及不同的电池设计对电池内阻的影响
摘要： 本文阐述了锂离子电池交流内阻和直流内阻相关的一些因素，分析探讨了其与倍率放电电压平台的关系以及不同的电池设计对电池内阻的影响，提出现实可行的减小锂离子电池内阻的建议。用基本理论和实际生产、测试中得到的数据进行分析比较，以求能最真实准确地对锂电的生产提供帮助。 关键词：锂离子电池，电池内阻，直流内阻，交流内阻，不同倍率放电，极耳，大电流放电循环
21世纪，人类社会面临的是能源危机和环境污染的双重挑战：作为主要能源的石油在急剧减少，据统计全球的石油储量可供人类使用仅剩40年，而石油的消耗量却在快速增长，伴随而来的就是日益严重的环境污染。为此世界各国组织和机构都在不断地寻求更加环保的绿能源。随着科学技术的不断发展，以锂离子电池、燃料电池等为代表的新型绿能源在全球范围内掀起了一股技术热潮。而锂离子电池因其具有比能量高、工作电压高、体积小、重量轻、无毒、无污染等优点，在笔记本、移动电话等便携式电子设备上得到广泛的应用。随着技术的更新和发展，市场对锂离子电池提出更高的要求，尤其是在动力电池上，由于其对高功率输出及大电流放电有更高的要求，我们必须不断改进锂离子电池的设计以满足动力电池市场的需求。
锂离子电池的整个生产过程是一个综合复杂的过程，不是靠几个配方就可以解决的。同时对其产品的最后检测，会有不同的指标，其中电池的内阻就是一个很重要的参数。
1.关于锂离子电池的交流内阻和直流内阻
电池内阻分为直流内阻和交流内阻。由于电池其本身的特性，不能直接测出其实际的直流内阻，而我们平时中所说的内阻则为交流内阻。那么什么是直流内阻，什么又是交流内阻呢？首先来看下图1：
图1 电池等效电路元件模型
这是一个描述界面现象的Randles 和Ershler 电池等效电路模型。它是由双电层C d ，电解质溶液电阻Rs ，电子传递Rp 及离子从本体溶液向电极表面扩散引起的Warburg 阻抗Z (W )组成。根据欧姆定律，界面阻抗可由两部分组成，即实数部分Z ′和虚数部分Z ′′。
铝合金拉丝p
Z(W)=R s+R p/(1+W2 R p2C
d 2)-j W R
pvb边角料p
2 C
d
/(1+ W 2 R p2 C
d
以车代磨2)= Z′+j Z′′
……………………………………………………………公式1在不同的W下，可测试其电流响应的交流阻抗谱称为Nyquist图。
通常情况下，我们一般所测的电池内阻（即交流内阻）是用1kHz的正弦交流电压信号加载到电池上测量其阻抗Z(W)大小。但这种方法和实际电池在直流放电的过程完全不一样。在实际的放电过程中，首先是锂失去一个电子，变成可移动的锂正离子，通过电解液穿过隔膜再运动到正极的晶格中。相应地
在外电路上，电子从负极跑到正极，使正极能够接纳锂离子。这些在直流放电过程中总的阻抗，称为直流内阻。
在整个的电池放电过程中，电池内阻的大小是由整体的每一个环节决定的。负极材料的整体结构和组分决定了锂失去电子的速度。如果锂放出电子后，不能够很快地离开负极到电解液中，就会产生较大的锂离子的浓度差，增加锂离子回到正极的电极电位，从而导致电池内压增加，最终使得外部的放电平台降低。同样的，如果锂离子从负极离开后在电解液中运动，穿过隔膜到达正极的阻力较大，也会使得外部的放电平台降低。再进一步，锂离子回到正极的晶格时，如果阻力较大，也会导致电池内压增加，外部的放电平台降低。最后就是电子的传递过程，如果正负极耳及其各连接部分的电阻较大，也会使外电路电压降低，从而影响放电平台。在这些过程中还包含了很多界面间的传导过程，我们这里不做详细描述。
