锂电池参数的不一致主要是指哪些？如何应对不一致性？
来源：宝鄂实业
2019-05-05 14:03
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1.为什么锂电池多数都是小个子
我们看到的锂电池，圆柱电池，软包电池、方形电池，一般都长相清秀，完全找不到传统铅酸电池那样的大块头，这是为什么?
能量密度高，锂电池往往不敢设计成大容量。铅酸电池的能量密度在40Wh/kg左右，而锂电池，已经超过150Wh/kg。能量集中度提高，对安全性的要求水涨船高。
首先，单只能量过高的锂电池，遇到意外，引发热失控，电池内部急剧反应，短时间内，过多的能量无处释放，是非常危险的。尤其在安全技术，管控能力发展还不够充分的时候，每只电池的容量都应该克制。
其次，被锂电池壳体包裹起来的能量，一旦出现意外，消防员、灭火剂无法触及、无能为力，只能在发生事故时隔离现场，任事故电池自行反应，能量燃尽为止。
当然，出于安全考虑，当前的锂电池已经设计了多重安全手段。拿圆柱电池为例。
安全阀，当电池内部反应超出正常范围，温度上升，并且伴随生成副反应气体，压力达到设计值，安全阀自动开启，泄掉压力。安全阀打开的一刻，电池完全失效。
热敏电阻，有的电芯配置热敏电阻，一旦出现过流，电阻在达到某一个温度以后，阻值陡增，所在回路电流下降，阻止温度的进一步升高。
熔断器，电芯配备具有过流熔断功能的熔丝，一旦出现过流风险，电路断开，避免恶性事故的发生。
2.锂电池一致性问题
锂电池不能做成一大只，只好把众多小电芯组织起来，大家劲往一处使，精诚合作，也能带着电动汽车飞起。这时候，就需要面对一个问题，一致性。
我们日常的经验是，两节干电池，正负极连接起来，手电筒就能发光，有谁管它一致不一致的事情。而锂电池的大规模应用，情形却并非如此简单。
锂电池参数的不一致主要是指容量、内阻、开路电压的不一致。不一致的电芯串并在一起使用，会出现如下问题。
?容量损失，电芯单体组成电池组，容量符合"木桶原理"，最差的那颗电芯的容量决定整个电池组的能力。
为了防止电池过充过放，电池管理系统的逻辑如此设置：放电时，当最低的单体电压达到放电截止电压时，整个电池组停止放电;充电时，当最高单体电压触及充电截止电压时，停止充电。
拿两只电池串联举例。一只电池容量1C，另外一只容量只有0.9C。串联关系，两只电池通过同样大小的电流。
充电时，容量小的电池必然先充满，达到充电截止条件，系统不再继续充电。放电时，容量小的电池也必然先放光全部可用能量，系统即刻停止放电。
这样，容量小的电芯始终在满充满放，容量大的电芯却一直使用部分容量。整个电池组的容量总有一部分处于闲置状态
?寿命损失，类似的电池组的寿命，由寿命最短的那颗电芯决定。很大可能性，寿命最短的电芯，就是那颗容量小的电芯。小容量电芯，每次都是满充满放，出力过猛，很大可能最先到达寿命的重点。一直电芯寿命终结，一组焊接在一起的电芯，也就跟着寿终正寝。
?内阻增大，不同的内阻，流过相同的电流，内阻大的电芯发热量相对比较多。电池温度过高，造成劣化速度加快，内阻又会进一步升高。内阻和温升，形成一对负反馈，使高内阻电芯加速劣化。
上面三个参数，并不完全独立，老化程度深的电芯内阻比较大，容量衰减也更多。分开说明，只是想表述清楚它们各自的影响方向。
3.如何应对不一致性
电芯性能的不一致，都是在生产过程中形成，在使用过程中加深。同一个电池组内的电芯，弱者恒弱，且加速变弱。单体电芯之间参数的离散程度，随着老化程度的加深而加大。
当前，工程师应对单体电芯不一致，主要从三个方面考虑。单体电池分选，成组后热管理，出现少量不一致时电池管理系统提供均衡功能。
1
分选
不同批次的电芯，理论上不放在一起使用。即使相同批次的电芯，也需要经过筛选，把参数相对集中的电芯放在一个电池组里，同一个电池包里。
分选的目的，是把参数相近的电芯挑选出来。分选方法，被研究了很多年，主要分静态分选和动态分选两大类。
