李敏

摘要：近年來隨著電動(dòng)汽車的大力發(fā)展，動(dòng)力電池的研究也被各國重視，對(duì)電池荷電狀態(tài)的估算是動(dòng)力電池研究的的重點(diǎn)和難點(diǎn)，動(dòng)力鋰離子電池兼?zhèn)淞斯ぷ鳒囟确秶鷱V，壽命長，能量密度高等優(yōu)勢(shì)得到廣泛的應(yīng)用。就鋰離子電池的特點(diǎn)、工作原理，鋰動(dòng)力電池的電壓、電阻容量特性進(jìn)行分析，對(duì)電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）估計(jì)有著必要的作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;動(dòng)力;鋰離子

1鋰離子電池

鋰電池的定義為內(nèi)部含有鋰的電池，即內(nèi)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(fù)極材料中嵌入和脫逸的過程中實(shí)現(xiàn)充放電的高能電池。但是從熱穩(wěn)定性方面、安全性能、價(jià)格上等因素考慮，鋰離子電池的深度發(fā)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(jìn)一步的研發(fā)和推進(jìn)，鋰離子電池同時(shí)也得到了深入的研究和推進(jìn)。其中鋰離子電池包括了正極、負(fù)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(fù)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(xiàn)在市面上經(jīng)常用到的鋰離子動(dòng)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(chǔ)量相對(duì)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(duì)而言價(jià)格低一些，綜合比較下來價(jià)格上最優(yōu)惠的是鐵（Fe）。與此同時(shí)新能源動(dòng)力電池正極材料的價(jià)格與這些金屬的價(jià)格是成正相關(guān)的。

2動(dòng)力鋰離子電池的工作原理

電池內(nèi)部的電解質(zhì)的狀態(tài)不同，把鋰離子電池分為聚合物鋰電池和液態(tài)鋰電池。電解質(zhì)呈膠狀或者是固體太的是聚合物鋰離子電池;電解質(zhì)為液態(tài)物質(zhì)的被歸為液態(tài)鋰電池。而這兩種狀態(tài)的動(dòng)力鋰離子電池的反應(yīng)原理是一樣的。且結(jié)構(gòu)組成相似，即正負(fù)電極、隔膜以及石墨為材料的負(fù)極。

鋰離子電池的工作過程即是在電池充放電時(shí)，Li+經(jīng)過電解液，在正負(fù)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(jīng)過電池內(nèi)部電解液至電池的負(fù)極材料中。

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

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

3動(dòng)力鋰離子電池的電壓的定義

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

電動(dòng)勢(shì)，指的是電池的供電能力，即可以通過電池正極的電位與負(fù)極的電位之間的差值來表示。同時(shí)電池的電動(dòng)勢(shì)也可以視為電池儲(chǔ)存電的能力。

若用公示可表達(dá)電池的電動(dòng)勢(shì)為：

E=U+-U- ? ? ? ? ? ? （1-5）

其中E表示的是電池的電動(dòng)勢(shì)的參數(shù)值，字母U+指的是電池的正極對(duì)應(yīng)的電位值，字母U_為電池的負(fù)極對(duì)應(yīng)的電位值。

鋰離子電池的額定電壓在有的文獻(xiàn)中也稱為標(biāo)稱電壓或者稱為電動(dòng)勢(shì)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(nèi)阻

電阻是導(dǎo)體本身對(duì)電流流通的阻礙能力，內(nèi)阻指的是電池對(duì)于電流的阻礙作用的大小。

電池極化現(xiàn)象指在電化學(xué)反應(yīng)的過程中，伴隨著的是電極電勢(shì)和平衡電勢(shì)有偏離現(xiàn)象。電化學(xué)反應(yīng)越劇烈，極化現(xiàn)象越嚴(yán)重。極化現(xiàn)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(huán)境，電池材料的幾何組成結(jié)構(gòu)因素，單體電池的組裝方式。這些因素均會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生的極化現(xiàn)象，統(tǒng)稱為電池的歐姆極化。

2.電化學(xué)極化：在充放電過程中伴隨的是電池內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，即電荷會(huì)在在電極和電解質(zhì)中的移動(dòng)，在移動(dòng)的過程中在電池的內(nèi)部會(huì)受到阻礙其運(yùn)動(dòng)的力，這種阻礙力導(dǎo)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(xué)反應(yīng)過程中所受到阻礙的現(xiàn)象稱為電池的電化學(xué)極化。

