LiFePO4 導入參考電極讓阻抗量測更精確

在新能源汽車產業快速發展的背景下，鋰離子電池的性能診斷、壽命預測與健康管理已成為重要研究方向。電化學阻抗譜（EIS）作為分析電池內部電化學過程的重要工具，可量測電池的歐姆電阻、界面動力學及擴散行為等資訊。然而，傳統測試方法難以有效區分正負極各自的阻抗貢獻，且三電極測試系統容易受到電流分布不均、堆疊對位誤差等因素影響，產生測試偽影，導致阻抗數據失真，限制了電池模型校正與健康診斷的準確性。

近日，General Motors研究團隊於 ECS Advances 發表研究成果，開發出一種可整合於多層軟包電池的通用型磷酸鐵鋰（LiFePO4）薄膜參比電極，成功解決鋰電池阻抗解耦與測試偽影問題，提供動力電池全生命週期阻抗分析的新方法。

圖1. 不同 SOC（每隔 20%）下的 EIS Nyquist 圖：
(a) 正極、(b) 負極、(c) 全電池，頻率範圍為 3 kHz 至 1 mHz。

研究重點

1. LiFePO4 參比電極實現精確阻抗分析

此參比電極在結構設計、性能及測試應用方面均有創新，主要特色如下：

（1）低干擾設計，對電池性能影響極小

參比電極採用超薄 LiFePO4 薄膜結構，其孔隙率與隔膜相近。整合後僅增加一層與隔膜相關的歐姆及離子傳輸阻抗，即使在 1C 放電倍率下，對電池整體電化學特性的影響仍非常有限，可維持量測結果的真實性。

（2）降低測試偽影，實現寬頻高精度阻抗量測

與傳統點式或線式參比電極不同，此參比電極覆蓋正負極間完整的電化學活性區域，可有效降低電流密度不均與電池堆疊偏差所造成的測試誤差。除 2 kHz 以上高頻區域存在少量系統寄生電感影響外，可在 3 kHz 至 1 mHz 範圍內獲得高品質 EIS 數據。

（3）實現正負極阻抗分離

研究團隊將該參比電極整合至 1.4 Ah 多層軟包電池（石墨負極搭配 1% Al 摻雜 NCM811 正極）中，成功分離正極、負極與全電池阻抗，可清楚觀察不同荷電狀態（SOC）下的阻抗變化：

• 正極動力學阻抗在中等 SOC 時最低，在高 SOC 與低 SOC 條件下因鋰濃度極端化而增加。
• 負極動力學阻抗受 SOC 影響較小，符合負極活性材料利用率較低的特性。

（4）建立頻域與時域的對應關係

研究利用傅立葉轉換，將 EIS 頻域阻抗資料轉換為混合脈衝功率特性（HPPC）的時域電壓響應。結果顯示，即使在 10 ms 高時間解析度下，模擬結果與實際 HPPC 測試結果的差異仍在量測雜訊範圍內。
 

圖2. 利用 EIS 資料重建 HPPC 時域脈衝響應的數學流程。

研究意義

1. 降低電池模型開發成本

此參比電極所取得的數據可直接應用於偽二維（P2D）電池模型，無需建立複雜的三維或四維模型，可降低模型開發難度與計算成本。

2. 支援電池全生命週期健康診斷

該技術可追蹤電池從初始成型、使用期間到壽命終點的阻抗變化，分析不同老化階段正負極的阻抗演變，提供 SOH 評估與壽命預測的重要依據。

3. 提升車用電池工程應用能力

車用電池在實際運作時，會受到逆變器與馬達產生的電壓及電流紋波影響。透過精確阻抗分析，可協助工程師了解電池對複雜電訊號的反應，支援熱管理、安全分析及電池管理系統（BMS）設計。

4. 提供新的電池研發工具

此參比電極技術可應用於：

• 正負極材料開發
• 電極結構最佳化
• 電解液配方研究
• 新型電池設計驗證

有助於快速篩選較佳材料與結構，加速高性能動力電池的開發。

圖3. 在 10% SOC 下，實際 HPPC 測試與由 EIS 經傅立葉轉換預測所得之電壓響應比較：
(a) 負極、(b) 正極、(c) 全電池、(d) 計算結果。

結論

此次研究使鋰離子電池阻抗分析從整體量測進一步發展到正負極獨立分析，提升了阻抗數據的可解釋性與工程應用價值。未來若能進一步應用於電池研發與量產，有望促進動力電池在性能、壽命與安全性方面的提升。
 

Solartron EnergyLab 

Solartron EnergyLab XM 專為先進電池與儲能系統開發設計，其輔助分壓量測技術具備真正同步三電極量測能力，可同時取得正極、負極與全電池的電壓及阻抗資訊，搭配 μHz 至 MHz 的寬頻 EIS 分析、高精度電流控制與多通道同步量測架構，能有效降低傳統三電極量測中的偽影與誤差，特別適用於鋰離子電池、固態電池及次世代儲能材料的機理研究、SOH 診斷、壽命分析及電池模型建構。其模組化架構亦支援原位（in-situ）與操作中（operando）量測，為電池全生命週期分析提供完整解決方案。

• 真正同步三電極量測（True Simultaneous 3-Electrode Measurement）：可同步取得正極、負極與全電池的電壓及阻抗訊號，避免分次量測造成的誤差。
• 高精度 FRA 技術：採用 Solartron 經典 Frequency Response Analyzer（FRA）架構，在低阻抗與高阻抗系統皆能維持優異的量測精度與相位準確性。
• 支援大型電池與高電流測試：可搭配不同功率模組，適用於鈕扣電池、軟包電池、圓柱電池，甚至模組與電池包測試。
• 適合 P2D／DFN 電池模型建立：可直接取得正負極個別動力學參數，大幅提升電池模型參數化效率。
• 支援 Operando / In-situ 電化學分析：可在充放電、老化、脈衝等工況實際操作條件下，同步進行阻抗分析。
• 適用於 SOH 與老化機制研究：能區分正極衰退、負極鋰耗損、SEI 成長及電解液劣化等不同老化來源。

參考文獻

• Elucidating Individual Impedance Contributions via a Versatile Reference Electrode for Lithium-Ion Batteries·Anne Zhang, Brian J. Koch ECS Advances, 2026 DOI: 10.1149/2754-2734/ae3781

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