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本章目的

本應(yīng)用指南討論了鋰離子電池中所用到的電化學(xué)測(cè)量技術(shù),。闡述了鋰離子電池方面的理論和常用測(cè)試裝置。介紹了電池表征過(guò)程中一些常用的重要參數(shù),。

此外,，本章在紐扣電池上進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)向我們展示了如何獲得容量,、電壓極限以及一些電池長(zhǎng)期性能行為方面的信息,。

簡(jiǎn)介

電池是移動(dòng)和固定設(shè)備*的能源儲(chǔ)備系統(tǒng),。其常見的應(yīng)用是電線無(wú)法達(dá)到的情況下的各種便攜式設(shè)備。

電池的應(yīng)用領(lǐng)域小至如mp3播放器,、智能手機(jī)等較小型設(shè)備,，大到為機(jī)動(dòng)車市場(chǎng)提供的高能系統(tǒng)或者是發(fā)電廠（如風(fēng)能發(fā)電站等）能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

裝置

電池典型的裝置包括兩個(gè)帶有不同電荷的帶電電極,，由電解質(zhì)隔開,。依據(jù)其化學(xué)體系的不同，這些裝置可以分為一次和二次電池,。

一次電池

與一次電池相反,，二次電池一般可以充放電數(shù)百次。其*正在穩(wěn)步增長(zhǎng),。

早的可充放電電池是鉛酸電池,，鉛酸電池目前仍然被廣泛用在汽車啟動(dòng)用蓄電池或者備用系統(tǒng)中。另外一類二次電池是鎳鉻電池（NiCd）,，鎳氫電池（NiMH）,，或者是鋰離子電池。由于有可能用于汽車市場(chǎng),，鋰離子電池是目前研究的重點(diǎn),。

圖1顯示的是鋰離子電池典型裝置以及充電過(guò)程中電化學(xué)過(guò)程的概述。

圖1-充電過(guò)程中鋰離子簡(jiǎn)要示意圖。詳情如文本所述,。

為了達(dá)到更高的功率密度和能量密度,，高度多孔的材料被用作電極材料。在陽(yáng)極,，石墨被粘附在集流器銅箔上,。在陰極，使用多的是粘附在鋁箔上的鋰過(guò)渡金屬氧化物,。

電解質(zhì)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電極之間的電荷傳輸,。液體，固體或者聚合物均可,。隔膜—離子滲透薄膜—放在兩電極之間用以防止電子短路,。

在充電過(guò)程中，鋰離子從富鋰的陰極側(cè)遷移至陽(yáng)極并插入陽(yáng)極側(cè)多層結(jié)構(gòu)中,。在放電過(guò)程中這個(gè)電化學(xué)過(guò)程是可逆的,。如下化學(xué)方程式總結(jié)了這兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)正向反應(yīng)闡述了充電過(guò)程。

陽(yáng)極：xLi++xe-+C6 ↔ Lix C6
陰極：Lix+y MO2 ↔ xLi+ + xe- + Liy MO2

鋰離子電池的性能與壽命主要取決于幾個(gè)參數(shù),。的溫度可能導(dǎo)致材料的降解,。若超過(guò)電池額定的規(guī)定值，如電壓,、充電或者放電電流，都可能導(dǎo)致反應(yīng)的不可逆并且造成電池過(guò)熱,。電池的整體性能也將急劇下降,。

因此在單節(jié)電池和電池堆棧充放電過(guò)程中不得不對(duì)其電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。以下部分將通過(guò)實(shí)驗(yàn)中鋰離子電池的電化學(xué)行為進(jìn)行討論,。下面闡述了不同測(cè)量參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響,。

實(shí)驗(yàn)

本應(yīng)用指南中所有測(cè)試是在Great Power Battery的可充放電紐扣電池上進(jìn)行的。這些電池都被放置在Gamry公司為CR2032紐扣電池設(shè)計(jì)的電池座中（如圖2）,。該電池座采用直接接觸Kelvin傳感實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)試,。

圖2—Gamry雙電池CR2032（左）和18650電池座（右）,。

所有測(cè)試均采用interface1000恒電位儀完成。

充放電曲線

圖3顯示的是紐扣電池典型的充電（綠色）和放電（藍(lán)色）,。將電壓（深色）和電流（淺色）對(duì)時(shí)間作圖,。電池在電流40mA，電壓在2.75V到4.2V之間進(jìn)行充放電,。