综上所述的几个主要原因，如果电池大电流放电的平台低，就意味着其内部有较大的内压降，即内阻较大。我们这里所说的内阻是直流内阻，而不是交流内阻。那么交流内阻的大小对我们的锂电池有什么关系呢？通过下面一些实例来做具体的探讨。
2.电池内阻与倍率放电电压平台的关系插板闸门
针对电池内阻与倍率放电电压平台的关系这一问题，我们就以本公司的产品做一个实际说明，锰克（
MNKE）18650型两种系列电池：A019系列标称容量1500mAh，A063系列标称容量1400mAh，两种系列电池的电池材料完全一样，其中的A019系列被设计用来进行10A的连续放电，而A063系列则是被设计用来进行15A大电流连续放电的电池。为了测量电池大电流放电性能，一般采用倍率放电的方法。
ID 测试前交流内阻(mΩ)
A019-107 18.1
A063-109 20.2
表1 A019-107和A063-109测试前内阻
从交流内阻来看，按照一般人的观点，A019的比A063的小，也就是说A019应该比A063可以有更大的放电能力，即A019的电池将有更好的大电流放电特性，但真的是这样吗？我们来看下A019和A063系列电池在25A 和30A大电流放电下的倍率图（见图2和图3）：彩钢板屋顶
图2A019和A063在25A大电流放电时的比较
图3 A019和A063在30A大电流放电时的比较
从数据和图中我们可以看出，A019并不像我们想的那样交流内阻越小大电流放电能力强，相反地A019在25A 和30A大电流放电时电压平台明显比A063系列的低，并且放电电流越大，其电压差越明显。那么是什么决定了电池的放电平台的高低呢？
以A019和A063为例，按照欧姆定律:
r内+ IR，
ξ=V内+V外=I
即r内=I外V-ξ
Θξ=4.2V(锰系电池电压) , V 外为不同倍率图中的电压平台，
r 内为直流内阻 即电压平台V 外越高，直流内阻r 内越小，
∴ r 内A063（交流内阻20.1 m Ω）< r 内 A019（交流内阻18.1 m Ω）
从上述的公式推导中我们可以得出直流内阻的大小决定了电池放电平台的高低，与交流内阻没有直接关系，但由于直流内阻在不同的放电电流下是变量，不能直接测出。因此很多人都用测交流内阻的方法代替测试电池的内阻，将交流内阻与直流内阻的概念混淆，造成误解。通过以上的数据和公式，我们可以初步做出以下结论：交流内阻的大小不能充分决定放电平台的高低，而是直流内阻的大小决定了电池的放电平台的高低，即是否具有高功率放电的能力。
3.不同的电池设计对电池内阻的影响
针对于前面所分析的电池内阻同倍率放电电压平台的关系和内阻对于电池性能的影响，我们来探讨一下不同的电池设计对于电池内阻的影响。将从以下三个方面进行分析说明：
3.1正极材料的选用
我们选用了锰克（MNKE ）将锰系材料作为正极材料和国际某品牌的磷酸铁锂为正极材料的两种电池进行比较，在测试前： ID
测试前交流内阻(m Ω) 锰系电池
20.2 磷酸铁锂的电池 18.2
表2 锰克（MNKE ）锰系电池和磷酸铁锂的电池测试前内阻
图4 国内某品牌的磷酸铁锂为正极材料的电池的不同倍率图
图5 锰克（MNKE）锰系材料为正极材料的电池的不同倍率图
三极管自锁电路
从数据和上面两张的不同倍率图（图4和图5）对比中，可以很明显得看出，虽然磷酸铁锂的电池内阻很小，但其倍率放电却只能放到10A，并且它的容量降得很多，电压输出很低，输出的功率也很小。
3.2正极耳的个数（多极耳）
多极耳是一种能够降低外部电子转移电阻的方法，但它设计存在一定的弊端。现以国内某大品牌的双极耳电池
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