什么是锂电池的内阻?锂电池内阻的测量以及应用

来源:诺信电子   2019-08-26  阅读数:

  什么是锂电池的内阻?锂电池内阻的测量以及应用。锂电池内阻是衡量锂电池性能的一个重要技术指标。锂电池的内阻包括欧姆电阻和极化电阻。在温度恒定的条件下,欧姆电阻基本稳定不变,而极化电阻会随着影响极化水平的因素变动。

  欧姆电阻主要由电极材料、电解液、隔膜电阻及集流体、极耳的连接等各部分零件的接触电阻组成,与电池的尺寸、结构、连接方式等有关。

  极化电阻,加载电流的瞬间才产生的电阻,是电池内部各种阻碍带电离子抵达目的地的趋势总和。极化电阻可以分为电化学极化和浓差极化两部分。电化学极化是电解液中电化学反应的速度无法达到电子的移动速度造成的;浓差极化,是锂离子嵌入脱出正负极材料并在材料中移动的速度小于锂离子向电极集结的速度造成的。

  正常情况下,内阻小的锂电池的大电流放电能力强,内阻大的锂电池放电能力弱。相同类型的电池,由于内部化学特性的不一致,内阻也不一样。锂电池的内阻很小,锂电池厂家一般用毫欧的单位来定义它。

  我们可以把锂电池和内阻拆开考虑,分为一个完全没有内阻的电源串接上一个阻值很小的电阻。此时如果外接的负载轻,那么分配在这个小电阻上的电压就小,反之如果外接很重的负载,那么分配在这个小电阻上的电压就比较大,就会有一部分功率被消耗在这个内阻上(可能转化为发热,或者是一些复杂的逆向电化学反应)。一个可充电锂电池出厂时的内阻是比较小的,但经过长期使用后,由于锂电池内部电解液的枯竭,以及锂电池内部化学物质活性的降低,这个内阻会逐渐增加,直到内阻大到锂电池内部的电量无法正常释放出来,此时锂电池也就“寿终正寝”了。绝大部分老化的锂电池都是因为内阻过大的原因而造成无使用价值,只好报废。

一、锂电池内阻不是一个固定的数值

  锂电池处于不同的电量状态时,其内阻值不一样;锂电池处于不同的使用寿命状态下,它的内阻值也不同。从技术的角度出发,我们一般把电池的电阻分为两种状态考虑:充电态内阻和放电态内阻。

  1.充电态内阻指电池完全充满电时的所测量到的电池内阻。

  2.放电态内阻指电池充分放电后(放电到标准的截止电压时)所测量到的电池内阻。

  一般情况下放电态的内阻是不稳定的,测量的结果也比正常值高出许多,而充电态内阻相对比较稳定,测量这个数值具有实际的比较意义。因此在电池的测量过程中,我们都以充电态内阻做为测量的标准。

二、锂电池内阻无法用一般方法精确测量

  或许大家会说,高中物理课上有教用简单公式+电阻箱计算电池内阻的方法……但物理课本上教的用电阻箱推算的算法精度太低,只能用于理论的教学,在实际应用上根本无法采用。锂电池的内阻很小,我们一般用微欧或者毫欧的单位来定义它。在一般的测量场合,我们要求电池的内阻测量精度误差必须控制在正负5%以内。这么小的阻值和这么精确的要求必须用专用仪器来进行测量。

三、目前行业中应用的电池内阻测量方法

  行业应用中,电池内阻的精确测量是通过专用设备来进行的。下面来说说行业中应用的电池内阻测量方法。目前行业中应用的电池内阻测量方法主要有以下两种:

1.直流放电内阻测量法

  根据物理公式R=U/I,测试设备让电池在短时间内(一般为2~3秒)强制通过一个很大的恒定直流电流(目前一般使用40A~80A的大电流),测量此时电池两端的电压,并按公式计算出当前的电池内阻。这种测量方法的精确度较高,控制得当的话,测量精度误差可以控制在0.1%以内。但此法有明显的不足之处:

  ①只能测量大容量电池或者蓄电池,小容量电池无法在2~3秒钟内负荷40A~80A的大电流;

  ②当电池通过大电流时,电池内部的电极会发生极化现象,产生极化内阻。故测量时间必须很短,否则测出的内阻值误差很大;

  ③大电流通过电池对电池内部的电极有一定损伤。

2.交流压降内阻测量法

  因为锂电池实际上等效于一个有源电阻,因此我们给电池施加一个固定频率和固定电流(目前一般使用1kHz频率、50mA小电流),然后对其电压进行采样,经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。交流压降内阻测量法的电池测量时间极短,一般在100毫秒左右。

  这种测量方法的精确度也不错,测量精度误差一般在1%~2%之间。

  很多老化的电池其实内部电量还有很多,只是内阻过大放不出电来,实在可惜。但电池的内阻一旦增加后,要想人为降低这个内阻值是难上加难。因此对于已经老化的电池,我们即使想出很多办法来“激活”它,比如大电流冲击,小电流浮充,放冰箱等,但大多无济于事,回天乏术。

锂电池内阻影响因素

1.外加因素

  温度,环境温度是各种电阻的重要影响因素,具体到锂电池,是由于温度影响电化学材料的活性,直接决定电化学反应的速度和离子运动的速度。

  电流或者说负载的需求,一方面电流的大小与极化内阻有直接关联。大体趋势是电流越大,极化内阻越大。另一方面,电流的热效应,对电化学材质的活性产生影响。

2.自身因素

  正极材料,负极材料,锂离子嵌入和脱嵌的难易程度,决定了材料内阻的大小,是浓差极化电阻的一部分。

  电解液,锂离子在电解液中的移动速率,受电解液导电率的影响,是电化学极化电阻的主要构成部分。

  隔膜,隔膜自身电阻,直接构成欧姆内阻的一部分,同时其对锂离子移动速率的阻碍,又形成了一部分电化学极化电阻。

  集流体电阻,部件连接电阻,是电池欧姆内阻的主要组成部分。

  工艺水平,极片制作工艺、涂料是否均匀、压实密度如何,这些电芯加工过程中工艺水平的高低,也会对极化内阻造成直接影响。

锂电池内阻在工程实践中的应用

  ①锂电池内阻作为锂电池的关键特性之一,对它的研究成果,可以在工程制造等多个领域得到应用。

  ②锂电池内阻与电池荷电量有紧密关系,因此被应用于电池管理系统中的SOC估计;

  ③锂电池内阻直接体现电池老化程度,有人把电芯内阻作为电池健康状态SOH的评估依据;

  ④锂电池单体内阻一致性直接影响成组后的模组容量和寿命,因而被作为电芯分选配组的静态指标普遍应用;

  ⑤锂电池内阻又是电池故障的重要指征,在动力电池包的故障诊断系统中,被研究使用;

  ⑥锂电池内阻配合容量损失等指标,还可以判断电池是否存在析锂现象,被应用在梯次利用退役电池领域。