1鋰離子電池內(nèi)阻的構(gòu)成

鋰離子電池內(nèi)阻重要包括兩個(gè)部分，歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻在溫度恒定的條件下，歐姆電阻基本穩(wěn)定不變，而極化電阻會(huì)隨著影響極化水平的因素變動(dòng)。

歐姆電阻重要由電極材料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、連接方式等有關(guān)。鋰離子電池的端電壓，指鋰離子電池被連接在回路中處于工作狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)到的電池正負(fù)極之間的電壓，其數(shù)值等于鋰離子電池電勢(shì)減去歐姆內(nèi)阻占?jí)汉螅Ｓ嗟碾妷褐怠?/p>

觀察下面圖形，展示的是鋰離子電池放電過程的電壓-時(shí)間曲線的開始一段。電池開始放電后，曲線有一個(gè)瞬間壓降ΔU1，這是回路通電瞬間，電壓傳感器檢測(cè)到的電池兩端電壓從開路電壓（等于電池電勢(shì)）切換到端電壓的結(jié)果，ΔU1就是歐姆內(nèi)阻占?jí)海?Delta;U2則是在放電結(jié)束時(shí)候，斷開回路時(shí)，電池端電壓曲線上出現(xiàn)的一段電壓回升，同樣是歐姆內(nèi)阻帶來的影響，ΔU1與ΔU2是相同的。

能夠檢測(cè)到純歐姆內(nèi)阻的時(shí)間比較短暫，因?yàn)殡S著電流逐漸上升至額定回路電流的過程中，極化現(xiàn)象逐漸加強(qiáng)，兩種內(nèi)阻的用途將混合到一起，不能分別。測(cè)量歐姆內(nèi)阻的時(shí)間窗口在1~2ms以內(nèi)。

極化內(nèi)阻，從電芯內(nèi)由電流出現(xiàn)那一刻開始跟著出現(xiàn)，隨著電流的增大而增大，是電池內(nèi)部各種阻礙帶電離子抵達(dá)目的地的趨勢(shì)總和。極化電阻可以分為電化學(xué)極化和濃差極化兩部分。電化學(xué)極化是電解液中電化學(xué)反應(yīng)的速度無法達(dá)到電子的移動(dòng)速度造成的；濃差極化，是鋰離子嵌入脫出正負(fù)極材料并在材料中移動(dòng)的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度造成的。

上圖電壓時(shí)間曲線上的ΔU3一段，是回路斷開后，電池端電壓逐漸回升的一段，是電池內(nèi)部去極化過程的體現(xiàn)，ΔU3的數(shù)值就是極化內(nèi)阻的占?jí)骸Ｔ诓煌姆烹姞顟B(tài)下，ΔU3的數(shù)值并不相同。1鋰離子電池工作過程

如上圖所示，鋰離子電池充放電過程的物理模型。藍(lán)色箭頭表示充電，紅色箭頭表示放電。藍(lán)綠相間的晶格結(jié)構(gòu)為正極材料，黑色層狀為負(fù)極材料。目前主流的鋰離子電池，一般按照正極材料類型命名，磷酸鐵鋰、錳酸鋰等即為正極材料的類型；負(fù)極為石墨材質(zhì)；正極集流體鋁箔，負(fù)極集流體為銅箔。

下面以放電為例，描述一下鋰離子電池放電時(shí)的物理過程。

外部負(fù)載接通后，在電池本體以外形成電流通路。由于正負(fù)極之間存在電勢(shì)差，負(fù)極附近的電子首先通集流體和外部導(dǎo)線向正極移動(dòng)；負(fù)極周圍的鋰離子濃度升高。從負(fù)極經(jīng)過外部電路到達(dá)正極的電子，與正極附近的鋰離子結(jié)合，嵌入正極材料，正極附近的鋰離子濃度降低。正負(fù)極之間的鋰離子濃度差形成。這樣，就完成了電池放電過程的第一推動(dòng)。

隨著鋰離子在離子濃度差的推動(dòng)下離開負(fù)極，負(fù)極附近出現(xiàn)空缺，負(fù)極材料內(nèi)的鋰離子，從負(fù)極脫嵌，進(jìn)入電解液中；大量鋰離子從電解液中穿越隔膜，自負(fù)極向正極移動(dòng)。同時(shí)，原本與鋰離子以結(jié)合形態(tài)存在的電子，則通過外部電路去往正極。電池開始了按照負(fù)載的需求進(jìn)行的放電過程。

充電是放電的逆過程，同樣的脫嵌，移動(dòng)，嵌入幾個(gè)階段，只是推動(dòng)過程發(fā)展的動(dòng)力來自于充電機(jī)，而離子的運(yùn)動(dòng)方向是自正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。這里不再贅述。

2鋰離子電池內(nèi)阻構(gòu)成

了解了鋰離子電池的工作過程，那么過程中的阻礙因素，便形成了鋰離子電池的內(nèi)阻。

電池的內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻。在溫度恒定的條件下，歐姆電阻基本穩(wěn)定不變，而極化電阻會(huì)隨著影響極化水平的因素變動(dòng)。

