電池極化電勢分析與電池內阻測定計算方案

2020-11-23 電子發燒友

電池極化電勢分析與電池內阻測定計算方案

胡薇 發表於 2018-04-10 17:55:24

電池的歐姆內阻(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)。

1.電阻（resistance）

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反應 2）濃差極化--它是由於電極表面和體相中反應物和產物濃度的不同而產生的，是物質傳遞的結果。極化的存在消耗了部分能量，並以熱的形式放出。

2.極化（ polarization）

電池在充放電過程中是存在極化的，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，有鋰離子電池的歐姆內阻引起的極化，叫歐姆極化，也成電阻極化。電池的歐姆內阻(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

指由於正、負極上電化學反應速度小於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)濃差極化指由於參與反應的鋰離子在固相中的擴散速度小於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。

鋰電池內阻的組成

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。

內部阻抗由以下幾部分組成

☆ 離子電阻

①隔膜內部的電解液

影響因素：電解液電導率，隔膜面積、厚度、孔隙率、曲折係數（Gurley）

②正極內部的電解液

影響因素：電解液電導率，正極厚度、厚度、孔隙率、曲折係數

③負極內部的電解液

影響因素：電解液電導率，正極厚度、厚度、孔隙率、曲折係數

☆ 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、內部導電連接元件）

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

電池的電化學抗阻

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，在鋰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。隨著溫度的下降，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於陰極阻抗的貢獻。

其實在電池的整個循環過程中，陰極的阻抗佔據整個電池阻抗的主要部分，只比整體電池的阻抗略小一些，隨著充放電循環的進行，陰極阻抗增大，電池的阻抗也隨之增加。所以在電極製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。

交流內阻與直流內阻

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內阻（DCR），IEC標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.那麼電流直流內阻為：

那麼直流內阻和交流到底有多少差別呢？

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

根據電池EIS測試結果，電池的交流內阻與歐姆電阻相近，但是直流內阻卻包含了歐姆內阻和活化阻抗。

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