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鋰電池內(nèi)阻是一門學(xué)問,講明白可不件容易的事

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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

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

 

極化和內(nèi)阻

 

電阻(resistance)

電阻表示一個(gè)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(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)

電池在充放電過程中是存在極化的,通??蓪囯x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(shí),其極化電勢可以計(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,或者說成是活化阻抗和濃差阻抗?;罨瘶O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

☆ 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)

☆ 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

☆ 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。

電池阻抗主要體現(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,電池的阻抗主要來源于陰極阻抗的貢獻(xiàn)。

 

其實(shí)在電池的整個(gè)循環(huán)過程中,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程中需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)在企業(yè)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(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。