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鋰電池的內阻及其影響因素

鉅大LARGE  |  點擊量:5581次  |  2018年06月28日  

摘要
鋰電池的內阻,靜態內阻和工作內阻常常不同,在不同環境下,溫度不同內阻也有變化。是哪些因素影響了鋰電池的內阻?

鋰電池的內阻,靜態內阻和工作內阻常常不同,在不同環境下,溫度不同內阻也有變化。是哪些因素影響了鋰電池的內阻?

1鋰電池工作過程

如上圖所示,鋰離子電池充放電過程的物理模型。藍色箭頭表示充電,紅色箭頭表示放電。藍綠相間的晶格結構為正極材料,黑色層狀為負極材料。目前主流的鋰離子電池,一般按照正極材料類型命名,磷酸鐵鋰、錳酸鋰等即為正極材料的類型;負極為石墨材質;正極集流體鋁箔,負極集流體為銅箔。

下面以放電為例,描述一下鋰電池放電時的物理過程。

外部負載接通后,在電池本體以外形成電流通路。由于正負極之間存在電勢差,負極附近的電子首先通集流體和外部導線向正極移動;負極周圍的鋰離子濃度升高。從負極經過外部電路到達正極的電子,與正極附近的鋰離子結合,嵌入正極材料,正極附近的鋰離子濃度降低。正負極之間的鋰離子濃度差形成。這樣,就完成了電池放電過程的第一推動。

隨著鋰離子在離子濃度差的推動下離開負極,負極附近出現空缺,負極材料內的鋰離子,從負極脫嵌,進入電解液中;大量鋰離子從電解液中穿越隔膜,自負極向正極移動。同時,原本與鋰離子以結合形態存在的電子,則通過外部電路去往正極。電池開始了按照負載的需求進行的放電過程。

充電是放電的逆過程,同樣的脫嵌,移動,嵌入幾個階段,只是推動過程發展的動力來自于充電機,而離子的運動方向是自正極向負極運動。這里不再贅述。

2鋰電池內阻構成

了解了鋰電池的工作過程,那么過程中的阻礙因素,便形成了鋰電池的內阻。

電池的內阻包括歐姆電阻和極化電阻。在溫度恒定的條件下,歐姆電阻基本穩定不變,而極化電阻會隨著影響極化水平的因素變動。

歐姆電阻主要由電極材料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成,與電池的尺寸、結構、連接方式等有關。

極化電阻,加載電流的瞬間才產生的電阻,是電池內部各種阻礙帶電離子抵達目的地的趨勢總和。極化電阻可以分為電化學極化和濃差極化兩部分。電化學極化是電解液中電化學反應的速度無法達到電子的移動速度造成的;濃差極化,是鋰離子嵌入脫出正負極材料并在材料中移動的速度小于鋰離子向電極集結的速度造成的。

3鋰電池內阻影響因素

從上面的過程可以推演出電池內阻的影響因素。

3.1外加因素

溫度,環境溫度是各種電阻的重要影響因素,具體到鋰電池,是由于溫度影響電化學材料的活性,直接決定電化學反應的速度和離子運動的速度。

電流或者說負載的需求,一方面電流的大小與極化內阻有直接關聯。大體趨勢是電流越大,極化內阻越大。另一方面,電流的熱效應,對電化學材質的活性產生影響。

3.2電池自身因素

正極材料,負極材料,鋰離子嵌入和脫嵌的難易程度,決定了材料內阻的大小,是濃差極化電阻的一部分。

電解液,鋰離子在電解液中的移動速率,受電解液導電率的影響,是電化學極化電阻的主要構成部分。

隔膜,隔膜自身電阻,直接構成歐姆內阻的一部分,同時其對鋰離子移動速率的阻礙,又形成了一部分電化學極化電阻。

集流體電阻,部件連接電阻,是電池歐姆內阻的主要組成部分。

工藝水平,極片制作工藝、涂料是否均勻、壓實密度如何,這些電芯加工過程中工藝水平的高低,也會對極化內阻造成直接影響。

4鋰電池內阻測量

鋰電池內阻測量方法,一般分為直流測量方法和交流測量方法兩種。

4.1直流內阻測量方法

使用電流源,給電池施加一個短時脈沖,測量其端電壓與開路電壓的差。用這個差值除以測試電流即認為是電池的直流內阻。

鋰電池極化內阻會受到加載電流大小的影響,為了盡量避開這個因素,直流測量內阻方法的通電時間比較短,并且加載電流比較大。

理論上,測量電流越小,越不會引起極化反應,減少極化電阻的干擾。但由于電池內阻本身很小,都是毫歐量級,電流過小,電壓檢測儀器受限于測量精度,無法排除測量誤差對結果的干擾。因此,人們權衡儀器精度和極化內阻的影響,找到一個平衡二者關系的測量電流值。

對于普通電池單體來說,測量電流一般在5C-10C左右,很大。隨著電芯容量的增大,或者多個電芯并聯,其內阻是減小的,因此,如果沒有儀器精度的提高,測量電流是很難降下來的。

4.2交流內阻測量方法

給電池加載一個幅值較小的交流輸入作為激勵,監測其端電壓的響應情況。使用特定程序對數據進行分析,得出電池的交流內阻。分析得到的阻值,只與電池本身特性有關,與采用的激勵信號大小無關。

由于電池電容特性的存在,激勵信號的頻率不同,其測量得到的阻值也不同。軟件分析的結果可以用一組復數表示,橫軸為實部,縱軸為虛部。這樣,就形成了一個圖譜,所謂交流阻抗譜,如上圖所示。

通過進一步的數據分析,人們可以從交流阻抗譜中得到這只電池的歐姆電阻,SEI膜的擴散電阻,SEI膜的電容值,電荷在電解液中傳遞的等效電容值以及電荷在電解液中擴散電阻值,進而繪制出電池等效模型,進行電池性能的進一步研究。一種等效電池模型,如下圖所示。

5內阻在工程實踐中的應用

內阻,作為鋰電池的關鍵特性之一,對它的研究成果,可以在工程制造等多個領域得到應用。

內阻與電池荷電量有緊密關系,因此被應用于電池管理系統中的SOC估計;

內阻直接體現電池老化程度,有人把電芯內阻作為電池健康狀態SOH的評估依據;

單體內阻一致性直接影響成組后的模組容量和壽命,因而被作為電芯分選配組的靜態指標普遍應用;

內阻又是電池故障的重要指征,在動力電池包的故障診斷系統中,被研究使用;

內阻配合容量損失等指標,還可以判斷電池是否存在析鋰現象,被應用在梯次利用退役電池領域。

參考

1張持健,鋰電池SOC預測方法綜述

2蓄電池剩余容量在線檢測方法研究

3基于交流阻抗法的蓄電池內阻測量

4磷酸鐵鋰電池直流內阻測定

5黃偉昭,基于開路電壓回升速率和交流阻抗相結合的一種鋰離子電池SOH算法

6凡旭國,鋰離子電池組等效電路建模及SOC估算的研究

7李然,鋰動力電池健康度評價與估算方法的研究

8于智龍,基于自放電技術的電動車用鋰動力電池SOC預測算法研究

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