鉅大LARGE | 點擊量:1097次 | 2019年05月22日
哪些要素影響了鋰電池的內(nèi)阻?
鋰電池為什么有內(nèi)阻?
鋰電池的內(nèi)阻,靜態(tài)內(nèi)阻和作業(yè)內(nèi)阻常常不同,在不同環(huán)境下,溫度不同內(nèi)阻也有變化。是哪些要素影響了鋰電池的內(nèi)阻?
1、鋰電池作業(yè)進程
鋰電池為什么有內(nèi)阻?
鋰離子電池充放電進程的物理模型。藍(lán)色箭頭表明充電,紅色箭頭表明放電。藍(lán)綠相間的晶格結(jié)構(gòu)為正極資料,黑色層狀為負(fù)極資料。目前主流的鋰離子電池,一般依照正極資料類型命名,磷酸鐵鋰、錳酸鋰等即為正極資料的類型;負(fù)極為石墨材質(zhì);正極集流體鋁箔,負(fù)極集流體為銅箔。
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%
下面以放電為例,描述一下鋰電池放電時的物理進程。
外部負(fù)載接通后,在電池本體以外構(gòu)成電流通路。因為正負(fù)極之間存在電勢差,負(fù)極附近的電子首要通集流體和外部導(dǎo)線向正極移動;負(fù)極周圍的鋰離子濃度升高。從負(fù)極經(jīng)過外部電路到達(dá)正極的電子,與正極附近的鋰離子結(jié)合,嵌入正極資料,正極附近的鋰離子濃度下降。正負(fù)極之間的鋰離子濃度差構(gòu)成。這樣,就完成了電池放電進程的第一推進。
隨著鋰離子在離子濃度差的推進下脫離負(fù)極,負(fù)極附近出現(xiàn)空缺,負(fù)極資料內(nèi)的鋰離子,從負(fù)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(fù)極向正極移動。一起,原本與鋰離子以結(jié)合形狀存在的電子,則經(jīng)過外部電路去往正極。電池開始了依照負(fù)載的需求進行的放電進程。
充電是放電的逆進程,相同的脫嵌,移動,嵌入幾個階段,只是推進進程發(fā)展的動力來自于充電機,而離子的運動方向是自正極向負(fù)極運動。這里不再贅述。
2、鋰電池內(nèi)阻構(gòu)成
了解了鋰電池的作業(yè)進程,那么進程中的阻止要素,便構(gòu)成了鋰電池的內(nèi)阻。
電池的內(nèi)阻包含歐姆電阻和極化電阻。在溫度安穩(wěn)的條件下,歐姆電阻根本安穩(wěn)不變,而極化電阻會隨著影響極化水平的要素變化。
歐姆電阻主要由電極資料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的銜接等各部分零件的觸摸電阻組成,與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、銜接辦法等有關(guān)。
極化電阻,加載電流的瞬間才產(chǎn)生的電阻,是電池內(nèi)部各種阻止帶電離子抵達(dá)目的地的趨勢總和。極化電阻可以分為電化學(xué)極化和濃差極化兩部分。電化學(xué)極化是電解液中電化學(xué)反響的速度無法到達(dá)電子的移動速度形成的;濃差極化,是鋰離子嵌入脫出正負(fù)極資料并在資料中移動的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度形成的。
3、鋰電池內(nèi)阻影響要素
從上面的進程可以推演出電池內(nèi)阻的影響要素。
3.1外加要素
溫度,環(huán)境溫度是各種電阻的重要影響要素,詳細(xì)到鋰電池,是因為溫度影響電化學(xué)資料的活性,直接決定電化學(xué)反響的速度和離子運動的速度。
電流或者說負(fù)載的需求,一方面電流的巨細(xì)與極化內(nèi)阻有直接相關(guān)。大體趨勢是電流越大,極化內(nèi)阻越大。另一方面,電流的熱效應(yīng),對電化學(xué)材質(zhì)的活性產(chǎn)生影響。
3.2電池自身要素
正極資料,負(fù)極資料,鋰離子嵌入和脫嵌的難易程度,決定了資料內(nèi)阻的巨細(xì),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(dǎo)電率的影響,是電化學(xué)極化電阻的主要構(gòu)成部分。
隔膜,隔膜自身電阻,直接構(gòu)成歐姆內(nèi)阻的一部分,一起其對鋰離子移動速率的阻止,又構(gòu)成了一部分電化學(xué)極化電阻。
集流體電阻,部件銜接電阻,是電池歐姆內(nèi)阻的主要組成部分。
工藝水平,極片制造工藝、涂料是否均勻、壓實密度怎么,這些電芯加工進程中工藝水平的凹凸,也會對極化內(nèi)阻形成直接影響。
4、鋰電池內(nèi)阻丈量
鋰電池內(nèi)阻丈量辦法,一般分為直流丈量辦法和溝通丈量辦法兩種。
4.1直流內(nèi)阻丈量辦法
運用電流源,給電池施加一個短時脈沖,丈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(rèn)為是電池的直流內(nèi)阻。
鋰電池極化內(nèi)阻會受到加載電流巨細(xì)的影響,為了盡量避開這個要素,直流丈量內(nèi)阻辦法的通電時間比較短,而且加載電流比較大。
理論上,丈量電流越小,越不會引起極化反響,削減極化電阻的干擾。但因為電池內(nèi)阻自身很小,都是毫歐量級,電流過小,電壓檢測儀器受限于丈量精度,無法掃除丈量誤差對成果的干擾。因而,人們權(quán)衡儀器精度和極化內(nèi)阻的影響,找到一個平衡二者聯(lián)系的丈量電流值。
關(guān)于一般電池單體來說,丈量電流一般在5C-10C左右,很大。隨著電芯容量的增大,或者多個電芯并聯(lián),其內(nèi)阻是減小的,因而,如果沒有儀器精度的提高,丈量電流是很難降下來的。
4.2溝通內(nèi)阻丈量辦法
給電池加載一個幅值較小的溝通輸入作為鼓勵,監(jiān)測其端電壓的呼應(yīng)情況。運用特定程序?qū)?shù)據(jù)進行分析,得出電池的溝通內(nèi)阻。分析得到的阻值,只與電池自身特性有關(guān),與采用的鼓勵信號巨細(xì)無關(guān)。
鋰電池為什么有內(nèi)阻?
因為電池電容特性的存在,鼓勵信號的頻率不同,其丈量得到的阻值也不同。軟件分析的成果可以用一組復(fù)數(shù)表明,橫軸為實部,縱軸為虛部。這樣,就構(gòu)成了一個圖譜,所謂溝通阻抗譜,如上圖所示。
經(jīng)過進一步的數(shù)據(jù)分析,人們可以從溝通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,從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。
鋰電池為什么有內(nèi)阻?
5、內(nèi)阻在工程實踐中的應(yīng)用
內(nèi)阻,作為鋰電池的關(guān)鍵特性之一,對它的研究成果,可以在工程制造等多個范疇得到應(yīng)用。
內(nèi)阻與電池荷電量有緊密聯(lián)系,因而被應(yīng)用于電池辦理體系中的SOC估量;
內(nèi)阻直接體現(xiàn)電池老化程度,有人把電芯內(nèi)阻作為電池健康狀況SOH的評估根據(jù);
單體內(nèi)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(tài)目標(biāo)遍及應(yīng)用;
內(nèi)阻又是電池故障的重要指征,在動力電池包的故障診斷體系中,被研究運用;
內(nèi)阻配合容量損失等目標(biāo),還可以判別電池是否存在析鋰現(xiàn)象,被應(yīng)用在梯次使用退役電池范疇。