分解不同充電模式對鋰電池極化影響

電力公司電力科學研究院、國網重慶市電力公司電力科學研究院的研究人員楊帆、喬艷龍、甘德剛、王謙、陳偉，在2017年第12期《電工技術學報》上撰文指出，鋰電池大電流快速充電成為近年來的發展趨勢，但大電流充電很容易在電池內部引起嚴重極化，影響電池的性能與壽命。

本文研究不同充電模式對鋰電池極化特性的影響規律，首先，建立基于LiMn2O4/石墨電池的電化學-熱耦合瞬態計算模型，充足考慮充電過程中電池內部的電化學過程和內熱源實時變化，通過變電流充電時電池端電壓變化和電解液濃度的空間分布規律，研究電池內三種極化的時變特性。

然后，研究不同恒流充電倍率下電池端電壓和極化電壓隨SOC的變化規律，提出表征電池極化程度和極化電壓對電池充電過程影響的變量PA與SOCc，定量分解不同充電條件下極化電壓對鋰電池充電過程的影響。最后，研究Reflex快速充電條件下極化電壓的變化規律，分解不同正向充電時間tch對電池極化及充電過程的影響，并給出了提議tch值。

結果聲明，極化電壓受充電電流和SOC的筆直影響，而其變化又筆直影響電池端電壓的變化，Reflex快充辦法能有效抑制電池極化，減弱其對充電的影響。

鋰電池具有循環壽命長、比能量大、體積小、自放電率小等優勢，已經廣泛使用于消費電子、電動車等范疇[1-3]。但是傳統的充電辦法充電速度慢、充電時間長[4]，使得鋰電池在許多范疇的使用受到限制，特別是電動車等需要快速充電的范疇。

受目前技術條件的限制，快速充電主要靠增大充電電流實現。但是大電流快速充電會引發電池內部嚴重的極化現象。電池極化會抬高電池端電壓，造成電池充不滿電，延長充電時間，嚴重極化還會引起電池嚴重發熱和負極表面鋰結晶等，影響電池安全和使用壽命[5,6]。

電池工作時，內部平衡狀態被打破，端電壓偏離其平衡電動勢的現象稱為電池極化[7]。電池極化是由電化學反應物質在電解液和正負電極中傳輸過程受阻引起的[8]。依據萌生原由，極化可分為歐姆極化、電化學極化和濃差極化三種。歐姆極化受電池內部直流內阻和電流的筆直影響；電化學極化和濃差極化則受電池內部電荷和離子傳輸的影響，變化相對緩慢。

電池極化不可避免，國內外學者做了很多相關的研究。文獻[9-11]依據電池的阻抗特性和極化特性建立了基于電路的等效模型，研究了極化電壓對電池端電壓的影響。A.Nyman等[12]從電化學的角度分解了極化電壓的萌生原理，依賴擴散方程建立了固-液之間和溶液內部離子運動方程，準確計算出電池充放電過程中離子流的大小，得到了電池極化電壓的變化趨勢。

北京理工大學王震坡等[13]以優化鋰電池的充放電控制策略為目標，通過試驗研究了荷電狀態（StateofCharge,SOC）電池荷電量與其額定容量之比）、充放電倍率、充放電方式和環境溫度等因素對極化電壓的影響規律。

北京交通大學姜久春等[14]提出了基于極化電壓時間常數的優化充電辦法，有效地平衡了充電速度、極化電壓和溫升之間的關系。基于此優化充電辦法，可在33min內將電池SOC由0.2充到0.8。

中南大學湯依偉等[15]通過一維電化學模型開展了鋰電池放電過程擴散極化的仿真研究，結果顯示，減小活性物質顆粒大小和電極厚度可大大減小擴散極化。

本文首先建立基于LiMn2O4/石墨的鋰電池電化學-熱耦合瞬態數值仿真計算模型，研究了變電流充電、恒流充電和Reflex快速充電三種充電模式下鋰電池的極化特性。依據充電過程中電池極化電壓和端電壓變化規律，提出了表征電池極化和極化對電池充電過程影響的變量PA和SOCc，定量分解了不同充電條件下電池的極化電壓水平及其對充電過程的影響。

結論

通過電化學-熱耦合模型分解了鋰電池在不同充電模式下的極化特性及其對充電過程的影響。主要結論如下：

1）電池極化可以從電池的充電曲線和內部電解液濃度的變化上體現出來。歐姆極化為瞬時變化，而電化學極化和濃差極化為緩慢變化。

2）極化電壓受SOC和充電電流密度的筆直影響，隨電流密度的增大而增大，并在整個恒流充電過程中隨SOC呈弓形變化。

3）恒流充電的均勻極化電壓PA越大，電池產熱越多，極化對電池充電過程的影響越大，充電到截止電壓時充入的電量越少。

4）Reflex快充能有效抑制電池極化，提高電池的可利用容量，且溫升也能得到較好抑制。為了達到較好的去極化效果，正向充電時間tch不宜超過電化學極化的建立時間。

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