淺析動力鋰離子電池

李敏

摘要：近年來隨著電動汽車的大力發展，動力電池的研究也被各國重視，對電池荷電狀態的估算是動力電池研究的的重點和難點，動力鋰離子電池兼備了工作溫度范圍廣，壽命長，能量密度高等優勢得到廣泛的應用。就鋰離子電池的特點、工作原理，鋰動力電池的電壓、電阻容量特性進行分析，對電池荷電狀態（State of Charge，SOC）估計有著必要的作用。

關鍵詞：電動汽車;動力;鋰離子

1鋰離子電池

鋰電池的定義為內部含有鋰的電池，即內部具有金屬鋰或者含有鋰合金、鋰離子、鋰聚合物的電池。所以鋰電池也可被分為兩類，一類是鋰金屬電池，另一類是鋰離子電池[1]。是一種在充放電過程中，正極中的Li+在正負極材料中嵌入和脫逸的過程中實現充放電的高能電池。但是從熱穩定性方面、安全性能、價格上等因素考慮，鋰離子電池的深度發展受到了一定的制約。把鋰離子作為正極材料的可選性又得到了進一步的研發和推進，鋰離子電池同時也得到了深入的研究和推進。其中鋰離子電池包括了正極、負極、隔膜和電解液等[2]。鋰離子電池的性能的決定因于其正負極材料，且鋰離子電池的安全性、成本的高低也受制材料，電池的正極起到核心的決定作用[3]。

目前，采用的鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰（LiFeO4，簡稱LFP）是現在市面上經常用到的鋰離子動力電池的正極材料。組成電池正極材料的這些金屬元素中，（Co）目前的存儲量相對比較少，從成本上說鈷（Co）在這幾種正及材料中是最貴的，而鎳（Ni）、錳（Mn）材料相對而言價格低一些，綜合比較下來價格上最優惠的是鐵（Fe）。與此同時新能源動力電池正極材料的價格與這些金屬的價格是成正相關的。

2動力鋰離子電池的工作原理

電池內部的電解質的狀態不同，把鋰離子電池分為聚合物鋰電池和液態鋰電池。電解質呈膠狀或者是固體太的是聚合物鋰離子電池;電解質為液態物質的被歸為液態鋰電池。而這兩種狀態的動力鋰離子電池的反應原理是一樣的。且結構組成相似，即正負電極、隔膜以及石墨為材料的負極。

鋰離子電池的工作過程即是在電池充放電時，Li+經過電解液，在正負極材料中脫離和嵌入[4]。

在電池充電過程中，Li+是從正極材料中脫離，經過電池內部電解液至電池的負極材料中。

伴隨著正負極材料中Li+的脫離和嵌入，會使充電過程中電池的負極處于富鋰的狀態，而正極則因失去Li+處于貧鋰的狀態，伴隨著Li+的脫嵌，電子e-則會通過電池外電路從正極材料進入到負極材料中，因此可以保證電荷的守恒。充電過程正、負極發生的化學反應如下[5]：

充放電過程是伴隨著鋰離子和電子的移動來完成的，這兩者的遷移速度要處在平衡的狀態。鋰離子電池的正負極材料一定是Li+離子和電子e-的混合導體，兩者的導電能力應該相等。但正極材料的導電能力弱，負極材料石墨的導電性稍好，電池若大倍率放，也應對負極的導電性加強，使電子導電能力與鋰離子從石墨中脫嵌的能力平衡[6]。

3動力鋰離子電池的電壓的定義

電壓，也被命名為電勢差或電位差，它是用來體現單位電荷在靜電場中由于電勢不同所帶來的能量差的物理量。在眾多文獻中與電池相關的電壓的定義，大體上可以分成三種：電池的電動勢、電池的開路電壓和電池的工作電壓。

