高倍率鋰電池內(nèi)阻還有這么多學(xué)問(wèn)?鋰電池內(nèi)阻講解
高倍率鋰電池內(nèi)阻還有這么多學(xué)問(wèn)?鋰電池內(nèi)阻講解。高倍率鋰電池被廣泛應(yīng)用于航模無(wú)人機(jī)、植保機(jī)、智能設(shè)備以及軍工用品等高端鋰電產(chǎn)品中,合理的了解和運(yùn)用高倍率鋰電池知識(shí)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)十分重要。本文主要通過(guò)五點(diǎn)來(lái)講解高倍率鋰電池的內(nèi)阻,一定要認(rèn)真看完哦,考試要考的!
一、鋰電池極化和內(nèi)阻
電阻(resistance)
鋰電池電阻表示一個(gè)電路元件對(duì)電流傳遞的阻礙程度的大小。單位是歐姆。
極化是怎么來(lái)的呢?
鋰電池放電時(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)
鋰電池在充放電過(guò)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。
我們以下分類解釋一下:
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(guò)一定的電流時(shí),其極化電勢(shì)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(dòng)速度而造成的極化。電化學(xué)極化一般認(rèn)為是微秒級(jí)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(jí)的。
二、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(shuō)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
1.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)
?、谡龢O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)
?、圬?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)
2.電子電阻
?、賰蓚€(gè)電極的活性物質(zhì)
影響因素
電極電導(dǎo)率、厚度、面積
?、诩黧w(銅箔和鋁箔)
影響因素
集流體厚度、寬度、長(zhǎng)度,極耳數(shù)量、位置
?、垡€(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
3.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
三、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(lái)講,在鋰離子的嵌入和脫出循環(huán)過(guò)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(duì)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(shì),從數(shù)值上來(lái)看,電池的阻抗主要來(lái)源于陰極阻抗的貢獻(xiàn)。
其實(shí)在電池的整個(gè)循環(huán)過(guò)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(guò)程中需要特別注意陰極電阻的測(cè)試,極片電阻率特別重要。
四、鋰電池的交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻
用交流法測(cè)出的是電池的阻抗,其實(shí)在企業(yè)里都往往要求測(cè)試電池的直流內(nèi)阻(DCR),IEC標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)電池直流阻抗的測(cè)試做出了規(guī)定。
IEC測(cè)試方法
電池滿充電后,以0.2C放電10s,測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)說(shuō),直流內(nèi)阻的測(cè)定有很重要的意義。
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