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鋰離子電池內(nèi)阻總結(jié)

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1426次  |  2020年08月06日  

鋰離子電池內(nèi)阻


目錄


a)極化與內(nèi)阻


b)鋰離子電池電阻的組成


c)電池的電化學(xué)阻抗分析


d)交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻


極化與內(nèi)阻


電阻(resistance)


電阻表示一個電路元件對電流傳遞的阻礙程度的大小。單位是歐姆。


那么極化是怎么來的呢?


電池放電時所有這些能量都不能完全轉(zhuǎn)化為電能,電化學(xué)反應(yīng)總是伴隨著能量的損失,這些能量損失包括:1)活化極化--它引起電極表面的電化學(xué)反應(yīng)2)濃差極化--它是由于電極表面和體相中反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度的不同而出現(xiàn)的,是物質(zhì)傳遞的結(jié)果。極化的存在消耗了部分能量,并以熱的形式放出。


極化(polarization)


電池在充放電過程中是存在極化的,通常可將鋰離子電池極化分為歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化三類。幾類極化各自的響應(yīng)速度也不相同。影響極化程度的因素很多,但一般情況下充放電電流密度越大,極化也就越大。


以下分類解釋一下:


(1)歐姆極化


顧名思義,有鋰離子電池的歐姆內(nèi)阻引起的極化,叫歐姆極化,也成電阻極化。電池的歐姆內(nèi)阻(R)由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成(有些解釋還把膜電阻也算上),通過一定的電流時,其極化電勢可以計(jì)算,E=IR(歐)。


歐姆極化是瞬時發(fā)生的。


(2)電化學(xué)極化


指由于正、負(fù)極上電化學(xué)反應(yīng)速度小于電子運(yùn)動速度而造成的極化。


電化學(xué)極化一般認(rèn)為是微秒級的


(3)濃差極化


指由于參與反應(yīng)的鋰離子在固相中的擴(kuò)散速度小于電化學(xué)反應(yīng)速度而造成的極化。


濃差極化一般認(rèn)為是秒級的。


鋰離子電池內(nèi)阻的組成


廣義而言,和歐姆電阻(IR)相同,活化極化和濃差極化都可以理解成電池內(nèi)阻的組成因素,或者說成是活化阻抗和濃差阻抗。活化極化和濃差極化的大小要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型加以計(jì)算。


內(nèi)部阻抗由以下幾部分組成


1、離子電阻


①隔膜內(nèi)部的電解液


影響因素


電解液電導(dǎo)率,隔膜面積、厚度、孔隙率、曲折系數(shù)(Gurley)


②正極內(nèi)部的電解液


影響因素


電解液電導(dǎo)率,正極厚度、厚度、孔隙率、曲折系數(shù)


③負(fù)極內(nèi)部的電解液


影響因素


電解液電導(dǎo)率,正極厚度、厚度、孔隙率、曲折系數(shù)


2、電子電阻


①兩個電極的活性物質(zhì)


影響因素


電極電導(dǎo)率、厚度、面積


②集流體(銅箔和鋁箔)


影響因素


集流體厚度、寬度、長度,極耳數(shù)量、位置


③引線(極耳、極柱、內(nèi)部導(dǎo)電連接元件)


影響因素


外形尺寸、電導(dǎo)率


3、活性物質(zhì)與集流體的接觸電阻


正極物質(zhì)與鋁箔


負(fù)極物質(zhì)與銅箔


電池的電化學(xué)阻抗


把電極做一個等效電路圖,重要有歐姆阻抗Rb,雙電層電容Cd、電化學(xué)反應(yīng)阻抗Rct以及擴(kuò)散電阻Rw組成。一般來講,在鋰離子的嵌入和脫出循環(huán)過程中,Rb值變化一般不大,而Cd和Rct的變化卻較為明顯。


電池阻抗重要體現(xiàn)為電化學(xué)反應(yīng)阻抗,而歐姆阻抗相對較小。由下圖可知。隨著溫度的下降,電池阻抗逐漸上升,且下降至0°C以后,阻抗速度增大,陰極阻抗呈類似的趨勢,從數(shù)值上來看,電池的阻抗重要來源于陰極阻抗的貢獻(xiàn)。


其實(shí)在電池的整個循環(huán)過程中,陰極的阻抗占據(jù)整個電池阻抗的重要部分,只比整體電池的阻抗略小一些,隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行,陰極阻抗增大,電池的阻抗也隨之新增。所以在電極制作的過程中要特別注意陰極電阻的測試,極片電阻率特別重要。


交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻


用交流法測出的是電池的阻抗,其實(shí)在公司里都往往要求測試電池的直流內(nèi)阻(DCR),IEC標(biāo)準(zhǔn)也對電池直流阻抗的測試做出了規(guī)定。


IEC測試方法


電池滿充電后,以0.2C放電10s,測試電壓為U1,電流I1.然后以1C放電1s,此時電壓為U2,電流I2.那么電流直流內(nèi)阻為:


那么直流內(nèi)阻和交流到底有多少差別呢?


如下為測試數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)上看,電池的交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻相關(guān),基本符合線性關(guān)系。


根據(jù)電池EIS測試結(jié)果,電池的交流內(nèi)阻與歐姆電阻相近,但是直流內(nèi)阻卻包含了歐姆內(nèi)阻和活化阻抗,所以總的來說,直流內(nèi)阻的測定有很重要的意義。


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