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动力锂离子电池内阻特性的研究与分析

来源:安德普电源科技有限公司作者:高频智能充电机发布时间:2019-11-06 09:36

 

动力电池在实际使用中,电池内阻的变化还受到温度和SOC等各种因素的影响。本文是对近年来国轩高科相关技术人员的内阻特性研究成果的综述。
 
 
电动汽车具有无污染,低噪音,高能效,结构简单的优点,已成为汽车工业的重要发展方向。近年来,市场上的新能源汽车对动力电池的高倍率充放电性能提出了越来越高的要求,内阻是影响电池动力性能和放电效率的重要因素。它的初始尺寸主要取决于电池的结构设计和原材料性能。并处理技术决策。
 
 
随着锂电池的使用,电池性能下降,主要是由于容量衰减,内部电阻增加,功率降低等。电池内部电阻的变化受温度和放电深度等各种条件影响。因此,本文主要从电池结构设计,原材料性能,工艺技术和使用条件等方面探讨影响电池内阻的因素。
 
 
一,结构设计的影响
 
 
在电池结构设计中,除了电池结构构件本身的铆接和焊接以外,电池接线片的数量,尺寸,位置等还直接影响电池的内阻。在一定程度上,增加极数可以有效降低电池的内阻。接线片的位置也会影响电池的内阻。在正极片和负极片的头部的卷绕电池中,接线片的位置最大,与卷绕电池相比,层压电池相当于数十个小电池。并联时,内部电阻较小。


二,原料性能的影响
 
 
1.正极和负极活性物质
 
 
锂电池中的正极材料位于Li侧,这决定了锂电池的性能。正极材料主要通过涂覆和掺杂来改善颗粒之间的电子传导。例如,Ni的掺杂增强了P-O键的强度,稳定了LiFePO4 / C的结构,优化了电池体积,并有效地减小了正极材料的电荷转移阻抗。
 
 
电化学热耦合模型仿真分析表明,在高倍率放电条件下,活化极化,特别是负极的活化极化的大量增加,是引起严重极化的主要原因。减小负极的粒径可以有效地减小负极的活化极化。当负极的固体粒径减小一半时,活化极化可以减小45%。因此,就电池设计而言,对正极和负极材料本身进行改进的研究也必不可少。
 
 
2.导电剂
 
 
石墨和炭黑由于其良好的性能而广泛用于锂电池领域。与石墨基导电剂相比,炭黑基导电剂的正极性添加性能更好,因为石墨基导电剂具有片状颗粒形态,并且孔曲折系数在a时大大增加。速率大,并且容易发生Li液相扩散。该过程限制了放电容量的现象。具有添加的CNT的电池具有较小的内部电阻,因为纤维状碳纳米管和活性材料与石墨/炭黑与活性材料的点接触线接触,这可以降低电池的界面阻抗。
 
 
3.集电器
 
 
降低集流体与活性材料之间的界面电阻并提高两者之间的结合强度是提高锂电池性能的重要手段。用导电碳涂层对铝箔的表面进行涂覆,并对铝箔进行电晕处理可以有效降低电池的界面阻抗。与通用铝箔相比,使用碳包铝箔可以将电池的内阻降低约65%,并且可以减少使用期间电池内阻的增加。
 
 
经电晕处理的铝箔的交流内阻可降低约20%。在常用的20%-90%SOC间隔中,直流内部电阻总体较小,随着放电深度的增加,其增加逐渐减小。
 
 
4.分隔符
 
 
电池内部的离子传导取决于电解质中锂离子通过多孔膜的扩散。膜的液体吸收和润湿能力是形成良好离子流通道的关键。当膜具有较高的液体吸收率和多孔结构时,可以改善该膜。电导率可降低电池阻抗并提高电池速率性能。与普通基膜相比,陶瓷膜片和涂橡胶膜片不仅可以大大提高膜片的耐高温收缩性,而且可以提高膜片的吸液和润湿能力。在PP隔膜上添加SiO2陶瓷涂层可以使隔膜吸收液体。金额增加了17%。在PP / PE复合隔膜上涂覆1μmPVDF-HFP时,隔膜的液体吸收率从70%增加到82%,电池的内阻降低了20%以上。

 
三,工艺因素的影响
 
 
混合
 
 
浆料混合过程中浆料分散的均匀性影响导电剂能否与紧密接触的活性材料均匀地分散在活性材料中,这与电池的内阻有关。通过增加高速分散,可以提高浆料分散的均匀性,并且电池的内阻较小。通过添加表面活性剂,可以提高导电剂在电极中的分布均匀性,并且可以减小电化学极化以增加放电中值电压。
 