圖3—紐扣電池充放電曲線,。（●）放電，（●）充電,。詳情請(qǐng)參閱文本

在充電過(guò)程中電壓穩(wěn)定增長(zhǎng),。在這個(gè)過(guò)程中，鋰離子從陰極抽離然后插入陽(yáng)極石墨層間,。

電池恒電位在達(dá)到電壓上限之后保持在4.2V,。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到電流達(dá)到0.4mA對(duì)應(yīng)電池容量倍率為0.01。這能保證電池*被充滿,。電池充電狀態(tài)（SOC）是100%,。

電壓在放電過(guò)程初期迅速下降。根據(jù)歐姆定律,，電壓下降值?U（同樣也被稱為“IR降”）和等效串聯(lián)電阻（ESR）是直接成比例關(guān)系的,，如方程1所示。

?U=I?ESR     Eq 1
 

I是施加電流,。ESR囊括了電極,，電解質(zhì)以及電子接觸電阻。電壓U下降越低，從電池中獲取的輸出能量E越大,，如方程2所示,。

E=(U0 - ?U)?It    Eq 2
 

Uo為電池實(shí)際電壓，t分別為充放電的時(shí)間,。 當(dāng)電壓急劇下降時(shí)電池可用容量達(dá)到極限,。放電過(guò)程在電壓達(dá)到2.75V時(shí)停止。在這個(gè)電位下,，SOC被定義為0%,。放電深度（DOD）為100%。

應(yīng)該盡量避免電壓超過(guò)電池的額定值,。電解質(zhì)變質(zhì)或者電極材料降解會(huì)導(dǎo)致電池性能和壽命的降低,。

注意：不推薦電池過(guò)度充電和放電。這將可能造成電池過(guò)熱導(dǎo)致嚴(yán)重事故,。長(zhǎng)時(shí)間未使用的可充放電電池每年至少要充電一次,，以防止其過(guò)度放電。

充放電倍率

術(shù)語(yǔ)充放電倍率被用于描述電池充電或者放電的快慢程度,。在本應(yīng)用指南中使用的電池在0.2充放電倍率時(shí)有倍率容量Q約為40mAh。根據(jù)以下公式,，這意味著5小時(shí)內(nèi)理想情況下可以獲得8mA,。

在采用更高的充電倍率時(shí)電池可以更快得充電。反之亦然,，可以在更短的時(shí)間內(nèi)獲得能量,。然而，高充放電倍率會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能和壽命,。

圖4顯示的是隨放電倍率增加的五條放電曲線（從深綠至淺綠）,。對(duì)電池電壓相對(duì)于容量作圖。由 Gamry’s Echem Analyst軟件自動(dòng)計(jì)算得到,。

圖4—紐扣電池采用不同放電倍率時(shí)單獨(dú)放電曲線（電壓相對(duì)于電池容量）,。（●）0.2C，（●）0.4C,，（●）0.6C,，（●）0.8C，（●）1C,。詳情請(qǐng)參照文本

先將紐扣電池充電至4.2V然后長(zhǎng)時(shí)間保持在該電位下至電池*充電,。隨后,，電池放電至2.75V。充放電倍率在0.2C（8mA）和1.0C（40mA）之間切換,。

表1 總結(jié)了在該實(shí)驗(yàn)中得到的一些參數(shù),。

表1—放電倍率對(duì)放電時(shí)間t，歐姆電位降?U,，ESR,，容量Q以及能量E的影響。

如前所述,，放電時(shí)間t隨放電倍率的增加而減少,。需要注意的是放電時(shí)間比理論放電時(shí)間要短。這些變化主要受到電池使用時(shí)間,、使用次數(shù)以及溫度的影響。

放電倍率增加同樣會(huì)增加歐姆電位降,。這將對(duì)電池的容量和能量產(chǎn)生負(fù)面的影響,。在電池充放電倍率從0.2C增大至1.0C時(shí)，容量降低約10%,。

同樣需要注意的是ESR隨充放電倍率的增加而減小,。這可以從電池溫度的升高解釋。然而,，降低容量和能量的劣勢(shì)會(huì)大于這個(gè)優(yōu)點(diǎn),。此外，電池較高的溫度會(huì)導(dǎo)致材料的降解,。

電池循環(huán)

一個(gè)測(cè)試電池長(zhǎng)期穩(wěn)定性的典型實(shí)驗(yàn)就是電池循環(huán)。為此電池將被充放電數(shù)百次然后測(cè)試容量變化,。

圖5顯示的是標(biāo)準(zhǔn)的電池充放電實(shí)驗(yàn)（CCD）,。紐扣電池首先以1.0C的充電倍率（40mA）充電至4.2V。然后保持電壓恒定維持至少72小時(shí)或者如果電壓達(dá)到1mA,。隨后電池以1.0C的放電倍率放電至2.7V,。重復(fù)該實(shí)驗(yàn)100圈。

