鋰電池工作過程及鋰電池內(nèi)阻影響因素
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-05 14:17
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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(lán)色箭頭表示充電，紅色箭頭表示放電。藍(lán)綠相間的晶格結(jié)構(gòu)為正極材料，黑色層狀為負(fù)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(fù)極為石墨材質(zhì)；正極集流體鋁箔，負(fù)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(fù)載接通后，在電池本體以外形成電流通路。由于正負(fù)極之間存在電勢差，負(fù)極附近的電子首先通集流體和外部導(dǎo)線向正極移動；負(fù)極周圍的鋰離子濃度升高。從負(fù)極經(jīng)過外部電路到達(dá)正極的電子，與正極附近的鋰離子結(jié)合，嵌入正極材料，正極附近的鋰離子濃度降低。正負(fù)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(fù)極，負(fù)極附近出現(xiàn)空缺，負(fù)極材料內(nèi)的鋰離子，從負(fù)極脫嵌，進(jìn)入電解液中；大量鋰離子從電解液中穿越隔膜，自負(fù)極向正極移動。同時，原本與鋰離子以結(jié)合形態(tài)存在的電子，則通過外部電路去往正極。電池開始了按照負(fù)載的需求進(jìn)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(fā)展的動力來自于充電機(jī)，而離子的運動方向是自正極向負(fù)極運動。這里不再贅述。
2 鋰電池內(nèi)阻構(gòu)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(nèi)阻。
電池的內(nèi)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(wěn)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(jié)構(gòu)、連接方式等有關(guān)。
極化電阻，加載電流的瞬間才產(chǎn)生的電阻，是電池內(nèi)部各種阻礙帶電離子抵達(dá)目的地的趨勢總和。極化電阻可以分為電化學(xué)極化和濃差極化兩部分。電化學(xué)極化是電解液中電化學(xué)反應(yīng)的速度無法達(dá)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(fù)極材料并在材料中移動的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度造成的。
3 鋰電池內(nèi)阻影響因素
從上面的過程可以推演出電池內(nèi)阻的影響因素。
3.1 外加因素
溫度，環(huán)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(xué)材料的活性，直接決定電化學(xué)反應(yīng)的速度和離子運動的速度。
電流或者說負(fù)載的需求，一方面電流的大小與極化內(nèi)阻有直接關(guān)聯(lián)。大體趨勢是電流越大，極化內(nèi)阻越大。另一方面，電流的熱效應(yīng)，對電化學(xué)材質(zhì)的活性產(chǎn)生影響。
3.2 電池自身因素
正極材料，負(fù)極材料，鋰離子嵌入和脫嵌的難易程度，決定了材料內(nèi)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(dǎo)電率的影響，是電化學(xué)極化電阻的主要構(gòu)成部分。
隔膜，隔膜自身電阻，直接構(gòu)成歐姆內(nèi)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(xué)極化電阻。
集流體電阻，部件連接電阻，是電池歐姆內(nèi)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(nèi)阻造成直接影響。
4 鋰電池內(nèi)阻測量
鋰電池內(nèi)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(nèi)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(rèn)為是電池的直流內(nèi)阻。
鋰電池極化內(nèi)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(nèi)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(yīng)，減少極化電阻的干擾。但由于電池內(nèi)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(jié)果的干擾。因此，人們權(quán)衡儀器精度和極化內(nèi)阻的影響，找到一個平衡二者關(guān)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(lián)，其內(nèi)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(nèi)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(jiān)測其端電壓的響應(yīng)情況。使用特定程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出電池的交流內(nèi)阻。分析得到的阻值，只與電池本身特性有關(guān)，與采用的激勵信號大小無關(guān)。
