Bei der Verwendung von Lithiumbatterien nimmt die Batterieleistung weiter ab, hauptsächlich als Kapazitätsabfall, Erhöhung des Innenwiderstands, Leistungsabfall usw. Die Änderung des Innenwiderstands der Batterie wird durch verschiedene Nutzungsbedingungen wie Temperatur und Entladetiefe beeinflusst. Daher werden die Faktoren, die den Innenwiderstand der Batterie beeinflussen, in Bezug auf das Batteriestrukturdesign, die Rohstoffleistung, den Herstellungsprozess und die Verwendungsbedingungen beschrieben.

Der Widerstand ist der Widerstand, den die Lithiumbatterie erhält, wenn der Strom in der Batterie fließt, wenn sie funktioniert. Im Allgemeinen wird der Innenwiderstand von Lithiumbatterien in ohmschen Innenwiderstand und Polarisationsinnenwiderstand unterteilt. Der ohmsche Innenwiderstand setzt sich zusammen aus Elektrodenmaterial, Elektrolyt, Membranwiderstand und dem Übergangswiderstand jedes Teils. Der Polarisationsinnenwiderstand bezieht sich auf den Widerstand, der durch die Polarisation während der elektrochemischen Reaktion verursacht wird, einschließlich des elektrochemischen Polarisationsinnenwiderstands und des Konzentrationspolarisationsinnenwiderstands. Der ohmsche Innenwiderstand der Batterie wird durch die Gesamtleitfähigkeit der Batterie bestimmt, und der Polarisationsinnenwiderstand der Batterie wird durch den Festphasendiffusionskoeffizienten von Lithiumionen im Elektrodenaktivmaterial bestimmt.

Ohm-Widerstand

Der ohmsche Widerstand ist hauptsächlich in drei Teile unterteilt, einer ist die Ionenimpedanz, der andere ist die elektronische Impedanz und der dritte ist die Kontaktimpedanz. Wir hoffen, dass der Innenwiderstand der Lithiumbatterie so klein wie möglich ist, daher müssen wir bei diesen drei Punkten gezielte Maßnahmen ergreifen, um den ohmschen Innenwiderstand zu reduzieren.

Ionenimpedanz

Der Ionenwiderstand von Lithiumbatterien bezieht sich auf den Widerstand gegen die Übertragung von Lithiumionen innerhalb der Batterie. In einer Lithiumbatterie spielen die Lithiumionenwanderungsgeschwindigkeit und die Elektronenleitungsgeschwindigkeit eine ebenso wichtige Rolle, und der Ionenwiderstand wird hauptsächlich durch die positiven und negativen Elektrodenmaterialien, den Separator und den Elektrolyten beeinflusst. Um die Ionenimpedanz zu reduzieren, müssen Sie Folgendes tun:

Stellen Sie sicher, dass die positiven und negativen Materialien und der Elektrolyt eine gute Benetzbarkeit haben

Bei der Auslegung des Polschuhs muss eine geeignete Verdichtungsdichte gewählt werden. Ist die Verdichtungsdichte zu groß, kann der Elektrolyt nicht leicht infiltriert werden, was den Ionenwiderstand erhöht. Wenn der während des ersten Ladens und Entladens auf der Oberfläche des Aktivmaterials gebildete SEI-Film zu dick ist, erhöht dies beim negativen Polschuh auch den Ionenwiderstand. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, den Bildungsprozess der Batterie anzupassen, um ihn zu lösen.

Einfluss von Elektrolyt

Der Elektrolyt muss die entsprechende Konzentration, Viskosität und Leitfähigkeit aufweisen. Wenn die Viskosität des Elektrolyten zu hoch ist, ist dies der Infiltration zwischen dem Elektrolyten und den aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden nicht förderlich. Gleichzeitig benötigt der Elektrolyt auch eine niedrige Konzentration, eine zu hohe Konzentration ist auch nicht förderlich für sein Fließen und Infiltrieren. Die Leitfähigkeit des Elektrolyten ist der wichtigste Faktor für den Ionenwiderstand, der die Wanderung von Ionen bestimmt.