深色曲線顯示的是容量,。淺色曲線顯示的是容量與初始相比的百分比,。

圖5—紐扣電池CCD實(shí)驗(yàn)100圈以上。（●）充電,，（●）放電,。詳情請(qǐng)參閱文本。

電解質(zhì)雜質(zhì)或者電極的缺陷通常都會(huì)導(dǎo)致容量的下降。在該實(shí)例中給出的測(cè)試電池均顯示出良好的循環(huán)行為,。紐扣電池的大容量大概在28.7mAh,。容量?jī)H在100圈以后略有下降?？?cè)萘繙p少約為4.5%,。

此外，Echem Analyst軟件可以計(jì)算庫(kù)侖效率H_c,。其描述了電池在充放電過(guò)程中的電荷效率（如方程3所示）,。

漏電流和自放電

理想情況下,，電池電壓在沒有外部電流時(shí)是保持恒定的,。然而，實(shí)際上的電壓即使在電池沒有連接外部負(fù)載的情況下也會(huì)隨時(shí)間而減小,。

這個(gè)效應(yīng)被稱為自放電,。所有的能量存儲(chǔ)裝置多多少少都會(huì)受到自放電（SD）的影響。

圖6顯示的是新的紐扣電池上自放電實(shí)驗(yàn)示意圖,。電池首先被充電至4.2V然后恒壓停留在該電位3天,。然后測(cè)試9天中電池開路電壓的變化。

圖6—紐扣電池上的自放電實(shí)驗(yàn),。詳情請(qǐng)參見文本。

電池顯示出非常好的自放電行為,。一開始,，電壓下降超過(guò)6mV。隨后,，下降率減緩至低于1mV/天,。在9天后，電壓總共下降15.6mV,。電壓降對(duì)應(yīng)初始值約降低0.37%,。表2總結(jié)了自放電實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

表2—上述自放電實(shí)驗(yàn)總結(jié)

自放電是由電池中被稱為漏電流（Ileakage）的內(nèi)部電流所導(dǎo)致的,。自放電率主要受電池使用時(shí)間以及用法,，還有其初始電壓以及溫度所決定的。

圖7顯示的是在兩個(gè)紐扣電池上漏電流的測(cè)試,。一個(gè)電池是新的而另一個(gè)被短時(shí)間加熱至100℃以上,。兩個(gè)電池初始時(shí)均被充電至4.2V。然后電池電壓保持恒定并且測(cè)試電流,。

圖7—超過(guò)4天紐扣電池漏電流測(cè)試,。（●）新電池,，（●）使用過(guò)的電池。詳情請(qǐng)參閱文本,。

測(cè)試電流在持續(xù)減小,。需要注意的是在4天之后電流仍沒有達(dá)到恒定。然而,，許多廠商的漏電流值I_leakage是在72小時(shí)之后測(cè)量得到的,。在這個(gè)情況下，新電池的漏電流約為4.7μA,。而使用過(guò)的紐扣電池為10μA,，為新電池的兩倍。

一般來(lái)說(shuō),，電池不能使用太長(zhǎng)時(shí)間,，應(yīng)該定期檢查和充電。為了電池性能和壽命不受到嚴(yán)重影響,，自放電不能超過(guò)40%,。自放電率很高的電池就不能夠再使用了,。

EIS 測(cè)試

圖8顯示的是不同電壓下4個(gè)不同的Nyquist圖,。紐扣電池首先分別被充電至3.9V，4.1V,，4.3V和4.5V,。然后恒電壓保持直到電流下降至1mA以下。這個(gè)過(guò)程確保EIS測(cè)試過(guò)程中電壓是恒定的,。

恒流EIS實(shí)驗(yàn)是從100kHz至10mHz,。直流電流為0，交流電流設(shè)置為10mA rms,。

圖8—紐扣電池上不同電壓下的Nyquist圖示意圖,。（●）3.9V，（●）4.1V,，（●）4.3V,，（●）4.5V。詳情請(qǐng)參閱文本,。

Nyquist圖的形狀取決于電池電壓,。在低電壓時(shí)，如3.9V和4.1V,，兩條曲線幾乎重合,。

電池的阻抗在較高電壓時(shí)增大,。Nyquist圖分別在4.3V 和4.5V時(shí)往右偏移并且半圓弧變大。

為了能更好的理解,，引入EIS電路模型,。圖9所示的是鋰離子電池典型的阻抗譜模型。

圖9—代表鋰離子電池的簡(jiǎn)單EIS模型,。詳情請(qǐng)參閱文本。

RESR代表電池的ESR,。ESR為高頻時(shí)的極限阻抗,。很容易通過(guò)Nyquist曲線和x軸（Z實(shí)軸）的交點(diǎn)估測(cè)。

