锂离子电池内阻与极化关系

内阻的定义：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。

那么内阻是怎样产生的呢，简而言之，内阻的产生是由于电流在传递过程中受到的阻碍； 因此，搞清楚电流在传递过程中有哪些阻碍，则就理清楚了内阻的组成。

在这里再介绍一个概念“极化”；

所谓极化，我个人把它理解成“电流在传递过程中受到的阻碍”，因此，理清极化，则理清内阻。

极化的分类：

（1）欧姆极化--电池是由电极材料、电解液、隔膜及各部分零件组成，这些部件接触的部分在通过一定的电流时，产生的极化即欧姆极化。

（2）活化极化—在电池通电后，电极表面的产生电化学反应，此时，电子传输速度快于电化学反应速度，产生电子堆积，产生极化，又称电化学极化

（3）浓差极化--它是离子的传输速度低于电极表面和固体相中反应的速度，从而在反应表面出现离子浓度差，是物质传递的结果，此即为浓差极化。

在这里，我们需要知道，以上几类极化各自的响应速度也不一样：

欧姆极化>活化极化>浓差极化（对应的时间为瞬时、微秒级、秒级），因此在充放电过程中，最先出现的是欧姆极化，其次出现的是活化极化，最后出现的浓差极化。

那么以上是对极化的简单介绍，对应的，欧姆极化产生的即为欧姆内阻； 活化极化产生的即为活化内阻又称电化学内阻又称电荷转移阻抗； 浓差极化产生的即为浓差内阻又称锂离子迁移阻抗；

因此，我们需要知道，不同的测试方法测出的结果对应的不同的内阻。

2、EIS（电化学阻抗图谱）

一阶电池等效电路模型如图1所示，其中Vocv为电池开路电压，RΩ为欧姆内阻，Rct为电荷转移电阻，Cdl为双电层电容，Rw为锂离子迁移电阻。

现在我们设想一下如何测试图1等效电路模型中的电阻：

（1）给电池正负极之间施加一个高频的正弦波电流信号，Cdl双电层电容相当于导通短路状态，高频正弦波电流不会造成电极表面物质的消耗，即此时不产生锂离子迁移，因此Rct、Cdl和Rw都可以忽略，此时测试得到的就是RΩ；

（2）将正弦波电流信号的频率降低到还不会造成电极表面物质大量消耗的时候，此时Rw仍可忽略（实际情况是有少量消耗，此时极片表面电化学反应会正常进行），因此，此时计算得到的就是Rct和Cdl并联内阻+RΩ；

（3）将正弦波电流信号的频率继续降低，例如到0.1Hz，此时电池表面物质被大量消耗，出现大量的离子迁移，产生锂离子迁移阻抗，因此，此时计算得到的就是Rct和Cdl并联内阻+RΩ+Rw。

若使用电化学阻抗测试仪，则会得出如下奈奎斯特图：1kHz左右测得的电阻一般被认为是电池的欧姆电阻，1kHz1Hz左右的半圆弧代表的是电池的Rct和Cdl，1HzmHz代表的是电池的扩散电阻。

3、企业常见测试

一般企业常用测试结果分为两类（1）交流内阻； （2）直流内阻

交流内阻：交流内阻顾名思义就是给就是通过在电池正负极注入正弦波电流信号I=Imaxsin(2πft)，同时通过另外两端在电池正负极检测得到正弦波电压信号U=Umaxsin(2πft+ψ)，进而可以推导出电池的交流阻抗； 通俗一点讲，即使用高频正弦波电流型号检测电池的欧姆内阻，因此交流内阻一般可以认为是电池的欧姆内阻；

直流内阻：直流内阻顾名思义就是给电池施加一个直流信号来测试电池内阻，因此直流内阻一般可以认为是电池的欧姆内阻+电荷转移阻抗+锂离子迁移阻抗（测试方法的区别会导致浓差极化的不出现，因此也可能只包含欧姆内阻+电荷转移阻抗）

针对交流内阻的测试方法，常见于：

高频压降法：1KHz的正弦波电流，来测试引起的压降，计算内阻（企业OCV测试、3554电压内阻测试仪等）

针对直流内资的测试方法，常见于:

DCR法：使用不同的充电和放电倍率的电流，持续10S，记录电压和电流，形成一条直线，斜率即为内阻。

MCCF法：采用持续时间为5S的脉冲充放电电流，记录电压降，计算内阻。

HPPC法：美国PNGV规定，采用连续的充放电脉冲，测试引起的压降，有两种（放电时间18秒，充电2S； 充放电时间均为10S）

直流测试法，一般再用HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)测试方法，而此中测试方法的测试结果如图3所示,先施加一个30s的1C放电脉冲，搁置40s，再施加一个10s的0.75C充电脉冲。 放电内阻等于放电压降与放电电流的商（图4），充电内阻等于充电压升与充电电流的商（图5）。

那么通过上文我们可知，交流内阻即为EIS图谱内高频区内测得的欧姆内阻； 直流内阻使用充放电时长为10S的方波电流，本质上与0.1Hz的正弦波电流类似，因此，此时的直流内阻可近似看成为低频区测得的欧姆内阻+电荷转移阻抗+锂离子迁移阻抗。

 

审核编辑：汤梓红