 
2.涂层
 
 
面密度是电池设计的关键参数之一。当电池容量恒定时,增加极靴的表面密度将不可避免地减小集电器和隔膜的总长度,并且电池的欧姆内阻将相应减小。因此,在一定范围内,电池的内阻随着面密度的增加而降低。涂层和干燥过程中溶剂分子的迁移和脱离与烤箱温度密切相关,直接影响粘合剂和导电剂在极靴中的分布,从而影响极靴内部导电网格的形成,因此,涂层和干燥温度也是优化电池性能的重要过程。
 
 
3.滚动
 
 
电池的内阻在一定程度上随压实密度的增加而减小,这是因为压实密度增加,原料颗粒之间的距离减小,颗粒之间的接触增加以及电池的导电桥和通道更导电阻抗降低。控制压实密度主要是通过轧制厚度来实现的。不同的卷厚度会对电池的内阻产生更大程度的影响。当辊厚度大时,由于活性材料的不充分滚动而导致活性材料与集电器之间的接触电阻增加,并且电池的内阻增加。此外,在循环电池之后,在具有大卷厚度的电池的正极表面上产生裂纹,这进一步增加了极靴的表面活性材料与集电体之间的接触电阻。
 
 
4.极地电影周转时间
 
 
正极片的保持时间不同对电池的内阻有很大的影响。当保持时间短时,磷酸锂铁表面的内部涂层受碳涂层和磷酸锂铁的作用影响。当保质期长(超过23h)时,磷酸铁锂与水的反应和粘合剂的粘附性会影响电池的内阻。因此,在实际生产中,必须严格控制极靴的周转时间。
 
 
5.注射
 
 
电解质的离子电导率决定电池的内阻和倍率特性。电解质的电导率与溶剂的粘度成反比,并且还受锂盐浓度和阴离子尺寸的影响。除了优化电导率外,注液量和注液后的渗透时间也直接影响电池的内阻。如果注液量少或渗透时间不足,则电池的内阻会很大,这会影响电池。容量已播放。


四,使用条件
 
 
温度
 
 
温度对内部电阻大小的影响是显而易见的。温度越低,离子在电池内部的传输速度越慢,电池的内部电阻越大。电池阻抗可分为体阻抗,SEI膜阻抗和电荷转移阻抗。体相阻抗和SEI膜阻抗主要受电解质的离子电导率影响。低温下的趋势与电解质电导率的趋势一致。与体相阻抗和低温下SEI膜电阻的增加相比,随着温度的降低,电荷反应阻抗的增加更为明显。低于-20°C,充电反应阻抗几乎占电池总内阻的100%。
 
 
2.SOC
 
 
当电池处于不同的SOC时,内部电阻也不同。特别是直流内阻直接影响电池的功率性能,这反过来又反映了实际条件下电池的电池性能:锂电池的直流内阻随着电池DOD放电深度的增加而增加,并且内阻在10%至80%的放电范围内基本上是恒定的,并且内阻通常在更深的放电深度处增加。
 
 
3.储存
 
 
随着锂离子电池的存放时间增加,电池会老化,并且其内阻也会增加。不同类型的锂电池具有不同的内部电阻变化。在从9月到10月的长时间存放之后,LFP电池的内阻增加率高于NCA和NCM电池。内部电阻的增加率与存储时间,存储温度和存储SOC有关。 Stroe等。通过将LFP / C电池存放36个月来量化它们之间的关系(参见下文):
 
 
其中,温度单位为K,SOC单位为百分比,时间单位为月。
 
 
4.循环
 
 
无论存储或循环使用,温度对电池内部电阻的影响都是一致的。循环温度越高,内部电阻的增加越大。不同的循环间隔对电池的内阻有不同的影响。电池的内阻随着充电和放电深度的增加而增加。内部电阻的增加与充电和放电深度的增加成比例。
 
 
除了循环中充放电深度的影响外,充电截止电压还具有以下作用:充电电压上限或下限将增加电极的界面阻抗。 Zheng等人认为LFP / C电池在循环中的最佳上限充电电压为3.9-4.3V,实验发现基础电压太低而不能很好地形成钝化膜,电压上限也太高会导致电解质在LiFePO4电极表面上氧化并分解,形成电导率低的产品。
 
 
5.其他
 
 
车载锂电池在实际应用中不可避免地会遇到恶劣的路况,但是研究发现锂电池的振动环境在使用过程中对锂电池的内阻几乎没有影响。
 
 
五,展望
 
 
内阻是衡量锂离子动力性能和评估电池寿命的重要参数。内部电阻越大,电池的倍率性能越差,存储和回收利用的增加越快。内阻与电池结构,电池材料特性和制造工艺有关,并随环境温度和充电状态的变化而变化。因此,开发低内阻电池是提高电池功率性能的关键。同时,掌握电池内阻的变化规律对预测电池寿命具有重要的现实意义。

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