CAT蓄电池先进参比电极技术在锂离子电池电极动力学解耦中的应用
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-03 11:17:26 点击： 次
引言
随着可再生能源与电动交通的迅猛发展，提升储能技术性能已成为全球优先课题[[1], [2], [3]]。锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命和优异的倍率能力，被广泛采用为主流储能装置[[4], [5], [6]]。然而，实际应用仍受限于功率输出受限[7]和容量加速衰减[8,9]等瓶颈问题，这些本质上源于电荷转移、界面反应和物质扩散等复杂的内部动力学过程[10,11]。在高倍率充放电条件下，极化引起的浓差过电势会进一步损害电池性能[12]。因此，对动力学参数进行综合分析对优化电池设计和提升整体性能至关重要。
电化学阻抗谱（EIS）具备多时间尺度分析能力[13,14]，可通过宽频扰动实现对不同弛豫时间物理过程的分离[[15], [16], [17]]。然而在实际测量中，各动力学过程的时间常数往往相近，导致EIS图谱出现半圆重叠现象，难以区分单个过程[18]。为解决该局限所开发的弛豫时间分布（DRT）技术，仍存在伪峰干扰问题[19]。目前，获取动力学电极阻抗（EI）的主要方法包括coin型半电池[20]、对称电池[21]和参比电极（RE）技术[22]。其中，coin型半电池通过将待测电极与锂金属配对，可实现单电极动力学的独立分析。例如，Illig等[23]采用磷酸铁锂（LFP）半电池结合分布弛豫时间（DRT）方法，成功分离出两电极的接触阻抗与固体电解质界面（SEI）阻抗，但与锂金属的副反应会导致数据偏离实际电池工况。Steinhauer等[24]报道了此类体系中石墨负极SEI演化的系统性偏差，而Wu等[25]证实锂金属界面会扭曲真实的锂离子扩散系数。Liu等[26]采用对称电池技术（通过相同电极消除界面异质性）研究电解质添加剂对阻抗的影响，Liu等[27]则运用该技术分析重构老化电极的动力学衰减。然而该方法无法模拟充放电过程中的浓差极化，且会丢失正负极的耦合电位特性。采用线状、带状或网状结构的RE技术可实现电极行为的实时监测。Dollé等[28]证实植入式钛酸锂(LTO)参比电极能揭示阳极主导的容量衰减，但材料与电解液的相容性仍是限制因素。Huang等[29]采用脉冲阻抗谱技术证实，锂离子在正极材料嵌锂过程中电荷转移阻抗明显高于脱锂过程。Xiao等[30]系统评估了参比电极（REs）的设计参数，而Cai等[31]通过结合多维弛豫时间分布（DRT）方法，成功实现了特定荷电状态（SOC）区间内电极动力学过程的分离，但该方法的通用性仍需进一步验证。
尽管参比电极（RE）技术在解耦电池电化学阻抗（EI）方面具有显著优势，但传统的线状、带状和网状RE仍受限于长期稳定性差、制备工艺复杂以及结构兼容性不足等问题。这些局限性使其难以满足商用电池系统对微型化和可重复使用性的要求。克服这些挑战——特别是开发能在复杂电化学环境中保持长期稳定性的微型化RE设计——仍是精确分析动力学参数的关键瓶颈。鉴于此，本研究引入了一种新型参比电极（RE），该电极将微型化铜与钛酸锂材料（Cu-LTO）相结合，兼具紧凑结构与高化学稳定性。该设计与商业化电池兼容，并能实现高精度电极界面（EI）测量。通过系统比较不同类型参比电极及其植入位置，阐明了参比结构优化提升动力学参数分析的机制。研究提取了多种电池的关键动力学过程，并全面总结了电极制造工艺对动力学行为的影响。这项工作不仅为锂离子电池动力学参数的精确测定提供了新策略，还为高性能电池的设计与优化奠定了理论基础。
