年来，大量研究者报道了利用锂离子电池的电化学阻抗谱（EIS）表征不同工作条件下的电池性能，主要包括电池质量评估、荷电状态（SoC）、健康状态（SoH）估计、功率衰减等。然而，现有文献中关于镍镉电池EIS表征和SoC估算的研究还很少。

为了更详细地研究镍镉电化学氧化还原反应和相应的电池性能，奥地利和瑞典学者发表了一篇研究论文，使用先进的EIS重新审视镍镉电池，包括精确的校准和等效电路建模。同时，从拟合EIS曲线的等效电路模型中提取准确的电化学参数可以作为评估镍镉电池SoC或SoH的稳健指标。

研究过程与结果

本文主要利用先进的EIS对工业镍镉电池进行表征，研究其电化学氧化还原过程及相应的电化学性能。首先，作者采用容量为112 Ah（SAFT）的镍镉电池建立EIS测试台，采用理想阻抗计与串联误差阻抗Zser和增益误差项Ge相结合的方式模拟EIS测量（图1）；采用两种校准工作流程，在10 mHz至2 kHz的宽频率范围内进行精确的复阻抗测量，从而获得校准后的电阻和电抗值。此外，利用电磁有限元法（FEM）模型发现电池阻抗受电缆夹具和交流电流引起的导线自感影响较大，本文提出的校准工作流程可以有效消除这些影响。

图 1. 镍镉电池模型和测试夹具。

对于单个电池，作者测量了在不同频率和给定静止时间下与充电状态 (SoC) 相关的电阻和电抗（图 2）。对于包含两个串联电池的镍镉块，研究发现 EIS 曲线与单个电池具有很好的一致性。因此，EIS 可以作为一种快速可靠的方法来估计单个电池或电池的容量状态。对于电化学解释，作者使用等效电路 (EEC) 模型来拟合阻抗谱，并根据校准的 EIS 提取主要的电化学参数，包括电荷转移动力学、质量传输和欧姆电阻。结果表明，基于电荷转移电阻可以得到 0.23 A/cm2 的交换电流密度，反映了镍镉电池中氧化还原电子转移过程的高本征速率。图 3 显示了与镍镉电池主要部件相关的电化学模型参数 Rsol、Rct 和 Cdl。

图2. 不同SOC下电池阻抗的变化。

图3.镍镉电池电化学模型参数及主要成分。

研究摘要

本文详细介绍了基于校准的先进 EIS，用于研究工业镍镉电池的电化学过程。EIS 的校准过程主要通过使用已知电阻和电抗值的短路和分流标准来实现。在 200 Hz 以上的高频下，EIS 校准获得了显著差异，阻抗实部平均变化约 8%，阻抗虚部平均变化约 6%。随后，使用 FEM 模型模拟电阻和电抗，以分析电缆夹的影响，包括交流电流引起的导线自感。此外，使用 EEC 模型拟合校准 EIS 数据并提取电化学电池参数。结果表明，所提出的模型和本文获得的知识可用于 SoC 或 SoH 估计和电池性能评估。未来的工作将基于不同的 SoC 对 EIS 和 OCV 测量进行系统研究，包括静置时间和存储性能对镍镉电池的影响。

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期刊原文

Al- R-Smith，N.；，M.；Kumar，P.；，D.；Mårlid，B.；，F. 的 Ni-Cd.，8，50。

MDPI 特约撰稿人

博士生 吴龙兴

西安理工大学机械与精密仪器工程学院

期刊简介

主编: , 慕尼黑工业大学 (TUM),

重点关注电池领域及密切相关学科的最新研究成果，包括但不限于锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、金属空气电池和后锂离子电池等。一般主题包括电池电化学、电池系统及应用、电池性能及测试、电池材料、电池安全、电池加工与制造、电池建模与控制等。

2021

5.938

2021

7.9

首次登场时间

20.1 天

时间

40 天

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