Einfluss des Diaphragmas auf den Ionenwiderstand

Die Haupteinflussfaktoren des Diaphragmas auf den Ionenwiderstand sind: Elektrolytverteilung im Diaphragma, Diaphragmafläche, Dicke, Porengröße, Porosität und Tortuositätskoeffizient. Bei Keramikdiaphragmen muss außerdem verhindert werden, dass Keramikpartikel die Poren des Diaphragmas verstopfen, was dem Durchtritt von Ionen nicht förderlich ist. Während sichergestellt wird, dass der Elektrolyt vollständig in das Diaphragma infiltriert ist, sollte kein überschüssiger Elektrolyt darin verbleiben, was die Wirksamkeit des Elektrolyten verringert.

Elektronische Impedanz

Es gibt viele Einflussfaktoren der elektronischen Impedanz, die unter anderem durch Materialien und Prozesse verbessert werden können.

Positive und negative Platten

Die Hauptfaktoren, die die elektronische Impedanz der positiven und negativen Platten beeinflussen, sind: der Kontakt zwischen dem aktiven Material und dem Stromkollektor, die Faktoren des aktiven Materials selbst und die Parameter der Platte. Das Aktivmaterial sollte in vollem Kontakt mit der Stromkollektoroberfläche sein, was an der Stromkollektor-Kupferfolie, dem Aluminiumfolien-Basismaterial und der Haftung der positiven und negativen Elektrodenpasten zu erkennen ist. Die Porosität des lebenden Materials selbst, die Nebenprodukte auf der Oberfläche der Partikel und das ungleichmäßige Mischen mit dem leitfähigen Mittel usw. bewirken, dass sich die elektronische Impedanz ändert. Polarplattenparameter wie die Dichte der lebenden Materie sind zu klein, der Abstand zwischen den Teilchen ist zu groß, was der Elektronenleitung nicht förderlich ist.

Membran

Die Hauptfaktoren, die die elektronische Impedanz des Diaphragmas beeinflussen, sind: Diaphragmadicke, Porosität und Nebenprodukte beim Lade- und Entladeprozess. Die ersten beiden sind leicht zu verstehen. Nach der Demontage der Batterie befindet sich auf dem Separator häufig eine dicke Schicht braunen Materials, einschließlich der negativen Graphitelektrode und ihrer Reaktionsnebenprodukte, die die Membranporen verstopfen und die Lebensdauer der Batterie verringern.

Stromkollektorsubstrat

Das Material, die Dicke, die Breite des Stromkollektors und der Kontaktgrad mit den Laschen beeinflussen alle die elektronische Impedanz. Der Stromkollektor muss ein Substrat wählen, das nicht oxidiert und passiviert wurde, da es sonst die Impedanz beeinflusst. Eine schlechte Verschweißung zwischen Kupfer- und Aluminiumfolie und Laschen wirkt sich ebenfalls auf die elektronische Impedanz aus.

Kontakt Widerstand

Der Kontaktwiderstand wird zwischen dem Kontakt zwischen der Kupfer- und Aluminiumfolie und dem Aktivmaterial gebildet, und es muss auf die Haftung der positiven und negativen Elektrodenpasten geachtet werden.