静态分选，针对电芯的开路电压，内阻，容量等特性参数进行筛选，选取目标参数，引入统计算法，设定筛选标准，最后将同一批次的电芯区分成若干组。
动态筛选，是针对电芯在充放电过程中表现出来的特性进行筛选，有的选择恒流恒压充电过程，有的选取脉冲冲击充放电过程，有的对比自身的充电和放电曲线之间的关系。
动静结合分选，用静态筛选做初步分组，在此基础上进行动态筛选，这样划分出来的组别更多，筛选准确性更高，但成本也会相应上升。
这里就小小体现了一把动力锂电池生产规模的重要性。大规模出货，使得厂家可以进行更精细的分选，得到性能更接近的电池组。如果产量太小，分组过多，一个批次都无法装备一个电池包，再好的方法也无法施展了。
2
热管理
针对内阻不一致电芯，产生热量不相同问题。热管理系统的加入，可以调节整个电池组的温差，使之保持在一个较小的范围里。生成热量较多的电芯，依然温升偏高，但不会与其他电芯拉开差距，劣化水平就不会出现明显的差距。
3
均衡
电芯单体的不一致，某些电芯端电压，总是超前于其他电芯，最先到达控制阈值，导致整个系统容量变小。为了解决这个问题，电池管理系统BMS设计了均衡功能。
某一颗电芯率先到达充电截止电压，而其余众电芯电压明显滞后，BMS起动充电均衡功能，或者接入电阻，放掉高电压电芯的部分电量，或者把能量转移走，放到低电压电芯上去。这样，充电截止条件被解除，充电过程重新开始，电池包充入更多电量。
直到现在，电芯的不一致性，仍然是行业内研究的重要领域。电芯能量密度再高，遇到不一致性来搅局，电池包能力也会大打折扣。
我们看到的锂电池，圆柱电池，软包电池、方形电池，一般都长相清秀，完全找不到传统铅酸电池那样的大块头，这是为什么?
能量密度高，锂电池往往不敢设计成大容量。铅酸电池的能量密度在40Wh/kg左右，而锂电池，已经超过150Wh/kg。能量集中度提高，对安全性的要求水涨船高。
首先，单只能量过高的锂电池，遇到意外，引发热失控，电池内部急剧反应，短时间内，过多的能量无处释放，是非常危险的。尤其在安全技术，管控能力发展还不够充分的时候，每只电池的容量都应该克制。
其次，被锂电池壳体包裹起来的能量，一旦出现意外，消防员、灭火剂无法触及、无能为力，只能在发生事故时隔离现场，任事故电池自行反应，能量燃尽为止。
当然，出于安全考虑，当前的锂电池已经设计了多重安全手段。拿圆柱电池为例。
安全阀，当电池内部反应超出正常范围，温度上升，并且伴随生成副反应气体，压力达到设计值，安全阀自动开启，泄掉压力。安全阀打开的一刻，电池完全失效。
热敏电阻，有的电芯配置热敏电阻，一旦出现过流，电阻在达到某一个温度以后，阻值陡增，所在回路电流下降，阻止温度的进一步升高。
熔断器，电芯配备具有过流熔断功能的熔丝，一旦出现过流风险，电路断开，避免恶性事故的发生。
2.锂电池一致性问题
锂电池不能做成一大只，只好把众多小电芯组织起来，大家劲往一处使，精诚合作，也能带着电动汽车飞起。这时候，就需要面对一个问题，一致性。
我们日常的经验是，两节干电池，正负极连接起来，手电筒就能发光，有谁管它一致不一致的事情。而锂电池的大规模应用，情形却并非如此简单。
锂电池参数的不一致主要是指容量、内阻、开路电压的不一致。不一致的电芯串并在一起使用，会出现如下问题。
?容量损失，电芯单体组成电池组，容量符合"木桶原理"，最差的那颗电芯的容量决定整个电池组的能力。
为了防止电池过充过放，电池管理系统的逻辑如此设置：放电时，当最低的单体电压达到放电截止电压时，整个电池组停止放电;充电时，当最高单体电压触及充电截止电压时，停止充电。
拿两只电池串联举例。一只电池容量1C，另外一只容量只有0.9C。串联关系，两只电池通过同样大小的电流。
充电时，容量小的电池必然先充满，达到充电截止条件，系统不再继续充电。放电时，容量小的电池也必然先放光全部可用能量，系统即刻停止放电。
这样，容量小的电芯始终在满充满放，容量大的电芯却一直使用部分容量。整个电池组的容量总有一部分处于闲置状态