電動勢，指的是電池的供電能力，即可以通過電池正極的電位與負極的電位之間的差值來表示。同時電池的電動勢也可以視為電池儲存電的能力。

若用公示可表達電池的電動勢為：

E=U+-U- ? ? ? ? ? ? （1-5）

其中E表示的是電池的電動勢的參數值，字母U+指的是電池的正極對應的電位值，字母U_為電池的負極對應的電位值。

鋰離子電池的額定電壓在有的文獻中也稱為標稱電壓或者稱為電動勢的值是3.2V。鋰離子電池的終止充電電壓值是3.6V、它的終止放電壓值是2.0V。

4鋰離子電池的內阻

電阻是導體本身對電流流通的阻礙能力，內阻指的是電池對于電流的阻礙作用的大小。

電池極化現象指在電化學反應的過程中，伴隨著的是電極電勢和平衡電勢有偏離現象。電化學反應越劇烈，極化現象越嚴重。極化現象可被分為以下三種：

1.歐姆極化：電池的材料本身有阻礙能力，即電極材料、電解液、隔膜的電阻以及連接線電阻。這種主要與電流本身、電池本身的材料、電池的工作環境，電池材料的幾何組成結構因素，單體電池的組裝方式。這些因素均會導致電池內部發生的極化現象，統稱為電池的歐姆極化。

2.電化學極化：在充放電過程中伴隨的是電池內部發生電化學反應，即電荷會在在電極和電解質中的移動，在移動的過程中在電池的內部會受到阻礙其運動的力，這種阻礙力導致的后果是使電池本身部分電壓被使用掉，通常把這種在電池的電化學反應過程中所受到阻礙的現象稱為電池的電化學極化。

3.濃差極化：伴隨著電化學反應，電池內活性物質參與反應消耗后帶來電極周圍濃度的差別，在電荷的傳遞的反應速度會下降至緩慢狀態以此帶來的能量有而額外的損失，這種現象就被稱為電池的濃差極化[7]。

發生的電池內的極化內阻主要是由電池的電化學極化內阻以及電池內部的濃差極化內阻影響，電化學極化內阻和電池的濃差極化內阻大小值的影響原因主要是電池自身所處的工作狀態、電池充放電工作所處的工作環境以及電池自身的特性。

5鋰離子電池的容量

電池的容量指，在電池放電過程中，在指定的放電條件情況下，電池所能夠釋放出的總的電量的值。電池容量的單位可用安時（Ah）或毫安時（mAh）來表示。電池容量可被分為三種，分別為電池的額定容量、電池的實際容量及電池的理論容量。

1.電池的額定容量是指，在電池從設計到制造過程中，電池在指定的放電條件下，所能夠釋放出的最低電量的值，這個會在電池生產出來時標記在電池的表面，因此電池的額定容量有些文獻中也會被稱為標稱容量。

2.電池自身的實際容量值則指的是在電池處在放電工作狀態下，并結合考慮到電池在實際的放電情況下，電池實際具體能夠放出的總電量的大小（電池的實際容量是總小于電池額定容量），且它是一個變量。

3.電池的理論容量值是由活性物質的量決定，通過法拉第定律計算公式獲取，為電池最大可以放出電量的大小。在通常情況下電池的理論容量值是應該大于電池實際容量的值。

對電池容量大小的影響因素主要有電池的充電倍率、放電倍率、電池自身的溫度、電池自放電程度、電池的循環壽命[7]。

5.1電池的充、放電倍率

充電倍率指在規定的時間值，把電電量充滿至額定容量時，充電電流的值;放電倍率指的是在規定的時間值，把額定容量釋放完全，放電的電流值。電池的充、放電倍率的單位是庫倫，用C表示;而在數值大小上，充電倍率、放電倍率都可用下面公式計算獲取。

C是充電倍率或放電倍率，I指的是充放電的電流值，QV是額定容量。就可計算出對應放電的電流值規定時，放電倍率的大小。

由于在電池工作過程中，電池內部的活性物質沿著正、負電極橫向方向的作用深度是有限的。且在電池在充放電過程中，充放電倍率越大，活性物質能夠參與反應得深度就會越低，因而電池的利用率會越低。所以當電池的充電倍率、放電倍率值越大時，電池所能充入或放出的容量反而會隨之越小。