Polarisierter Innenwiderstand

Wenn Strom durch die Elektroden fließt, wird das Phänomen, dass das Elektrodenpotential vom Gleichgewichtselektrodenpotential abweicht, als Elektrodenpolarisation bezeichnet. Polarisation umfasst ohmsche Polarisation, elektrochemische Polarisation und Konzentrationspolarisation. Der Polarisationswiderstand bezieht sich auf den Innenwiderstand, der durch die Polarisation der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der Batterie während der elektrochemischen Reaktion verursacht wird. Sie kann die innere Konsistenz der Batterie widerspiegeln, ist jedoch aufgrund des Einflusses von Betrieb und Methode nicht für die Produktion geeignet. Der interne Polarisationswiderstand ist nicht konstant und ändert sich mit der Zeit während des Lade- und Entladevorgangs. Denn die Zusammensetzung des Aktivmaterials, die Konzentration und die Temperatur des Elektrolyten ändern sich ständig. Der ohmsche Innenwiderstand gehorcht dem Ohmschen Gesetz und der Polarisations-Innenwiderstand steigt mit steigender Stromdichte, aber es handelt sich nicht um einen linearen Zusammenhang. Sie steigt oft linear mit zunehmendem Logarithmus der Stromdichte an.

Einfluss des Tragwerksdesigns

Bei der Konstruktion der Batteriestruktur wirken sich zusätzlich zum Nieten und Schweißen der Batteriestruktur selbst die Anzahl, Größe und Position der Batterielaschen direkt auf den Innenwiderstand der Batterie aus. Bis zu einem gewissen Grad kann eine Erhöhung der Anzahl der Laschen den Innenwiderstand der Batterie effektiv reduzieren. Die Position der Laschen beeinflusst auch den Innenwiderstand der Batterie. Der Innenwiderstand der Wickelbatterie mit der Laschenposition am Kopf der Plus- und Minuspolstücke ist am größten. Im Vergleich zur gewickelten Batterie entspricht die laminierte Batterie Dutzenden kleiner Batterien parallel. , Sein Innenwiderstand ist kleiner.

Auswirkungen auf die Rohstoffleistung

Positive und negative Aktivmaterialien

Bei Lithiumbatterien ist das positive Elektrodenmaterial die Lithiumspeicherseite, die mehr die Leistung der Lithiumbatterie bestimmt. Das positive Elektrodenmaterial verbessert hauptsächlich die elektronische Leitfähigkeit zwischen Partikeln durch Beschichtung und Dotierung. Beispielsweise erhöht die Dotierung mit Ni die Festigkeit der PO-Bindung, stabilisiert die Struktur von LiFePO4/C, optimiert das Zellvolumen und kann den Ladungsübertragungswiderstand des positiven Elektrodenmaterials effektiv reduzieren. Die deutliche Zunahme der Aktivierungspolarisation, insbesondere der Aktivierungspolarisation der negativen Elektrode, ist der Hauptgrund für die gravierende Polarisation. Das Verringern der Partikelgröße der negativen Elektrode kann die aktive Polarisation der negativen Elektrode effektiv reduzieren. Wenn die Festphasenteilchengröße der negativen Elektrode um die Hälfte reduziert wird, kann die aktive Polarisation um 45% reduziert werden. Daher ist im Hinblick auf das Batteriedesign auch die Forschung zur Verbesserung der positiven und negativen Materialien selbst unverzichtbar.

Leitfähiges Mittel

Graphit und Ruß werden aufgrund ihrer guten Eigenschaften häufig im Bereich der Lithiumbatterien verwendet. Verglichen mit einem leitfähigen Mittel auf Graphitbasis weist die positive Elektrode mit einem leitfähigen Mittel auf Rußbasis eine bessere Leistung der Batterierate auf, da das leitfähige Mittel auf Graphitbasis eine flockige Partikelmorphologie aufweist, die eine starke Zunahme der Porentortuosität mit einer großen Rate verursacht, und Li-Flüssigphasendiffusion tritt leicht auf Das Phänomen, dass der Prozess die Entladekapazität begrenzt. Die Batterie mit zugesetzten CNTs hat einen geringeren Innenwiderstand, da die faserigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Vergleich zum Punktkontakt zwischen Graphit/Ruß und dem Aktivmaterial in Linienkontakt mit dem Aktivmaterial stehen, was die Grenzflächenimpedanz der Batterie reduzieren kann.