?寿命损失，类似的电池组的寿命，由寿命最短的那颗电芯决定。很大可能性，寿命最短的电芯，就是那颗容量小的电芯。小容量电芯，每次都是满充满放，出力过猛，很大可能最先到达寿命的重点。一直电芯寿命终结，一组焊接在一起的电芯，也就跟着寿终正寝。
?内阻增大，不同的内阻，流过相同的电流，内阻大的电芯发热量相对比较多。电池温度过高，造成劣化速度加快，内阻又会进一步升高。内阻和温升，形成一对负反馈，使高内阻电芯加速劣化。
上面三个参数，并不完全独立，老化程度深的电芯内阻比较大，容量衰减也更多。分开说明，只是想表述清楚它们各自的影响方向。
3.如何应对不一致性
电芯性能的不一致，都是在生产过程中形成，在使用过程中加深。同一个电池组内的电芯，弱者恒弱，且加速变弱。单体电芯之间参数的离散程度，随着老化程度的加深而加大。
当前，工程师应对单体电芯不一致，主要从三个方面考虑。单体电池分选，成组后热管理，出现少量不一致时电池管理系统提供均衡功能。
1
分选
不同批次的电芯，理论上不放在一起使用。即使相同批次的电芯，也需要经过筛选，把参数相对集中的电芯放在一个电池组里，同一个电池包里。
分选的目的，是把参数相近的电芯挑选出来。分选方法，被研究了很多年，主要分静态分选和动态分选两大类。
静态分选，针对电芯的开路电压，内阻，容量等特性参数进行筛选，选取目标参数，引入统计算法，设定筛选标准，最后将同一批次的电芯区分成若干组。
动态筛选，是针对电芯在充放电过程中表现出来的特性进行筛选，有的选择恒流恒压充电过程，有的选取脉冲冲击充放电过程，有的对比自身的充电和放电曲线之间的关系。
动静结合分选，用静态筛选做初步分组，在此基础上进行动态筛选，这样划分出来的组别更多，筛选准确性更高，但成本也会相应上升。
这里就小小体现了一把动力锂电池生产规模的重要性。大规模出货，使得厂家可以进行更精细的分选，得到性能更接近的电池组。如果产量太小，分组过多，一个批次都无法装备一个电池包，再好的方法也无法施展了。
2
热管理
针对内阻不一致电芯，产生热量不相同问题。热管理系统的加入，可以调节整个电池组的温差，使之保持在一个较小的范围里。生成热量较多的电芯，依然温升偏高，但不会与其他电芯拉开差距，劣化水平就不会出现明显的差距。
3
均衡
电芯单体的不一致，某些电芯端电压，总是超前于其他电芯，最先到达控制阈值，导致整个系统容量变小。为了解决这个问题，电池管理系统BMS设计了均衡功能。
某一颗电芯率先到达充电截止电压，而其余众电芯电压明显滞后，BMS起动充电均衡功能，或者接入电阻，放掉高电压电芯的部分电量，或者把能量转移走，放到低电压电芯上去。这样，充电截止条件被解除，充电过程重新开始，电池包充入更多电量。
直到现在，电芯的不一致性，仍然是行业内研究的重要领域。电芯能量密度再高，遇到不一致性来搅局，电池包能力也会大打折扣。
近年来，随着人们对于大容量及高性能电化学储能器件的深入研究，特别对于电池中电荷储存机理的探讨，人们通过对电极材料纳米化及杂化设计调控其尺寸、晶体结构、结晶性、导电性等，发现电池在充放电过程中有赝电容的电化学行为存在。赝电容从表面意思上看是指“看起来很像电容，但并不是电容”的存在。但目前对于赝电容含义的见解和看法主流学界众说纷纭，还没有统一的认识。B.E.Conway最早在其著作《电化学超级电容器：科学原理和技术》里提出了“赝电容”一词，B.E.Conway将其定义为“赝电容是一种发生于电极材料表面的法拉第（faradaic）过程”。与传统的电容或者双电层电容相比虽然都通过电极表面进行电荷储存，但是赝电容行为是一种基于离子吸/脱附的法拉第（faradaic）过程，这成为了赝电容与其他电容最明显的区别。
然而，对电池电极材料电荷储存机理研究的深入，一些学者发现同一种材料可能显示赝电容或电池的行为，这取决于对电极材料设计和载流子类型。如图1所示传统的锂离子正极材料LiCoO2在体相大粒径时充放电曲线表现的是传统的电容行为，LiCoO2随着其颗粒粒径减小在充放电曲线中表现出典型的“法拉第过程”即赝电容行为。因此，以纳米化的LiCoO2为代表的这一类电极材料算不算赝电容材料引起了很大的争议。
