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鋰離子電池充放電過程,鋰電池放電曲線全面解析

鉅大LARGE  |  點擊量:5235次  |  2018年08月01日  

摘要
測定電池的放電曲線,是研究電池性能的基本方法之一,根據放電曲線,可以判斷電池工作性能是否穩定,以及電池在穩定工作時所允許的最大電流。本文詳細全面地介紹鋰離子電池放電曲線的基礎知識。由于作者水平有限,文中錯誤之處,歡迎批評指正。本文較長,10000多字,主要內容包括:

測定電池的放電曲線,是研究電池性能的基本方法之一,根據放電曲線,可以判斷電池工作性能是否穩定,以及電池在穩定工作時所允許的最大電流。本文詳細全面地介紹鋰離子電池放電曲線的基礎知識。由于作者水平有限,文中錯誤之處,歡迎批評指正。本文較長,10000多字,主要內容包括:


1電池的電壓


1.1鋰離子電池材料的電極電位


1.2電池的開路電壓


1.3電池極化


1.4電池的工作電壓


2放電測試基本原理


2.1放電測試模式


2.2放電曲線包含的信息


2.3放電曲線的基本形式


3放電曲線的微分處理


鋰離子電池放電時,它的工作電壓總是隨著時間的延續而不斷發生變化,用電池的工作電壓做縱坐標,放電時間,或容量,或荷電狀態(SOC),或放電深度(DOD)做橫坐標,繪制而成的曲線稱為放電曲線。要認識電池的放電特性曲線,首先需要從原理上理解電池的電壓。


1電池的電壓


電極反應要形成電池必須滿足以下條件:化學反應中失去電子的過程(即氧化過程)和得到電子的過程(即還原反應過程)必須分隔在兩個不同區域中進行,這區別于一般的氧化還原反應;兩電極的活性物質進行氧化還原反應時所需的電子必須由外電路傳遞,這區別于金屬腐蝕過程的微電池反應。電池的電壓是正極與負極之間的電勢差,具體的關鍵參數包括開路電壓、工作電壓、充放電截止電壓等。


1.1鋰離子電池材料的電極電位


電極電位是指固體材料浸于電解質溶液中,顯示出電的效應,即金屬的表面與溶液間產生的電位差,這種電位差稱為金屬在此溶液中的電位或電極電位。簡單說電極電位是表示某種離子或原子獲得電子而被還原的趨勢。


因此,對某種正極或負極材料來說,當處于有鋰鹽的電解質中時,其電極電位表示成:


其中,φc即是這種物質表現出來的電極電位。表1中所列的標準電極電勢(25.0℃,101.325kPa)是相對于標準氫電極電勢的值。標準氫電極電勢被規定為0.0V。


表1常見的材料在水溶液中的標準電極電勢


1.2電池的開路電壓


電池電動勢是根據電池反應,應用熱力學方法進行計算的理論值,即電池在斷路時處于可逆平衡狀態下,正負極之間的平衡電極電勢之差,是電池可以給出電壓的極大值。而實際上,正負極在電解液中并不一定處于熱力學平衡狀態,即電池的正負極在電解質溶液中所建立的電極電勢通常并非平衡電極電勢,因此電池的開路電壓一般均小于它的電動勢。對于電極反應:


考慮反應物組分的非標準狀態以及活性組分的活度(或濃度)隨時間的變化,采用能斯特方程修正電池實際開路電壓:


其中,R是氣體常數,T是反應溫度,a是組分活度或濃度。電池的開路電壓取決于電池正負極材料的性質、電解質和溫度條件等,而與電池的幾何結構和尺寸大小無關。


鋰離子電極材料制備成極片,與金屬鋰片組裝成紐扣半電池,可以測得電極材料在不同的SOC狀態下的開路電壓,開路電壓曲線是電極材料荷電狀態的反應,圖1是磷酸鐵鋰電極材料的開路電壓曲線,從開路電壓曲線可以判定電極材料的對應的脫嵌鋰狀態。而電池的開路電壓曲線是正負極材料信息的疊加狀態。

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