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锂电池内阻总结

日期:2019-08-19 20:28
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摘要:电池放电时所有这些能量都不能完全转化为电能,电化学反应总是伴随着能量的损失,这些能量损失包括:1)活化极化--它引起电极表面的电化学反应 2)浓差极化--它是由于电极表面和体相中反应物和产物浓度的不同而产生的,是物质传递的结果。极化的存在消耗了部分能量,并以热的形式放出。

锂电池内阻总结

电阻(resistance)

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

电阻表示一个电路元件对电流传递的阻碍程度的大小。单位是欧姆。


那么极化是怎么来的呢?

电池放电时所有这些能量都不能完全转化为电能,电化学反应总是伴随着能量的损失,这些能量损失包括:1)活化极化--它引起电极表面的电化学反应 2)浓差极化--它是由于电极表面和体相中反应物和产物浓度的不同而产生的,是物质传递的结果。极化的存在消耗了部分能量,并以热的形式放出。

极化( polarization)

电池在充放电过程中是存在极化的,通常可将锂离子电池极化分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化三类。几类极化各自的响应速度也不一样。影响极化程度的因素很多,但一般情况下充放电电流密度越大,极化也就越大。

以下分类解释一下:

(1)欧姆极化
 顾名思义,有锂离子电池的欧姆内阻引起的极化,叫欧姆极化,也成电阻极化。电池的欧姆内阻(R)由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成(有些解释还把膜电阻也算上),通过一定的电流时,其极化电势可以计算,E=IR(欧)。
欧姆极化是瞬时发生的。
 (2)电化学极化

指由于正、负极上电化学反应速度小于电子运动速度而造成的极化。

电化学极化一般认为是微秒级的

(3)浓差极化
指由于参与反应的锂离子在固相中的扩散速度小于电化学反应速度而造成的极化。
浓差极化一般认为是秒级的。


锂电池内阻的组成:

广义而言,和欧姆电阻(IR)一样,活化极化和浓差极化都可以理解成电池内阻的组成因素,或者说成是活化阻抗和浓差阻抗。活化极化和浓差极化的大小需要建立复杂的数学模型加以计算。

内部阻抗由以下几部分组成


☆ 离子电阻

①隔膜内部的电解液

影响因素

电解液电导率,隔膜面积、厚度、孔隙率、曲折系数(Gurley)

②正极内部的电解液

影响因素

电解液电导率,正极厚度、厚度、孔隙率、曲折系数

③负极内部的电解液

影响因素

电解液电导率,正极厚度、厚度、孔隙率、曲折系数


☆ 电子电阻

①两个电极的活性物质

影响因素

电极电导率、厚度、面积

②集流体(铜箔和铝箔)

影响因素

集流体厚度、宽度、长度,极耳数量、位置

③引线(极耳、极柱、内部导电连接元件)

影响因素

外形尺寸、电导率


☆ 活性物质与集流体的接触电阻

正极物质与铝箔

负极物质与铜箔


电池电化学阻抗

把电极做一个等效电路图,主要有欧姆阻抗Rb双电层电容Cd电化学反应阻抗Rct以及扩散电阻Rw组成。一般来讲,在锂离子的嵌入和脱出循环过程中,Rb值变化一般不大,而Cd和Rct的变化却较为明显。


电池阻抗主要体现为电化学反应阻抗,而欧姆阻抗相对较小。由下图可知。随着温度的下降,电池阻抗逐渐上升,且下降至0°C以后,阻抗速度增大,阴极阻抗呈类似的趋势,从数值上来看,电池的阻抗主要来源于阴极阻抗的贡献



其实在电池的整个循环过程中,阴极的阻抗占据整个电池阻抗的主要部分,只比整体电池的阻抗略小一些,随着充放电循环的进行,阴极阻抗增大,电池的阻抗也随之增加。所以在电极制作的过程中需要特别注意阴极电阻的测试,极片电阻率特别重要。


交流内阻于直流内阻:

用交流法测出的是电池的阻抗,其实在企业里都往往要求测试电池的直流内阻(DCR),IEC标准也对电池直流阻抗的测试做出了规定。

IEC测试方法

电池满充电后,以0.2C放电10s,测试电压为U1,电流I1.然后以1C放电1s,此时电压为U2,电流I2.那么电流直流内阻为:


那么直流内阻和交流到底有多少差别呢?

如下为测试数据,从数据上看,电池的交流内阻和直流内阻相关,基本符合线性关系。

根据电池EIS测试结果,电池的交流内阻与欧姆电阻相近,但是直流内阻却包含了欧姆内阻和活化阻抗,所以总的来说,直流内阻的测定有很重要的意义。



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