優化三電極快速充電和老化研究的電池協議

最新更新：2025年11月24日

傳統的雙電極電池測量方法可以捕捉電池的整體性能，但無法將性能限製或衰減歸因於特定的電極。三電極配置透過增加一個參考電極來獨立監測陽極和陰極的電位，從而解決了這個問題— —當多種衰減機制（鋰沉積、SEI 膜生長、結構變化）在快速充電過程中同時發生時，這種方法尤其重要。

傳統的雙電極配置只能提供電池的整體性能，而無法揭示是哪個電極導致了性能限製或退化。

加入參考電極可以讓研究人員將各電極的貢獻分離出來，理論上可以精確定位問題的根源。然而，大多數商用恆電位儀主要是為經典電化學實驗而非電池研究而設計的，它們僅記錄工作電極相對於參考電極的電位，同時控制工作電極和對電極之間的電流。對電極電位和全電池電壓則無法測量。

圖 1：具有參考電極的電池配置。

這就造成了操作上的限制：研究人員只能監測單一電極或整個電池，而不能同時監測兩者。對於需要全面數據的電池研究而言，這意味著需要進行多次不同連接方式的實驗，需要基於對未測量電極的假設進行實驗後計算。

理想的電池特性分析系統需要同時記錄即時捕獲所有三個關鍵測量值（陽極電位與參考電極的電位、陰極電位與參考電極的電位以及全電池電壓），並具有靈活的控制功能，允許研究人員根據這三個測量值中的任何一個來設定截止條件和實驗觸發條件。

BioLogic 電位器/電流器與EC-Lab ^®軟體搭配使用，透過同時記錄所有電位並控制整個電池電壓來解決這些限制。

注意：
所有電壓均提供相關的能量和功率變數。在「安全/進階設定」標籤中勾選「能量/瓦時」後，韌體會在每個時間基準點（而非僅在記錄的資料點）執行能量計算，與後處理方法相比，這可以提高時間解析度和精確度。

圖 2：基本型和高階電位器在「安全/進階設定」標籤中的潛在控制和記錄選項

為了微調恆流恆壓 (CCCV) 協議，EC-Lab^®軟體支援多標準協議控制。在同一實驗過程中，可以設定並保持陽極和/或陰極和/或整個電池的電壓限制（與電位控制模式無關）。

協議中可以加入其他限制條件，例如電荷量、荷電狀態、能量和溫度閾值。這些限制條件可以同時生效，當滿足任何一個條件時，實驗就會停止。

圖 3：EC-Lab^® 上的 CCCV 設置，最多可設定 4 個條件限制，並有多種限制變數選項。

主要優勢：更深入的電池研究見解

所有相關的潛力都會被持續跟踪，從而無需進行計算、假設或多次實驗來拼湊出完整的故事。

傳統的恆定電流恆壓充電（CCCV）方案完全依賴電池全電壓。典型的做法是以高電流充電至4.2V，然後保持該電壓直到電流逐漸減少。雖然這種方法簡單，但它無法防止電極特有的退化機制。

同時監控所有電極的能力使得全新的充電協議成為可能，這些協議既能保護電池健康，又能最大限度地提高充電速度。例如，在開發快速充電協議時，如果出現以下情況，充電即可終止：

🔹陽極電壓降至 0 V 以下（相對於 Li/Li⁺），以避免鋰沉積和枝晶生長。

🔹或者，如果電池全電壓超過 4.2 V，則防止陰極結構退化

🔹或者，如果陰極達到預定的應力閾值。

隨著循環過程中容量的減少，比較這三個訊號可以準確地揭示是哪個電極導致了老化過程。

完整的資料集使得資料收集後可以採用多種分析方法。研究人員無需在實驗開始前就確定單一的分析策略。

這種綜合方法將電池表徵從一個受限於約束的過程轉變為一個能夠全面了解電化學特性的過程。對於研究快速充電方案、衰減機製或電極特異性現象的研究人員而言，全面了解電極和整個電池的特性對於進行嚴謹的分析至關重要。