背景

在電池的充放電過程中，電池的實際容量會受到內(nèi)阻誘導(dǎo)過電壓的影響。內(nèi)阻作為電池最重要的參數(shù)之一，對于診斷電池劣化具有非常重要的研究意義。電池的內(nèi)阻包括以下三部分：

• 歐姆內(nèi)阻（RΩ）-由電極材料、電解液、隔膜的電阻及各部分零件的接觸電阻組成；

• 電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻（Rct）-離子穿越電極、電解液界面的電阻，代表電極反應(yīng)難易程度。一般通過增強導(dǎo)電性可以減小這部分電阻；

• 極化內(nèi)阻（Rmt）-由電解液內(nèi)正負(fù)極之間的鋰離子濃度擴散不均引起；在動力學(xué)條件較惡劣的情況下，比如低溫或者高速率充電下尤為嚴(yán)重。

目前常用的測量電阻的方法為交流內(nèi)阻（ACIR）與直流內(nèi)阻（DCIR）。ACIR為在高頻率(1kHz)下測得的電池的內(nèi)阻，一般為歐姆內(nèi)阻。缺點是不能直觀、全面地反映電池性能。而DCIR測試法是給電池強制施加短時恒定電流，此時電池的電壓隨時間而發(fā)生變化。假如電池瞬間通過的電流為Ｉ，在極短的時間內(nèi)測量出電池電壓的變化為ΔＵ，再根據(jù)歐姆定律Ｒ＝ΔＵ／Ｉ計算出電池的直流內(nèi)阻。DCIR不僅包括歐姆內(nèi)阻，還包括電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻與極化內(nèi)阻。

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析

對于鋰離子電池的DCIR測試一直是研究難點。首先鋰離子電池的內(nèi)阻很小，通常是毫歐級別，同時又是有源元件，不同于一般的電阻元件，不能直接測量大??；另外電池的內(nèi)阻易受測試時所處的狀態(tài)影響，例如在不同環(huán)境溫度、不同荷電狀態(tài)，電池的內(nèi)阻就有一定的差別。目前國內(nèi)外包含DCIR測試的標(biāo)準(zhǔn)如下：

• 國際：IEC 61960-3:2017《含堿性或其它非酸性電解液二次電芯和電池—便攜式設(shè)備使用的二次鋰電芯和電池-第3部分：方形和圓柱形鋰二次電芯及由它們組成的電池》、以及IEC?62620:2014《含堿性或其它非酸性電解液二次電芯和電池—在工業(yè)設(shè)備中使用的二次鋰電芯及由它們組成的電池》中都有要求測試電池DCIR的項目；

• 日本：日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(JISC)發(fā)布的JIS C 8715-1:2018《工業(yè)用二次鋰電芯及電池 第1部分 性能要求和試驗》也有關(guān)于DCIR的測試；

• 中國：我國目前暫無關(guān)于DCIR測試項目的標(biāo)準(zhǔn)；

測試差異：

總體上，IEC 61960-3:2017、IEC 62660:2014和JIS C 8715-1:2018在試驗方法上是相近的，主要的區(qū)別有以下幾點。

1)?測試溫度不同。IEC 62660：2014和JIS C 8715-1:2018測試環(huán)境溫度較IEC 61960-3：2017高５℃。低溫會使電解液粘度增大，離子移動速度減慢，化學(xué)反應(yīng)速度降低，電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻都會增大，因此DCIR會呈現(xiàn)出增大的趨勢。

2)?測試時的SOC狀態(tài)不同。IEC 62660:2014和JIS C 8715-1:2018的SOC狀態(tài)要求為50％±10％，而IEC 61960-3:2017SOC狀態(tài)要求為100％。不同SOC狀態(tài)對DCIR的測試結(jié)果還是有很大影響的，一般DCIR數(shù)據(jù)會隨著SOC的升高而逐漸降低，這與的電池內(nèi)部的反應(yīng)過程有關(guān)。在低SOC下，電荷轉(zhuǎn)移阻抗Rct較高，隨著SOC逐漸增大，Rct減小，DCIR也減??；

3)?測試時兩次放電時間不同。IEC 62660:2014和JIS C 8715-1:2018規(guī)定的兩次放電時間較IEC 61960-3:2017長。長的脈沖時間會使DCIR增長趨勢變緩，逐漸偏離線性。原因是隨著脈沖時間的增加，電池內(nèi)部Rct增加，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

4)?測試時兩次放電電流大小不同。IEC 62660:2014和JIS C 8715-1:2018與IEC 61960-3:2017的放電電流大小也不同。但電流與DCIR的關(guān)系與電池的體系設(shè)計有關(guān)，并無直接聯(lián)系。

5)?雖然JIS C 8715-1:2018參考了IEC 62660:2014，但在對于高倍率電池的定義上有所區(qū)別。IEC 62660:2014規(guī)定放電能力不小于7.0Ｃ的電池為高倍率電池，而JIS C 8715-1:2018規(guī)定放電能力大于3.5Ｃ的電池即為高倍率電池。

實驗過程分析

下圖為DCIR的測量過程的電壓-時間函數(shù)圖，通過曲線可以明確地了解電芯的每部分阻值，便于我們?nèi)嬖u估電芯性能。

• 如圖所示，紅色箭頭代表RΩ，RΩ的值與iR-drop有關(guān)，iR-drop為電流突變后電池電壓的突然變化。一般只要給電芯通電流都會發(fā)生電壓降。由計算可知此電芯RΩ為0.49mΩ；

• 隨后的綠色箭頭代表Rct。Rct與Rmt需要一些時間激活，一般發(fā)生在歐姆電壓降之后。Rct的值可以從隨后的電流突變后的第一毫秒開始計算，其值為0.046mΩ。Rct一般與電芯SOC狀態(tài)有關(guān)，隨著SOC逐漸增大而減小。

• 藍(lán)色箭頭代表Rmt的變化。此時電芯電壓的持續(xù)降低可歸因于濃差極化，鋰離子濃度擴散不均。Rmt數(shù)值為0.19mΩ?

總結(jié)

直流內(nèi)阻測試能夠很好地反應(yīng)電池性能，也是制造商在前期研發(fā)過程中必定要考量的一個參數(shù)。但在測量過程中有幾個方面的操作需要格外留意，否則會影響直流內(nèi)阻測量的準(zhǔn)確度：

電池與充放電設(shè)備的連接方式。測量過程中應(yīng)確保連接電阻足夠小（一般建議不大于0.02mΩ）；

電壓和電流采集線的連接。采集線連接在電池極耳同側(cè)較優(yōu)，特別注意不能直接將采集線連接到充放電設(shè)備的導(dǎo)流線上；

充放電設(shè)備的設(shè)備精度，以及充放設(shè)備的響應(yīng)時間。一般要求響應(yīng)時間不大于10ms，響應(yīng)時間越短測試結(jié)果的準(zhǔn)確度會越高。