不同充电模式对锂离子电池极化特性影响

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网四川省电力公司电力科学研究院、国网重庆市电力公司电力科学研究院的研究人员杨帆、乔艳龙、甘德刚、王谦、陈伟，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文指出，锂离子电池大电流快速充电成为近年来的发展趋势，但大电流充电很容易在电池内部引起严重极化，影响电池的性能与寿命。

本文研究不同充电模式对锂离子电池极化特性的影响规律，首先，建立基于LiMn2O4/石墨电池的电化学-热耦合瞬态计算模型，充分考虑充电过程中电池内部的电化学过程和内热源实时变化，通过变电流充电时电池端电压变化和电解液浓度的空间分布规律，研究电池内三种极化的时变特性。

然后，研究不同恒流充电倍率下电池端电压和极化电压随SOC的变化规律，提出表征电池极化程度和极化电压对电池充电过程影响的变量PA与SOCc，定量分析不同充电条件下极化电压对锂离子电池充电过程的影响。最后，研究Reflex快速充电条件下极化电压的变化规律，分析不同正向充电时间tch对电池极化及充电过程的影响，并给出了建议tch值。

结果表明，极化电压受充电电流和SOC的直接影响，而其变化又直接影响电池端电压的变化，Reflex快充方法能有效抑制电池极化，减弱其对充电的影响。

锂离子电池具有循环寿命长、比能量大、体积小、自放电率小等优点，已经广泛应用于消费电子、电动汽车等领域[1-3]。但是传统的充电方法充电速度慢、充电时间长[4]，使得锂离子电池在许多领域的应用受到限制，特别是电动汽车等需要快速充电的领域。

受目前技术条件的限制，快速充电主要靠增大充电电流实现。但是大电流快速充电会引发电池内部严重的极化现象。电池极化会抬高电池端电压，造成电池充不满电，延长充电时间，严重极化还会引起电池严重发热和负极表面锂结晶等，影响电池安全和使用寿命[5,6]。

电池工作时，内部平衡状态被打破，端电压偏离其平衡电动势的现象称为电池极化[7]。电池极化是由电化学反应物质在电解液和正负电极中传输过程受阻引起的[8]。根据产生原因，极化可分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化三种。欧姆极化受电池内部直流内阻和电流的直接影响；电化学极化和浓差极化则受电池内部电荷和离子传输的影响，变化相对缓慢。

电池极化不可避免，国内外学者做了很多相关的研究。文献[9-11]根据电池的阻抗特性和极化特性建立了基于电路的等效模型，研究了极化电压对电池端电压的影响。A. Nyman等[12]从电化学的角度分析了极化电压的产生原理，依靠扩散方程建立了固-液之间和溶液内部离子运动方程，准确计算出电池充放电过程中离子流的大小，得到了电池极化电压的变化趋势。

北京理工大学王震坡等[13]以优化锂离子电池的充放电控制策略为目标，通过实验研究了荷电状态（State of Charge,SOC）电池荷电量与其额定容量之比）、充放电倍率、充放电方式和环境温度等因素对极化电压的影响规律。

北京交通大学姜久春等[14]提出了基于极化电压时间常数的优化充电方法，有效地平衡了充电速度、极化电压和温升之间的关系。基于此优化充电方法，可在33min内将电池SOC由0.2充到0.8。

中南大学汤依伟等[15]通过一维电化学模型开展了锂离子电池放电过程扩散极化的仿真研究，结果显示，减小活性物质颗粒大小和电极厚度可大大减小扩散极化。

本文首先建立基于LiMn2O4/石墨的锂离子电池电化学-热耦合瞬态数值仿真计算模型，研究了变电流充电、恒流充电和Reflex快速充电三种充电模式下锂离子电池的极化特性。根据充电过程中电池极化电压和端电压变化规律，提出了表征电池极化和极化对电池充电过程影响的变量PA和SOCc，定量分析了不同充电条件下电池的极化电压水平及其对充电过程的影响。

图1  固体传热模型二维结构

结论

通过电化学-热耦合模型分析了锂离子电池在不同充电模式下的极化特性及其对充电过程的影响。主要结论如下：

1）电池极化可以从电池的充电曲线和内部电解液浓度的变化上体现出来。欧姆极化为瞬时变化，而电化学极化和浓差极化为缓慢变化。

2）极化电压受SOC和充电电流密度的直接影响，随电流密度的增大而增大，并在整个恒流充电过程中随SOC呈弓形变化。

3）恒流充电的平均极化电压PA越大，电池产热越多，极化对电池充电过程的影响越大，充电到截止电压时充入的电量越少。

4）Reflex快充能有效抑制电池极化，提高电池的可利用容量，且温升也能得到较好抑制。为了达到较好的去极化效果，正向充电时间tch不宜超过电化学极化的建立时间。