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锂電池内阻總結

日期:2019-09-08 09:13
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摘要:電池放電時所有這些能量都不能完全轉化為電能,電化學反應總是伴随着能量的損失,這些能量損失包括:1)活化極化--它引起電極表面的電化學反應 2)濃差極化--它是由于電極表面和體相中反應物和産物濃度的不同而産生的,是物質傳遞的結果。極化的存在消耗了部分能量,并以熱的形式放出。

锂電池内阻總結

電阻(resistance)

The measure of an electrical circuit element's inability to carry eletrical current.The measurement of the resistance is the ohm

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。


那麼極化是怎麼來的呢?

電池放電時所有這些能量都不能完全轉化為電能,電化學反應總是伴随着能量的損失,這些能量損失包括:1)活化極化--它引起電極表面的電化學反應 2)濃差極化--它是由于電極表面和體相中反應物和産物濃度的不同而産生的,是物質傳遞的結果。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,通常可将锂離子電池極化分為歐姆極化、電化學極化和濃差極化三類。幾類極化各自的響應速度也不一樣。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。

以下分類解釋一下:

(1)歐姆極化
 顧名思義,有锂離子電池的歐姆内阻引起的極化,叫歐姆極化,也成電阻極化。電池的歐姆内阻(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,其極化電勢可以計算,E=IR(歐)。
歐姆極化是瞬時發生的。
 (2)電化學極化

指由于正、負極上電化學反應速度小于電子運動速度而造成的極化。

電化學極化一般認為是微秒級的

(3)濃差極化
指由于參與反應的锂離子在固相中的擴散速度小于電化學反應速度而造成的極化。
濃差極化一般認為是秒級的。


锂電池内阻的組成:

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内阻的組成因素,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需要建立複雜的數學模型加以計算。

内部阻抗由以下幾部分組成


☆ 離子電阻

①隔膜内部的電解液

影響因素

電解液電導率,隔膜面積、厚度、孔隙率、曲折系數(Gurley)

②正極内部的電解液

影響因素

電解液電導率,正極厚度、厚度、孔隙率、曲折系數

③負極内部的電解液

影響因素

電解液電導率,正極厚度、厚度、孔隙率、曲折系數


☆ 電子電阻

①兩個電極的活性物質

影響因素

電極電導率、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,極耳數量、位置

③引線(極耳、極柱、内部導電連接元件)

影響因素

外形尺寸、電導率


☆ 活性物質與集流體的接觸電阻

正極物質與鋁箔

負極物質與銅箔


電池電化學阻抗

把電極做一個等效電路圖,主要有歐姆阻抗Rb雙電層電容Cd電化學反應阻抗Rct以及擴散電阻Rw組成。一般來講,在锂離子的嵌入和脫出循環過程中,Rb值變化一般不大,而Cd和Rct的變化卻較為明顯。


電池阻抗主要體現為電化學反應阻抗,而歐姆阻抗相對較小。由下圖可知。随着溫度的下降,電池阻抗逐漸上升,且下降至0°C以後,阻抗速度增大,陰極阻抗呈類似的趨勢,從數值上來看,電池的阻抗主要來源于陰極阻抗的貢獻



其實在電池的整個循環過程中,陰極的阻抗占據整個電池阻抗的主要部分,隻比整體電池的阻抗略小一些,随着充放電循環的進行,陰極阻抗增大,電池的阻抗也随之增加。所以在電極制作的過程中需要特别注意陰極電阻的測試,極片電阻率特别重要。


交流内阻于直流内阻:

用交流法測出的是電池的阻抗,其實在企業裡都往往要求測試電池的直流内阻(DCR),IEC标準也對電池直流阻抗的測試做出了規定。

IEC測試方法

電池滿充電後,以0.2C放電10s,測試電壓為U1,電流I1.然後以1C放電1s,此時電壓為U2,電流I2.那麼電流直流内阻為:


那麼直流内阻和交流到底有多少差别呢?

如下為測試數據,從數據上看,電池的交流内阻和直流内阻相關,基本符合線性關系。

根據電池EIS測試結果,電池的交流内阻與歐姆電阻相近,但是直流内阻卻包含了歐姆内阻和活化阻抗,所以總的來說,直流内阻的測定有很重要的意義。