鋰電池內(nèi)阻分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-09-03 07:10
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鋰電池內(nèi)阻不是定值，它跟鋰電池的工作狀態(tài)有關(guān)，包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻這兩部分。
1）歐姆內(nèi)阻
歐姆內(nèi)阻是鋰電池的固有電阻，也就是直流內(nèi)阻，在一定的SOC 狀態(tài)下可認為是固定的，它主要由電極材料、電解液、隔膜的電阻及其他各部分材料的內(nèi)阻組成。圖顯示了鋰電池在某個SOC狀態(tài)下放電的過程。當鋰電池開始放電時，歐姆內(nèi)阻會在鋰電池兩端產(chǎn)生一個瞬間電壓降ΔU1，這個壓降持續(xù)的時間很短( 2 ms 以內(nèi)) ，因此鋰電池動態(tài)內(nèi)阻的測試要有較短的響應(yīng)時間。短時間之后鋰電池的極化作用發(fā)生功效，鋰電池兩端的電壓降主要由極化內(nèi)阻引起，在充電過程中，歐姆內(nèi)阻也會在鋰電池兩端引起一個瞬時電壓上升的變化，之后就是極化內(nèi)阻起作用。
2）極化內(nèi)阻
鋰電池在放電之后很短時間內(nèi)的電壓降變化由歐姆內(nèi)阻引起，之后的電壓降主要由極化作用引起。因為鋰電池內(nèi)部在進行化學(xué)反應(yīng)，極化作用和電池SOC 狀態(tài)變化都會引起電池輸出電壓的下降，但是這種變化是緩慢的，不同于歐姆內(nèi)阻引起的電池兩端電壓瞬時下降。此時的內(nèi)阻是鋰電池化學(xué)反應(yīng)中離子濃度引起的，即稱為“極化內(nèi)阻”。該內(nèi)阻值隨著反應(yīng)的進行是變化的，其大小與檢測的時間和電流的強度有關(guān)。
在放電過程中10 ～ 20 s 時間內(nèi)電壓的連續(xù)緩慢下降，以及在充電過程中20 s 之后電壓的連續(xù)緩慢上升都是由極化內(nèi)阻引起的。
1.3 內(nèi)阻影響因素
鋰電池交直流內(nèi)阻與溫度呈現(xiàn)明顯的逆向關(guān)系，即溫度下降內(nèi)阻上升，并且呈現(xiàn)出典型的非線性特征。在實際應(yīng)用過程中應(yīng)盡量避免鋰電池在低溫環(huán)境中進行充放電，尤其低溫充電對電池性能影響非常大。
鋰電池不同SOC 狀態(tài)下直流內(nèi)阻呈現(xiàn)出放電深度越大，其直流內(nèi)阻也越大的趨勢; 圖顯示了鋰電池在不同SOC 狀態(tài)下交流內(nèi)阻非常接近，可以認為鋰電池交流內(nèi)阻沒有隨SOC 的變化而變化。在不同SOC 狀態(tài)下鋰電池的交流內(nèi)阻基本無變化，故在應(yīng)用過程中只需考察不同SOC 狀態(tài)下直流內(nèi)阻值即可。
1 溫度
溫度對內(nèi)阻大小的影響是顯而易見的，溫度越低，電池內(nèi)部的離子傳輸就越慢，電池的內(nèi)阻就越大。電池阻抗可以分為體相阻抗、SEI 膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗，體相阻抗和 SEI 膜阻抗主要受電解液離子電導(dǎo)率影響，在低溫下的變化趨勢與電解液電導(dǎo)率變化趨勢一致。相較體相阻抗和SEI膜阻在低溫下的增幅，電荷反應(yīng)阻抗隨溫度降低增加更加顯著，在-20℃以下，電荷反應(yīng)阻抗占電池總內(nèi)阻的比例幾乎達到 100 %。
2 SOC
當電池處于不同的SOC時，其內(nèi)阻大小也不相同，尤其是直流內(nèi)阻直接影響著電池的功率性能，進而反映電池在實際狀態(tài)下的電池性能：鋰電池直流內(nèi)阻隨電池放電深度DOD的增加而增加，在10%~80%的放電區(qū)間時內(nèi)阻大小基本不變，一般在較深的放電深度時內(nèi)阻增加顯著。
3 存儲
隨著鋰離子電池存儲時間的增加，電池不斷老化，其內(nèi)阻不斷增大。不同類型的鋰電池內(nèi)阻變化程度不同。在經(jīng)歷9-10月長時間的存儲后，LFP電池的內(nèi)阻增加率比NCA和NCM電池的內(nèi)阻增加率高。內(nèi)阻的增加率與存儲時間、存儲溫度和存儲SOC相關(guān)，Stroe 等通過對 LFP/C 電池24~36個月的存儲研究量化了它們之間的關(guān)系(如下)：
4 循環(huán)
不管是存儲還是循環(huán)，溫度對電池內(nèi)阻的影響都是一致的，循環(huán)溫度越高，內(nèi)阻增加率越大。而不同的循環(huán)區(qū)間對電池的內(nèi)阻影響也不相同，電池內(nèi)阻隨著充放電深度的提高而加速增長，內(nèi)阻的增幅與充放電深度的加強成正比。
除了循環(huán)中充放電深度的影響，充電截至電壓也有影響：太低或太高的充電電壓上限會使得電極的界面阻抗加大，Zheng等認為LFP/C電池在循環(huán)中的最優(yōu)上限充電電壓為3.9~4.3V，實驗發(fā)現(xiàn)太低的上限電壓下不能夠很好地形成鈍化膜，而太高的電壓上限會導(dǎo)致電解液在 LiFePO4電極表面氧化分解形成電導(dǎo)率低的產(chǎn)物。