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

發(fā)生的電池內(nèi)的極化內(nèi)阻主要是由電池的電化學(xué)極化內(nèi)阻以及電池內(nèi)部的濃差極化內(nèi)阻影響，電化學(xué)極化內(nèi)阻和電池的濃差極化內(nèi)阻大小值的影響原因主要是電池自身所處的工作狀態(tài)、電池充放電工作所處的工作環(huán)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(shí)（Ah）或毫安時(shí)（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(shí)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(shè)計(jì)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(gè)會(huì)在電池生產(chǎn)出來時(shí)標(biāo)記在電池的表面，因此電池的額定容量有些文獻(xiàn)中也會(huì)被稱為標(biāo)稱容量。

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

3.電池的理論容量值是由活性物質(zhì)的量決定，通過法拉第定律計(jì)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(yīng)該大于電池實(shí)際容量的值。

對(duì)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(huán)壽命[7]。

5.1電池的充、放電倍率

充電倍率指在規(guī)定的時(shí)間值，把電電量充滿至額定容量時(shí)，充電電流的值;放電倍率指的是在規(guī)定的時(shí)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(shù)值大小上，充電倍率、放電倍率都可用下面公式計(jì)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(jì)算出對(duì)應(yīng)放電的電流值規(guī)定時(shí)，放電倍率的大小。

由于在電池工作過程中，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)沿著正、負(fù)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(zhì)能夠參與反應(yīng)得深度就會(huì)越低，因而電池的利用率會(huì)越低。所以當(dāng)電池的充電倍率、放電倍率值越大時(shí)，電池所能充入或放出的容量反而會(huì)隨之越小。

5.2電池溫度

溫度對(duì)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(shí)，因?yàn)樵陔姵貎?nèi)部電解液中的離子擴(kuò)散的相對(duì)速度會(huì)因此加劇，發(fā)生在電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)速度也會(huì)加快，但是電解質(zhì)的導(dǎo)電率也會(huì)增加，電池電阻也會(huì)隨之減小，電池最終釋放的容量增加[8]。在溫度較低時(shí)，活性物質(zhì)反應(yīng)速率降低，離子擴(kuò)散速度也會(huì)減慢，電化學(xué)反應(yīng)的速度也會(huì)降低，電解質(zhì)的導(dǎo)電率會(huì)隨之降低，電池的容量明顯的降低?？梢酝ㄟ^修正的方式彌補(bǔ)溫度對(duì)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(shí)的電池容量大小值;Q25為在溫度為25℃時(shí)電池的容量大小值;KT則是指的是溫度補(bǔ)償系數(shù);a則指的是對(duì)應(yīng)溫度變化的溫度系數(shù)，其單位為安.時(shí)/攝氏度（Ah/℃），其中溫度系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)得到其值得大小;T則是指電池實(shí)際的工作溫度。

5.3電池的自放電

放置一段時(shí)間后，電池會(huì)出現(xiàn)電池容量下降的現(xiàn)象，通常把這種現(xiàn)象稱為電池的自放電現(xiàn)象，電池的自放電的速度大小是與電池的自放電率相關(guān)聯(lián)的，電池的自放電率可由公式（1-9）來計(jì)算，即電池容量降低值比上電池放置時(shí)間值。如下式表達(dá)：

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(shí)刻電池對(duì)應(yīng)的容量大小。電池在放置一段時(shí)間后，會(huì)造成電池容量會(huì)下降。原因是正負(fù)極上的活性物質(zhì)的脫落及溶解，電池正、負(fù)電極自身存在腐蝕的現(xiàn)象，電極極化反應(yīng)等。電池存放的環(huán)境，存放點(diǎn)周圍的溫度以及濕度，對(duì)電池自放電速度帶來影響作用。

5.4電池的循環(huán)壽命

在規(guī)定的的充放電條件下，電池的容量隨之會(huì)降至指定的容量前的狀態(tài)過程。電池總的所能正常使用的循環(huán)次數(shù)之和。電池容量值會(huì)因使用的時(shí)間的變化而改變。電池的容量會(huì)在電池充、放電初始階段會(huì)有增大的過程，接著會(huì)在某一個(gè)水平上保持相對(duì)穩(wěn)定一個(gè)階段，繼而在末尾階段電池容量會(huì)逐漸的減小[37]。鋰離子電池的循環(huán)壽命指的是，當(dāng)鋰離子電池實(shí)際容量值下降到其額定容量的80%狀態(tài)時(shí)，發(fā)生在電池使用過程中總的充電次數(shù)、放電次數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]黃睿. 我國新能源汽車公司—比亞迪投資價(jià)值分析[碩士學(xué)位論文]. 四川， 西南財(cái)經(jīng)大學(xué)， 2013.

[3]朱雅俊. 電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰電池建模與SOC估算研究[碩士學(xué)位論文]， 合肥， 合肥工業(yè)大學(xué)， 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(jìn)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(yīng)無跡卡爾曼濾波的鋰電池SOC估計(jì)[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)， 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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2021， 42（01）： 39.