5.2電池溫度

溫度對電池的容量的影響明顯，若充放電是在不同溫度的情況下，電池能夠充放的電池容量也不同。在溫度較高時，因為在電池內部電解液中的離子擴散的相對速度會因此加劇，發生在電池內部的電化學反應速度也會加快，但是電解質的導電率也會增加，電池電阻也會隨之減小，電池最終釋放的容量增加[8]。在溫度較低時，活性物質反應速率降低，離子擴散速度也會減慢，電化學反應的速度也會降低，電解質的導電率會隨之降低，電池的容量明顯的降低。可以通過修正的方式彌補溫度對于電池容量的影響，可見式（1-7），（1-8）。

式中：Q指的是在溫度為時的電池容量大小值;Q25為在溫度為25℃時電池的容量大小值;KT則是指的是溫度補償系數;a則指的是對應溫度變化的溫度系數，其單位為安.時/攝氏度（Ah/℃），其中溫度系數可由實驗得到其值得大小;T則是指電池實際的工作溫度。

5.3電池的自放電

放置一段時間后，電池會出現電池容量下降的現象，通常把這種現象稱為電池的自放電現象，電池的自放電的速度大小是與電池的自放電率相關聯的，電池的自放電率可由公式（1-9）來計算，即電池容量降低值比上電池放置時間值。如下式表達：

式中vs指的是電池的自放電率，Q0和Q1則指的是在第T0、T1時刻電池對應的容量大小。電池在放置一段時間后，會造成電池容量會下降。原因是正負極上的活性物質的脫落及溶解，電池正、負電極自身存在腐蝕的現象，電極極化反應等。電池存放的環境，存放點周圍的溫度以及濕度，對電池自放電速度帶來影響作用。

5.4電池的循環壽命

在規定的的充放電條件下，電池的容量隨之會降至指定的容量前的狀態過程。電池總的所能正常使用的循環次數之和。電池容量值會因使用的時間的變化而改變。電池的容量會在電池充、放電初始階段會有增大的過程，接著會在某一個水平上保持相對穩定一個階段，繼而在末尾階段電池容量會逐漸的減小[37]。鋰離子電池的循環壽命指的是，當鋰離子電池實際容量值下降到其額定容量的80%狀態時，發生在電池使用過程中總的充電次數、放電次數。

參考文獻：

[1]華俊， 邵如平， 朱永濤， 等. 基于自適應卡爾曼濾波算法的鋰電池SOC估算[J]. 科技通報， 2017， （05）： 33.

[2]黃睿. 我國新能源汽車公司—比亞迪投資價值分析[碩士學位論文]. 四川， 西南財經大學， 2013.

[3]朱雅俊. 電動汽車用磷酸鐵鋰電池建模與SOC估算研究[碩士學位論文]， 合肥， 合肥工業大學， 2012.

[4]貢緯華，王華丹，蘇毅，等. 鋰離子電池磷酸鐵鋰正極材料研究進展[J]. 化工新型材料， 2020， 48（07）： 30.

[5]Science China Press， Nobel Laureate Prof. John B. Goodenough discusses lithium-ion batteries in Science China Chemistry[J]， NewsRx Health & Science， 2019.

[6]安治國， 田茂飛， 趙琳， 等. 基于自適應無跡卡爾曼濾波的鋰電池SOC估計[J]. 儲能科學與技術， 2019， 8（05）： 42.

[7]Xuefei Han，Yingxia Huang，Huanxin Lai. Electrochemical-thermal coupled investigation of lithium iron phosphate cell performances under air-cooled conditions[J]. Applied Thermal Engineering， 2019， 147.

[8]劉良， 戴瑋， 王麗梅， 等. 鋰離子電池濃差極化及放電特性分析[J]. 江蘇大學學報（自然科學版）， 2021， 42（01）： 39.