窥视电池内部“黑箱”：动态EIS揭示充放电过程中的阻抗演变

元能科技 2026-04-01 | 阅读：40

背景

传统电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）是解析电池机理的利器，但其稳态测量条件与电池真实的动态条件不一致。这种“离线”与“在线”的鸿沟，导致我们无法捕获实际充放电过程中电化学反应的瞬态演化。本文采用动态EIS技术，实现了在充放电过程中对阻抗的实时捕获，将EIS从“离线解剖”推进至“在线监测”的新阶段。

原理

静态电化学阻抗谱（EIS）与动态电化学阻抗谱（Dynamic Electrochemical Impedance Spectroscopy，DEIS）的核心技术差异，在于施加交流扰动信号时，被测电池系统所处的状态不同：前者要求系统处于稳态，而后者则允许在系统处于动态变化过程（如充放电过程）中进行测量。核心原理以及二者测试的差别如下图所示：

当对电池施加一定的电压或电流扰动时，电池内部不同的物理或电化学过程的响应速度是不同的，因此会对总体阻抗产生不同的贡献。通过测量不同扰动频率下的响应信号与扰动信号的幅值比和相位差，就可以计算得到该频率下的复阻抗。

① 静态EIS测试：对电池充放电至某个电位下静置测试EIS，充放电→静置→EIS，其的优势在于，能够在明确、稳定的热力学状态下，获得高度可重复、可用于精确机理分析的阻抗谱。然而，其根本局限性也在于此：它测量的是“过程停止后”的状态，而非“过程进行中”的动态行为。

② 动态EIS测试：在电池充放电的动态过程中同步引入交流信号进行测量，从而直接获取真实运行工况下连续的EIS演变图谱，而非某个静止状态下的孤立“快照”，可以设置达到某个电位/时间等要求下引入交流信号同步充放电+EIS测试，也可以全过程同步EIS测试。

案例一：电芯循环衰减下的阻抗监控

电芯循环50Cycle下进行DEIS测试，监测全过程下电化学阻抗变化，图中提取20~30~40Cycle下10~90%SOC期间的EIS变化。

如图：电芯在循环过程中RCT由于老化原因逐渐增大，DEIS的技术可以实时检测充放电过程中电芯何时开始老化，并精准定位异常原因，例如高倍率充放电下电芯EIS如何实时变化，这是静态EIS技术无法做到的。

Tip：由于电芯系统处于动态，扩散部分受电流影响大，低频时间测试长容易引入电感等因素，扩散部分或许会变成感抗环，因此测试时间尽可能缩短建议测试频率区间为100k~0.1Hz约一分钟EIS完成一次，若低频到0.01Hz约15分钟，低频所测得的阻抗谱已经是下一个电位的阻抗谱。

案例二：定位电芯运行下的问题

如图：批量电芯在2C倍率下进行充放电且使用DEIS检测阻抗变化，进行ECM拟合，拆解Rsei，精准定位电芯因化成阶段温度不均、压力差距导致SEI成膜不均匀，又或者是电解液注液偏差、浸润时间等导致SEI膜异常。

电芯在充放电时，负极（石墨 / 硅基）会发生快速、不均匀的体积膨胀 / 收缩（倍率越高，体积变化速率越快、局部形变差越大），若 SEI 膜的柔韧性、附着力存在先天缺陷，会在该倍率的动态形变下出现局部微裂纹 / 剥离。若静态EIS则需进入静置结束充放电过程，负极体积恢复，微破损处会被电解液快速浸润、发生自修复，阻抗随之恢复正常，无法检测出SEI膜的异常情况。

常规检测电芯测试等使用循环测试需要很长时间，常规不良品测试使用内阻仪或传统静态EIS无法针对正在使用情况下的电芯进行检测，元能ERT7008电化学性能分析仪（如下图所示）的DEIS技术可以攻破模拟真实客户在使用的情况下该电芯的内部机理变化。