Stromabnehmer

Die Verringerung des Grenzflächenwiderstands zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Material und die Verbesserung der Bindungsstärke zwischen den beiden sind wichtige Mittel, um die Leistung von Lithiumbatterien zu verbessern. Das Aufbringen einer leitfähigen Kohlenstoffbeschichtung auf die Oberfläche der Aluminiumfolie und eine Koronabehandlung auf der Aluminiumfolie können die Grenzflächenimpedanz der Batterie effektiv reduzieren. Im Vergleich zu gewöhnlicher Aluminiumfolie kann die Verwendung von kohlenstoffbeschichteter Aluminiumfolie den Innenwiderstand der Batterie um etwa 65% reduzieren und kann den Anstieg des Innenwiderstands der Batterie während des Gebrauchs verringern. Der Wechselstrom-Innenwiderstand von koronabehandelter Aluminiumfolie kann um etwa 20 % reduziert werden. Im üblicherweise verwendeten SOC-Bereich von 20 % bis 90 % ist der gesamte DC-Innenwiderstand relativ klein und der Anstieg wird mit zunehmender Entladungstiefe allmählich geringer.

Membran

Die Ionenleitung innerhalb der Batterie hängt von der Diffusion von Li-Ionen im Elektrolyten durch das poröse Diaphragma ab. Die Flüssigkeitsaufnahme und Benetzungsfähigkeit des Diaphragmas ist der Schlüssel zur Bildung eines guten Ionenflusskanals. Wenn das Diaphragma eine höhere Flüssigkeitsabsorptionsrate und eine poröse Struktur aufweist, kann es verbessert werden. Die Leitfähigkeit reduziert die Batterieimpedanz und verbessert die Batterieleistung. Im Vergleich zu gewöhnlichen Basismembranen können Keramikdiaphragmen und gummibeschichtete Diaphragmen nicht nur die Hochtemperatur-Schrumpfbeständigkeit des Diaphragmas erheblich verbessern, sondern auch die Flüssigkeitsaufnahme und Benetzungsfähigkeit des Diaphragmas verbessern. Die Zugabe einer SiO2-Keramikbeschichtung auf dem PP-Diaphragma kann dazu führen, dass das Diaphragma Flüssigkeit absorbiert. Das Volumen wurde um 17% erhöht. Durch die Beschichtung von 1μm PVDF-HFP auf dem PP/PE-Verbunddiaphragma wird die Flüssigkeitsaufnahme des Diaphragmas von 70 % auf 82 % erhöht und der Innenwiderstand der Zelle um mehr als 20 % reduziert.

Unter den Aspekten des Herstellungsprozesses und der Einsatzbedingungen sind die Faktoren, die den Innenwiderstand der Batterie beeinflussen, hauptsächlich:

Prozessfaktoren beeinflussen

Aufschließen

Die Gleichmäßigkeit der Aufschlämmungsdispersion während des Mischens beeinflusst, ob das leitfähige Mittel in engem Kontakt damit gleichmäßig in dem aktiven Material dispergiert werden kann, was mit dem Innenwiderstand der Batterie zusammenhängt. Durch Erhöhen der Hochgeschwindigkeitsdispergierung kann die Gleichmäßigkeit der Aufschlämmungsdispergierung verbessert werden und der Innenwiderstand der Batterie wird kleiner. Durch Zugabe eines Tensids kann die Gleichmäßigkeit der Verteilung des leitfähigen Mittels in der Elektrode verbessert werden, und die elektrochemische Polarisation kann verringert und die mittlere Entladungsspannung erhöht werden.

Beschichtung

Die Flächendichte ist einer der Schlüsselparameter des Batteriedesigns. Wenn die Batteriekapazität konstant ist, verringert eine Erhöhung der Oberflächendichte der Polschuhe unweigerlich die Gesamtlänge des Stromkollektors und der Membran, und der ohmsche Widerstand der Batterie nimmt entsprechend ab. Daher nimmt innerhalb eines bestimmten Bereichs der Innenwiderstand der Batterie mit zunehmender Flächendichte ab. Die Migration und Trennung von Lösungsmittelmolekülen während des Beschichtens und Trocknens hängt eng mit der Temperatur des Ofens zusammen, die sich direkt auf die Verteilung von Bindemittel und leitfähigem Mittel im Polschuh und dann auf die Bildung des leitfähigen Gitters im Polschuh auswirkt. Daher ist der Beschichtungs- und Trocknungsprozess Die Temperatur ist auch ein wichtiger Prozess zur Optimierung der Batterieleistung.