歐姆電阻重要由電極材料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、連接方式等有關(guān)。

極化電阻，加載電流的瞬間才出現(xiàn)的電阻，是電池內(nèi)部各種阻礙帶電離子抵達(dá)目的地的趨勢(shì)總和。極化電阻可以分為電化學(xué)極化和濃差極化兩部分。電化學(xué)極化是電解液中電化學(xué)反應(yīng)的速度無法達(dá)到電子的移動(dòng)速度造成的；濃差極化，是鋰離子嵌入脫出正負(fù)極材料并在材料中移動(dòng)的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度造成的。

3鋰離子電池內(nèi)阻影響因素

從上面的過程可以推演出電池內(nèi)阻的影響因素。

3.1外加因素

溫度，環(huán)境溫度是各種電阻的重要影響因素，具體到鋰離子電池，是由于溫度影響電化學(xué)材料的活性，直接決定電化學(xué)反應(yīng)的速度和離子運(yùn)動(dòng)的速度。

電流或者說負(fù)載的需求，一方面電流的大小與極化內(nèi)阻有直接關(guān)聯(lián)。大體趨勢(shì)是電流越大，極化內(nèi)阻越大。另一方面，電流的熱效應(yīng)，對(duì)電化學(xué)材質(zhì)的活性出現(xiàn)影響。

3.2電池自身因素

正極材料，負(fù)極材料，鋰離子嵌入和脫嵌的難易程度，決定了材料內(nèi)阻的大小，是濃差極化電阻的一部分。

電解液，鋰離子在電解液中的移動(dòng)速率，受電解液導(dǎo)電率的影響，是電化學(xué)極化電阻的重要構(gòu)成部分。

隔膜，隔膜自身電阻，直接構(gòu)成歐姆內(nèi)阻的一部分，同時(shí)其對(duì)鋰離子移動(dòng)速率的阻礙，又形成了一部分電化學(xué)極化電阻。

集流體電阻，部件連接電阻，是電池歐姆內(nèi)阻的重要組成部分。

工藝水平，極片制作工藝、涂料是否均勻、壓實(shí)密度如何，這些電芯加工過程中工藝水平的高低，也會(huì)對(duì)極化內(nèi)阻造成直接影響。

4鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量

鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量方法，一般分為直流測(cè)量方法和交流測(cè)量方法兩種。

4.1直流內(nèi)阻測(cè)量方法

使用電流源，給電池施加一個(gè)短時(shí)脈沖，測(cè)量其端電壓與開路電壓的差。用這個(gè)差值除以測(cè)試電流即認(rèn)為是電池的直流內(nèi)阻。

鋰離子電池極化內(nèi)阻會(huì)受到加載電流大小的影響，為了盡量避開這個(gè)因素，直流測(cè)量?jī)?nèi)阻方法的通電時(shí)間比較短，并且加載電流比較大。

理論上，測(cè)量電流越小，越不會(huì)引起極化反應(yīng)，減少極化電阻的干擾。但由于電池內(nèi)阻本身很小，都是毫歐量級(jí)，電流過小，電壓檢測(cè)儀器受限于測(cè)量精度，無法排除測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果的干擾。因此，人們權(quán)衡儀器精度和極化內(nèi)阻的影響，找到一個(gè)平衡二者關(guān)系的測(cè)量電流值。

關(guān)于普通電池單體來說，測(cè)量電流一般在5C-10C左右，很大。隨著電芯容量的增大，或者多個(gè)電芯并聯(lián)，其內(nèi)阻是減小的，因此，假如沒有儀器精度的提高，測(cè)量電流是很難降下來的。

4.2交流內(nèi)阻測(cè)量方法

給電池加載一個(gè)幅值較小的交流輸入作為激勵(lì)，監(jiān)測(cè)其端電壓的響應(yīng)情況。使用特定程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出電池的交流內(nèi)阻。分析得到的阻值，只與電池本身特性有關(guān)，與采用的激勵(lì)信號(hào)大小無關(guān)。

由于電池電容特性的存在，激勵(lì)信號(hào)的頻率不同，其測(cè)量得到的阻值也不同。軟件分析的結(jié)果可以用一組復(fù)數(shù)表示，橫軸為實(shí)部，縱軸為虛部。

通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，人們可以從交流阻抗譜中得到這只電池的歐姆電阻，SEI膜的擴(kuò)散電阻，SEI膜的電容值，電荷在電解液中傳遞的等效電容值以及電荷在電解液中擴(kuò)散電阻值，進(jìn)而繪制出電池等效模型，進(jìn)行電池性能的進(jìn)一步研究。一種等效電池模型，如下圖所示。

5內(nèi)阻在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

內(nèi)阻，作為鋰離子電池的關(guān)鍵特性之一，對(duì)它的研究成果，可以在工程制造等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

內(nèi)阻與電池荷電量有緊密關(guān)系，因此被應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)中的SOC估計(jì)；

內(nèi)阻直接體現(xiàn)電池老化程度，有人把電芯內(nèi)阻作為電池健康狀態(tài)SOH的評(píng)估依據(jù)；

單體內(nèi)阻一致性直接影響成組后的模組容量和壽命，因而被作為電芯分選配組的靜態(tài)指標(biāo)普遍應(yīng)用；

內(nèi)阻又是電池故障的重要指征，在動(dòng)力鋰電池包的故障診斷系統(tǒng)中，被研究使用；

內(nèi)阻配合容量損失等指標(biāo)，還可以判斷電池是否存在析鋰現(xiàn)象，被應(yīng)用在梯次利用退役電池領(lǐng)域。