鉅大LARGE | 點擊量：1427次 | 2021年04月07日
靜態內阻和工作內阻常常不同，是什么因素影響了鋰離子電池的內阻？
1鋰離子電池內阻的構成
鋰離子電池內阻重要包括兩個部分，歐姆內阻和極化內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。
歐姆電阻重要由電極材料、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。鋰離子電池的端電壓，指鋰離子電池被連接在回路中處于工作狀態時，檢測到的電池正負極之間的電壓，其數值等于鋰離子電池電勢減去歐姆內阻占壓后，剩余的電壓值。
觀察下面圖形，展示的是鋰離子電池放電過程的電壓-時間曲線的開始一段。電池開始放電后，曲線有一個瞬間壓降ΔU1，這是回路通電瞬間，電壓傳感器檢測到的電池兩端電壓從開路電壓（等于電池電勢）切換到端電壓的結果，ΔU1就是歐姆內阻占壓，ΔU2則是在放電結束時候，斷開回路時，電池端電壓曲線上出現的一段電壓回升，同樣是歐姆內阻帶來的影響，ΔU1與ΔU2是相同的。
能夠檢測到純歐姆內阻的時間比較短暫，因為隨著電流逐漸上升至額定回路電流的過程中，極化現象逐漸加強，兩種內阻的用途將混合到一起，不能分別。測量歐姆內阻的時間窗口在1~2ms以內。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
極化內阻，從電芯內由電流出現那一刻開始跟著出現，隨著電流的增大而增大，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。
上圖電壓時間曲線上的ΔU3一段，是回路斷開后，電池端電壓逐漸回升的一段，是電池內部去極化過程的體現，ΔU3的數值就是極化內阻的占壓。在不同的放電狀態下，ΔU3的數值并不相同。1鋰離子電池工作過程
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，描述一下鋰離子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鋰離子電池內阻構成
了解了鋰離子電池的工作過程，那么過程中的阻礙因素，便形成了鋰離子電池的內阻。
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。
歐姆電阻重要由電極材料、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，加載電流的瞬間才出現的電阻，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鋰離子電池內阻影響因素
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，具體到鋰離子電池，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出現影響。
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重要構成部分。
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，是電池歐姆內阻的重要組成部分。
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鋰離子電池內阻測量
鋰離子電池內阻測量方法，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。
鋰離子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。
關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，假如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。
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，作為鋰離子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，在動力鋰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。