Wenden

Mit zunehmender Verdichtungsdichte sinkt gewissermaßen der Innenwiderstand der Batterie. Da die Verdichtungsdichte zunimmt, nimmt der Abstand zwischen den Rohstoffpartikeln ab. Je mehr Kontakt zwischen den Partikeln, desto mehr leitfähige Brücken und Kanäle und die Batterie Die Impedanz wird reduziert. Die Kontrolle der Verdichtungsdichte wird hauptsächlich durch die Walzdicke erreicht. Unterschiedliche Walzdicken haben einen größeren Einfluss auf den Innenwiderstand der Batterie. Wenn die Walzdicke groß ist, erhöht sich der Kontaktwiderstand zwischen dem Aktivmaterial und dem Stromkollektor aufgrund des Versagens des Aktivmaterials, fest zu walzen, und der Innenwiderstand der Batterie steigt. Nach dem Zyklen der Batterie werden Risse auf der positiven Elektrodenoberfläche der Batterie mit einer relativ großen Walzdicke erzeugt, was den Kontaktwiderstand zwischen dem oberflächenaktiven Material des Polstücks und dem Stromkollektor weiter erhöht.

Durchlaufzeit des Polstücks

Die unterschiedliche Lagerzeit der positiven Elektrode hat einen größeren Einfluss auf den Innenwiderstand der Batterie. Wenn die Lagerzeit kurz ist, steigt der Innenwiderstand der Batterie aufgrund der Wirkung der Kohlenstoffbeschichtung auf der Oberfläche des Lithiumeisenphosphats und des Lithiumeisenphosphats langsam an; Bei längerer Standzeit (mehr als 23h) der Batterie steigt der Innenwiderstand der Batterie durch die kombinierte Wirkung der Reaktion von Lithiumeisenphosphat mit Wasser und der Haftung des Klebers deutlich an. Daher ist es notwendig, die Durchlaufzeit von Polschuhen in der tatsächlichen Produktion streng zu kontrollieren.

Flüssigkeitseinspritzung

Die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten bestimmt den Innenwiderstand und die Geschwindigkeitscharakteristik der Batterie. Die Leitfähigkeit des Elektrolyten ist umgekehrt proportional zur Viskosität des Lösungsmittels und wird auch von der Konzentration des Lithiumsalzes und der Größe der Anionen beeinflusst. Neben der Optimierungsforschung zur Leitfähigkeit wirken sich auch das Injektionsvolumen und die Infiltrationszeit nach der Injektion direkt auf den Innenwiderstand der Batterie aus. Ein geringes Injektionsvolumen oder eine unzureichende Infiltrationszeit führen dazu, dass der Innenwiderstand des Akkus zu groß wird, wodurch die Wiedergabekapazität des Akkus beeinträchtigt wird.

Einfluss der Nutzungsbedingungen

Temperatur

Der Einfluss der Temperatur auf den Innenwiderstand ist offensichtlich. Je niedriger die Temperatur, desto langsamer ist die Ionenübertragung innerhalb der Batterie und desto größer ist der Innenwiderstand der Batterie. Die Batterieimpedanz kann in Massenimpedanz, SEI-Membranimpedanz und Ladungstransferimpedanz unterteilt werden. Die Massenimpedanz und die SEI-Membranimpedanz werden hauptsächlich durch die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten beeinflusst, und der Änderungstrend bei niedriger Temperatur stimmt mit dem Änderungstrend der Elektrolytleitfähigkeit überein. Verglichen mit dem Anstieg der Bulk-Impedanz und des SEI-Filmwiderstands bei niedrigen Temperaturen steigt die Ladungsreaktionsimpedanz mit abnehmender Temperatur deutlicher an. Unter -20 °C macht die Ladereaktionsimpedanz fast 100 % des gesamten Innenwiderstands der Batterie aus.

