鋰電池內(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(gè)電路元件對(duì)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(lái)的呢?

電池放電時(shí)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)物濃度的不同而產(chǎn)生的，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(guò)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(lèi)。幾類(lèi)極化各自的響應(yīng)速度也不一樣。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(lèi)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(guò)一定的電流時(shí)，其極化電勢(shì)可以計(jì)算，E=IR(歐)。

歐姆極化是瞬時(shí)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(dòng)速度而造成的極化。

電化學(xué)極化一般認(rèn)為是微秒級(jí)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(jí)的。

鋰電池內(nèi)阻的組成

廣義而言，和歐姆電阻(IR)一樣，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(shuō)成是活化阻抗和濃差阻抗。活化極化和濃差極化的大小需要建立復(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(gè)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(zhǎng)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(gè)等效電路圖，主要有歐姆阻抗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(lái)講，在鋰離子的嵌入和脫出循環(huán)過(guò)程中，Rb值變化一般不大，而Cd和Rct的變化卻較為明顯。

電池阻抗主要體現(xiàn)為電化學(xué)反應(yīng)阻抗，而歐姆阻抗相對(duì)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(lèi)似的趨勢(shì)，從數(shù)值上來(lái)看，電池的阻抗主要來(lái)源于陰極阻抗的貢獻(xiàn)。

其實(shí)在電池的整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，陰極的阻抗占據(jù)整個(gè)電池阻抗的主要部分，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，電池的阻抗也隨之增加。所以在電極制作的過(guò)程中需要特別注意陰極電阻的測(cè)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(cè)出的是電池的阻抗，其實(shí)在企業(yè)里都往往要求測(cè)試電池的直流內(nèi)阻(DCR)，IEC標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)電池直流阻抗的測(cè)試做出了規(guī)定。

IEC測(cè)試方法

電池滿充電后，以0.2C放電10s，測(cè)試電壓為U1，電流I1.然后以1C放電1s，此時(shí)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(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)，直流內(nèi)阻的測(cè)定有很重要的意義。