理论结合生产实践谈谈锂电池内阻那些事

近年来，新能源汽车对动力电池高倍率充放电性能的要求越来越高，而内阻是影响电池功率性能和放电效率的重要因素，它的初始大小主要由电池的结构设计、原材料性能和制程工艺决定。随着锂电池的使用，电池性能不断衰减，主要表现为容量衰减、内阻增加、功率下降等，电池内阻的变化受温度、放电深度等多种使用条件的影响。因此，结合电池结构设计、原材料性能、制程工艺和使用条件等方面阐述了影响电池内阻的因素。

电阻是锂电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。通常，锂电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。电池的欧姆内阻由电池的总电导率决定，电池的极化内阻由锂离子在电极活性材料中的固相扩散系数决定。

欧姆内阻

欧姆内阻主要分为三个部分，一是离子阻抗，二是电子阻抗，三是接触阻抗。我们希望锂电池的内阻越小越小，那么就需要针对此三项内容采取具体措施来降低欧姆内阻。

离子阻抗

锂电池离子阻抗是指锂离子在电池内部传递所受到的阻力。在锂电池中锂离子迁移速度和电子传导速度起着同样重要的作用，离子阻抗主要受正负极材料、隔膜以及电解液的影响。想要降低离子阻抗，需要做好以下几点：

保证正负极材料和电解液具有良好的浸润性

在极片设计时需要选定合适的压实密度，如果压实密度过大，电解液不易浸润，会提高离子阻抗。对于负极极片来说，如果首次充放电时在活物质表面形成的SEI膜过厚，也会提高离子阻抗，这时需要调节电池的化成工艺来解决。

电解液的影响

电解液要具有合适的浓度、粘度和电导率。电解液粘度过高时，不利于其与正负极活物质之间的浸润。同时，电解液也需要较低的浓度，浓度过高同样不利于其流动浸润。电解液的电导率是影响离子阻抗的最重要的因素，其决定着离子的迁移。

隔膜对离子阻抗的影响

隔膜对离子阻抗的主要影响因素有：隔膜中电解液分布、隔膜面积、厚度、孔隙大小、孔隙率以及曲折系数等。对于陶瓷隔膜来说，还需要预防陶瓷颗粒堵塞隔膜孔隙不利于离子通过。在保证电解液充分浸润隔膜的同时，还不能有余量的电解液残留其中，降低电解液的使用效率。

电子阻抗

电子阻抗的影响因素比较多，可以从材料、工艺等方面进行着手改善。

正负极极板

正负极极板影响电子阻抗的因素主要有：活物质与集流体的接触、活物质本身因素、极板参数等。活物质要与集流体面充分接触，可以从集流体铜箔、铝箔基材上，正负极浆料粘接性上考虑。活物质本身的孔隙率、颗粒表面副产物、与导电剂混合不均匀等均会造成电子阻抗变化。极板参数如活物质密度太小时，颗粒间隙大，不利于电子传导。

隔膜

隔膜对电子阻抗的影响因素主要有：隔膜厚度、孔隙率以及充放电过程中的副产物。前两者很容易理解，在电芯拆解之后经常会发现隔膜上沾着厚厚一层褐色物质，里面包括石墨负极及其反应副产物，会造成隔膜孔堵塞，降低电池使用寿命。

集流体基材

集流体的材质、厚度、宽度以及其与极耳的接触程度均会影响电子阻抗。集流体需要选择未氧化钝化的基材，否则会影响阻抗大小。铜铝箔与极耳焊接不良也会影响电子阻抗。

接触阻抗

接触电阻是在铜铝箔与活物质的接触间形成的，需要重点关注正负极浆料的粘接性。

极化内阻

电流通过电极时，电极电势偏离平衡电极电势的现象称为电极的极化。极化包括欧姆极化、电化学极化和浓差极化。极化电阻是指电池的正极与负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻，其能反应电池内部的一致性，但是由于受操作、方法的影响，不适用于生产中。极化内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，这是因为活性物质的组成，电解液的浓度和温度都在不断的改变。欧姆内阻遵守欧姆定律，极化内阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系。常随电流密度的对数增大而线性增加。

结构设计影响

在电池结构设计中，除了电池结构件本身的铆接及焊接之外，电池极耳的数量、尺寸、位置等直接影响电池内阻大小。在一定程度内，增加极耳数量，可有效降低电池内阻。极耳位置也影响电池的内阻，极耳位置在正负极极片头部的卷绕电池内阻最大，且相较于卷绕式电池，叠片式电池相当于几十片小电池并联，其内阻更小。

原材料性能影响

正负极活性材料

锂电池中正极材料是储锂一方，更多的决定了锂电池的性能，正极材料主要通过包覆与掺杂来改善颗粒之间的电子传导能力。如掺杂Ni后增强了P-O键的强度，稳定了LiFePO4/C的结构，优化了晶胞体积，可有效降低正极材料的电荷转移阻抗。活化极化特别是负极活化极化的大幅增加是极化严重的主要原因。减小负极颗粒粒径可以有效减小负极活化极化，当负极固相粒径减小一半时，活化极化可降低45%。因此，就电池设计而言，正负极材料本身的改善研究也是必不可少的。

导电剂

石墨和炭黑因其良好性能，在锂电池领域应用广泛。相对于石墨类导电剂，正极添加炭黑类导电剂的电池倍率性能更优，因为石墨类导电剂具有片状颗粒形貌，大倍率下引起孔隙曲折系数较大增长，易出现Li液相扩散过程限制放电容量的现象。而添加了CNTs的电池其内阻更小，因为相对石墨/炭黑与活性材料的点接触，纤维状的碳纳米管与活性材料属于线接触，可以降低电池的界面阻抗。

集流体

降低集流体与活性物质间的界面电阻，提高两者之间的粘结强度是提升锂电池性能的重要手段。在铝箔表面涂覆导电碳涂层和对铝箔进行电晕处理可有效降低电池的界面阻抗。相较普调铝箔，使用涂碳铝箔可以使电池的内阻降低65%左右，且可降低电池在使用过程中内阻的增幅。经电晕处理的铝箔交流内阻可降低20%左右，在常使用的20%~90%SOC区间内，直流内阻整体偏小且随放电深度的增加，其增幅逐渐较小。

隔膜

电池内部的离子传导需依赖电解液中Li离子通过隔膜多孔的扩散，隔膜的吸液润湿能力是形成良好离子流动通道的关键，当隔膜具有更高的吸液率和多孔结构时，能提升导电性减小电池阻抗，提高电池的倍率性能。相较普通基膜，陶瓷隔膜和涂胶隔膜不但能大幅提高隔膜的高温耐收缩性，而且可增强隔膜的吸液润湿能力，在PP隔膜上增加SiO2陶瓷涂层，可使隔膜的吸液量增加17%。在PP/PE复合隔膜上涂覆1μm的PVDF-HFP，隔膜吸液率由70%增加到82%，电芯内阻下降20%以上。

从电池结构设计、原材料性能、制程工艺和使用条件等方面来讲影响电池内阻的因素主要包括：

制程因素影响

合浆