鋰電池的內阻介紹

1 鋰電池為什么會有內阻

課本中的理想電壓源或者理想電流源往往沒有內阻的概念，但是我們實際工程應用中的電源系統都會存在內阻，因此對于電池都有內阻，鋰電池也不例外。

并且鋰電池在靜態時和工作時的內阻是浮動的，在不同環境下鋰電池的內阻也會相應地產生變化。當然，鋰電池的內阻值的大小也決定鋰電池的品質，通常情況下我們可以通過鋰電池內阻的大小來初步判斷鋰電池的狀態，在維修和檢測鋰電池組時，鋰電池內阻也是重要依據。

理論上，電池的內阻越低越好。最大膽的想法就是如果鋰電池的內阻為0時會出現什么樣的狀態呢？可以這樣想象，在假設情況下鋰電池內阻為0時，在這種超導狀態下的鋰電池，放電性能可以是無限大的。這是一種違反自然規律的情況。所以在現實中幾乎不可能實現。

電池的內阻會影響電池的性能，內阻從何而來，哪些因素會影響到鋰電池的內阻？

2 鋰電池的內阻模型

鋰電池的內阻通?？煞譃橹绷鲀茸瑁?a target="_blank">DCR）和交流內阻（ACR）。

在分析和比較這2種內阻之前，先看一下由電池組成的一個簡單的模型電路圖：

在上面的模型圖中：Vocv為電池開路電壓 ，RΩ為歐姆內阻 ，Rct為電荷轉移電阻，Cdl為雙電層電容， Rw為擴散電阻，這些名詞解釋，我們放到后續的文章中來探討。這里我們先來初步地認識一下如何測量這些內阻。

如果首先給鋰電池正負極之間加一個高頻的正弦波電流信號，此時的Cdl相當于導通短路狀態，高頻正弦波電流不會造成電極表面物質的消耗，根據電化學知識我們可知 Rct、Cdl和Rw均可忽略，那么我們測試得到的內阻大小就是RΩ；

將正弦波電流信號的頻率降低到不會造成電極表面物質大量消耗時，那么Rw仍可忽略，通過模擬計算就可以推導出Rct和Cdl；

將正弦波電流信號的頻率繼續降低到低頻時，比如到0.01Hz，此時電池的電極表面物質被大量消耗，需要通過擴散來補充消耗的鋰離子，計算得到的就是Rw。

3 鋰電池的交流內阻

交流內阻測試過程就是通過在電池正負極注入正弦波電流信號I=Imaxsin(2πft)，同時通過另外兩端在電池正負極檢測得到正弦波電壓信號U=Umaxsin(2πft+ψ)，進而可以推導出電池的交流阻抗。其中繪制的圖片我們稱交流阻抗譜，又叫奈奎斯特圖，是電化學領域里研究電池的主要圖譜之一，測試的主要設備為電化學工作站。

在奈奎斯特圖中，大概1kHz左右測得的電阻一般被認為是電池的歐姆電阻，1kHz~1Hz左右的半圓弧代表的是電池的Rct和Cdl，1Hz~mHz代表的是電池的擴散電阻。

在專業的文獻里通常寫到：實軸的截距代表歐姆阻抗，是由電子與離子遷移阻力產生的；半圓是由電解質與電極材料界面上的電荷轉移產生的；低頻部分是由鋰離子在電解質中的擴散和在正負極材料中的擴散產生的。

4 鋰電池的直流內阻

直流內阻就是給鋰電池施加一個直流信號來測量電池內阻，一般通過HPPC (
HybridPulsePowerCharacterization)測試計算得到,

常用的直流電阻測試方法有三個：

美國《FreedomCar電池測試手冊》的HPPC方法，測試持續時間為10s，施加的放電電流為5C或更高，充電電流為放電電流的75%，具體電流的選擇根據電池特性制定。

日本JEVSD7132003的測試方法，原來主要針對Ni/MH電池，后來也應用于鋰離子電池：首先建立0~100%SOC下電池的電流-電壓特性曲線，分別以1C、2C、5C、10C的電流對設定SOC下的電池進行交替充電或放電，充電或放電時間都為10s，計算電流的直流內阻。

我國“863”計劃新能源汽車重大專項《HEV用高功率鋰離子動力電池性能測試規范》中提出的測試方法。測試持續時間為5s，充電測試電流為3C，放電測試電流為9C。

以上幾種測試方法的主要差別在于放電倍率差別。我國標準只規定了一個放電倍率，因此較為死板；HPPC方法通常選取兩個倍率，一個是1C放電倍率，用于衡量小倍率放電電池電阻特性，另一個是5C放電倍率，用于衡量大倍率放電電池電阻特性；第二種方法則選擇了多種放電倍率條件進行測試，測試更靈活。

我們在實際中選用哪一個標準來進行測量，需要看測試的目的和電池當前的一些狀態。根據需要合理選擇即可。

比如市場上我們購買的鋰離子內阻測試儀器，測試電池的內阻，設備一般就是選用1kHz固定頻率，得到的測試結果則是大概的電池內阻，如果需要詳細了解電池的內部過程，建議選擇電化學工作站測試電池的內阻，這樣就會得到更準確一些的信息，更加了解電池本身所處的健康狀態。

比如，磷酸鐵鋰電池的內阻由2毫歐增加到100m歐，我們可以根據電池的狀態，基本確定電池報廢了。

5 鋰電池的內阻一般受哪些影響？

充放電循環次數：電池充放電循環的次數也會影響其內阻的變化。鋰電池一般隨著充電循環次數的增加，其電極和電解液材料逐漸老化，會導致電池的內阻不斷增加。

充放電速率：電池的充放電速率也會影響其內阻的大小和變化趨勢。充放電速率越快，電池內部的化學反應和材料變化越劇烈，從而導致內阻增加。

電池結構：電池結構是內阻的主要影響因素之一，包括正負極材料的種類、電池內部的導電材料、電池隔膜等因素，不同的電池結構對內阻的大小和變化趨勢有不同的影響。

溫度：溫度對鋰離子電池的內阻影響較大，高溫會導致電池內部的化學反應速度加快，電池內部材料的膨脹和變形加劇，從而導致內阻增加。

電池狀態：電池的狀態包括電池的SOC、OCV以及電化學活性等因素，這些因素也會影響電池的內阻大小和變化趨勢，可以看下圖不同的溫度以及不同的荷電保持容量下的內阻也是不同的。

6 鋰電池內阻在工程實踐中的應用

內阻作為鋰電池的關鍵特性之一，對它的研究成果，可以在工程制造等多個領域得到很多應用。

首先，鋰電池的內阻直接體現電池老化程度，很多企業已經開始把電芯內阻作為電池健康狀態SOH的評估依據；

其次，單體內阻一致性直接影響成組后的模組容量和壽命，因而內阻被作為電芯分選配組的靜態指標而普遍應用；

再次，內阻的檢測配合上容量損失等指標，還可以判斷電池是否存在析鋰現象，這種算法被使用在梯次利用的退役電池領域。

內阻的大小與電池荷電量也有緊密關系，因此被應用于電池管理系統中的SOC估計；

內阻又是電池故障的重要指征，在動力電池包的故障診斷系統中也被用來作為評估的一項指標。

從以上來看，對于鋰電池內阻的實時采樣分析變得尤為重要，但目前實時在線采樣內阻的架構較為復雜，各個企業往往都以評估靜態內阻來進行一些項目管控。