鉅大LARGE | 點擊量：11909次 | 2018年08月01日
鋰離子電池充放電過程，鋰電池放電曲線全面解析
測定電池的放電曲線，是研究電池性能的基本方法之一，根據(jù)放電曲線，可以判斷電池工作性能是否穩(wěn)定，以及電池在穩(wěn)定工作時所允許的最大電流。本文詳細(xì)全面地介紹鋰離子電池放電曲線的基礎(chǔ)知識。由于作者水平有限，文中錯誤之處，歡迎批評指正。本文較長，10000多字，主要內(nèi)容包括：
1電池的電壓
1.1鋰離子電池材料的電極電位
1.2電池的開路電壓
1.3電池極化
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.4電池的工作電壓
2放電測試基本原理
2.1放電測試模式
2.2放電曲線包含的信息
2.3放電曲線的基本形式
3放電曲線的微分處理
鋰離子電池放電時，它的工作電壓總是隨著時間的延續(xù)而不斷發(fā)生變化，用電池的工作電壓做縱坐標(biāo)，放電時間，或容量，或荷電狀態(tài)（SOC），或放電深度（DOD）做橫坐標(biāo)，繪制而成的曲線稱為放電曲線。要認(rèn)識電池的放電特性曲線，首先需要從原理上理解電池的電壓。
1電池的電壓
電極反應(yīng)要形成電池必須滿足以下條件：化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過程(即氧化過程)和得到電子的過程(即還原反應(yīng)過程)必須分隔在兩個不同區(qū)域中進行，這區(qū)別于一般的氧化還原反應(yīng)；兩電極的活性物質(zhì)進行氧化還原反應(yīng)時所需的電子必須由外電路傳遞，這區(qū)別于金屬腐蝕過程的微電池反應(yīng)。電池的電壓是正極與負(fù)極之間的電勢差，具體的關(guān)鍵參數(shù)包括開路電壓、工作電壓、充放電截止電壓等。
1.1鋰離子電池材料的電極電位
電極電位是指固體材料浸于電解質(zhì)溶液中，顯示出電的效應(yīng)，即金屬的表面與溶液間產(chǎn)生的電位差，這種電位差稱為金屬在此溶液中的電位或電極電位。簡單說電極電位是表示某種離子或原子獲得電子而被還原的趨勢。
因此，對某種正極或負(fù)極材料來說，當(dāng)處于有鋰鹽的電解質(zhì)中時，其電極電位表示成：
其中，φc即是這種物質(zhì)表現(xiàn)出來的電極電位。表1中所列的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（25.0℃，101.325kPa）是相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢的值。標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢被規(guī)定為0.0V。
表1常見的材料在水溶液中的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢
1.2電池的開路電壓
電池電動勢是根據(jù)電池反應(yīng)，應(yīng)用熱力學(xué)方法進行計算的理論值，即電池在斷路時處于可逆平衡狀態(tài)下，正負(fù)極之間的平衡電極電勢之差，是電池可以給出電壓的極大值。而實際上，正負(fù)極在電解液中并不一定處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，即電池的正負(fù)極在電解質(zhì)溶液中所建立的電極電勢通常并非平衡電極電勢，因此電池的開路電壓一般均小于它的電動勢。對于電極反應(yīng)：
考慮反應(yīng)物組分的非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)以及活性組分的活度（或濃度）隨時間的變化，采用能斯特方程修正電池實際開路電壓：
其中，R是氣體常數(shù)，T是反應(yīng)溫度，a是組分活度或濃度。電池的開路電壓取決于電池正負(fù)極材料的性質(zhì)、電解質(zhì)和溫度條件等，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸大小無關(guān)。
鋰離子電極材料制備成極片，與金屬鋰片組裝成紐扣半電池，可以測得電極材料在不同的SOC狀態(tài)下的開路電壓，開路電壓曲線是電極材料荷電狀態(tài)的反應(yīng)，圖1是磷酸鐵鋰電極材料的開路電壓曲線，從開路電壓曲線可以判定電極材料的對應(yīng)的脫嵌鋰狀態(tài)。而電池的開路電壓曲線是正負(fù)極材料信息的疊加狀態(tài)。