SOC

Wenn sich die Batterie in einem anderen SOC befindet, ist auch ihr Innenwiderstand unterschiedlich, insbesondere wirkt sich der DC-Innenwiderstand direkt auf die Leistungsleistung der Batterie aus und spiegelt dann die Batterieleistung im tatsächlichen Zustand wider: Der DC-Innenwiderstand der Lithiumbatterie variiert mit die Entladetiefe DOD der Batterie Der Innenwiderstand bleibt im 10%~80% Entladeintervall grundsätzlich unverändert. Generell steigt der Innenwiderstand bei tieferer Entladungstiefe deutlich an.

Speicher

Mit zunehmender Lagerzeit von Lithium-Ionen-Batterien altern die Batterien weiter und ihr Innenwiderstand nimmt weiter zu. Unterschiedliche Arten von Lithiumbatterien haben unterschiedliche Grade der Änderung des Innenwiderstands. Nach einer langen Lagerzeit von 9-10 Monaten ist die Erhöhungsrate des Innenwiderstands von LFP-Batterien höher als die von NCA- und NCM-Batterien. Die Anstiegsrate des Innenwiderstands hängt von der Lagerzeit, der Lagertemperatur und dem Lager-SOC . ab

Zyklus

Ob Lagerung oder Zyklen, die Temperatur hat den gleichen Einfluss auf den Innenwiderstand der Batterie. Je höher die Zyklustemperatur ist, desto größer ist die Anstiegsrate des Innenwiderstands. Unterschiedliche Zyklenintervalle haben unterschiedliche Auswirkungen auf den Innenwiderstand der Batterie. Der Innenwiderstand der Batterie steigt mit zunehmender Lade- und Entladetiefe und die Zunahme des Innenwiderstands ist proportional zur Zunahme der Lade- und Entladetiefe. Neben dem Einfluss der Lade- und Entladetiefe im Zyklus hat auch die Ladeschlussspannung einen Einfluss: Eine zu niedrige oder zu hohe Obergrenze der Ladespannung erhöht die Grenzflächenimpedanz der Elektrode und a Passivierungsfilm kann bei einer zu niedrigen oberen Grenzspannung nicht gut gebildet werden, und eine zu hohe obere Spannungsgrenze führt dazu, dass der Elektrolyt oxidiert und sich auf der Oberfläche der LiFePO4-Elektrode zersetzt, um Produkte mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit zu bilden.

andere

Bei fahrzeugmontierten Lithiumbatterien werden in der Praxis unweigerlich schlechte Straßenbedingungen auftreten, aber Studien haben ergeben, dass die Vibrationsumgebung der Lithiumbatterie während des Anwendungsprozesses fast keinen Einfluss auf den Innenwiderstand der Lithiumbatterie hat.

Outlook

Der Innenwiderstand ist ein wichtiger Parameter, um die Lithium-Ionen-Leistung zu messen und die Batterielebensdauer zu bewerten. Je größer der Innenwiderstand, desto schlechter die Leistungsfähigkeit der Batterie und desto schneller steigt sie bei Lagerung und Recycling. Der Innenwiderstand hängt mit der Batteriestruktur, den Batteriematerialeigenschaften und dem Herstellungsprozess zusammen und ändert sich mit Änderungen der Umgebungstemperatur und des Ladezustands. Daher ist die Entwicklung von Batterien mit niedrigem Innenwiderstand der Schlüssel zur Verbesserung der Batterieleistung, und gleichzeitig hat die Beherrschung der sich ändernden Gesetze des Batterieinnenwiderstands eine sehr wichtige praktische Bedeutung für die Vorhersage der Batterielebensdauer.