并且,，其假設(shè)了每一個(gè)電極/電解質(zhì)界面均有雙電層電容和電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct,。這些每一個(gè)元件的并聯(lián)電路代表了Nyquist示意圖中的半圓弧。

為了強(qiáng)調(diào)兩電極的多孔和不均一性,，采用常相位角元件（CPE）來(lái)替代雙電層電容,。其整合了在非理想電極/電解質(zhì)界面上所有的極化效應(yīng)。理想情況下,，可以假定CPE為一個(gè)電容器,。

需要注意的是，兩電極結(jié)構(gòu)測(cè)試體系得到的阻抗譜并不能將兩電極區(qū)分開來(lái),。為了測(cè)試單電極界面的阻抗,，你需要在電池中插入一個(gè)參比電極。

所有Nyquist曲線在低頻區(qū)都顯示出角度約為45°向上的對(duì)角線,。這個(gè)區(qū)域可以通過(guò)Warburg阻抗ZW進(jìn)行模擬,。它描述了有限厚度擴(kuò)散層中的線性擴(kuò)散現(xiàn)象。為了簡(jiǎn)化,，只考慮一個(gè)電極中的擴(kuò)散現(xiàn)象,。

表3 總結(jié)了如圖8所示前述EIS實(shí)驗(yàn)中得到各個(gè)擬合參數(shù),。

需要注意的是,，參數(shù)Y以及其無(wú)量綱指數(shù)定義了常相位角元件。Y的單位為（西門子乘以時(shí)間秒的a次冪）,。

當(dāng)a=1,，Y的單位為法拉第（F），其代表了一個(gè)理想電容器,。與此相反,，如果a=0，Y為電阻的倒數(shù),，其單位為S=Ω-1 

圖3—紐扣實(shí)驗(yàn)充電至3.9V時(shí)EIS實(shí)驗(yàn)的擬合參數(shù),。擬合電路模型如圖9所示,。

另外，如果采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯?duì)現(xiàn)有體系進(jìn)行擬合,，如圖所示“擬合度”可以很好得評(píng)估此時(shí)模擬符合的程度,。當(dāng)擬合度在〖1×10〗^(-4)或者更低時(shí)表示此時(shí)擬合很好。在測(cè)量值和擬合計(jì)算值之間的誤差僅有約為1%,。如果擬合度的值高于0.01,，那么就需要考慮采用別的模型進(jìn)行擬合了。

電池堆棧

為了實(shí)現(xiàn)更高的功率需求,，通常將單電池組裝成串并聯(lián)裝置,。在需要較高電壓的場(chǎng)合，在應(yīng)用中采用電池串聯(lián)裝置,?？傠妷篣為各個(gè)單電池電壓Ui的加和

與此相反，并聯(lián)裝置經(jīng)常在有較高電流的需求時(shí)使用,。此外,，經(jīng)常采用額定功率安培時(shí)較低的系列電池?？傠娏鱅是每個(gè)電池單電流Ii的總和,。堆棧總電壓和單電池電壓保持一致,。

兩種結(jié)構(gòu)在采用標(biāo)準(zhǔn)單電池時(shí)可以更靈活得進(jìn)行組合。然而,，對(duì)于電池堆棧而言更重要的是避免電池的失效,。單電池失效會(huì)降低整個(gè)電池堆棧的性能,。

一般來(lái)說(shuō),，堆棧和其單電池需要保持相互平衡。每個(gè)單電池要表現(xiàn)出相似的參數(shù),，如電壓窗口或者是阻抗,。

在不平衡的堆棧中，可能會(huì)由于過(guò)度充電或者放電導(dǎo)致單電池過(guò)熱,。因此有必要采用先進(jìn)的軟件去控制單電池以及整個(gè)堆棧,。

Gamry采用多通道恒電位系統(tǒng)或者是Reference3000外加輔助靜電計(jì)兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電池堆棧的監(jiān)控。兩種系統(tǒng)都可以在電池堆棧上完成所有上述討論的實(shí)驗(yàn),。因此,，可以實(shí)現(xiàn)電池堆棧以及單電池信息的獲取。

論

本應(yīng)用指南主要對(duì)鋰離子電池進(jìn)行了測(cè)試,。闡述了鋰離子單電池以及電池堆棧的裝置以及各項(xiàng)重要參數(shù),。

在單個(gè)紐扣電池上進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了循環(huán)充放電,，漏電流以及自放電等各項(xiàng)測(cè)試,。通過(guò)簡(jiǎn)單的EIS模型對(duì)阻抗測(cè)試的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。