限制锂电池的充放电倍率性能的原因有哪些?

我们都知道，锂电池随着充放电次数的增加，容量会越来越少，直接表现就是锂电池的性能越来越差。

哪些因素会限制锂电池的充放电倍率性能?

锂电池的充放电倍率性能，与锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的迁移能力直接相关，一切影响锂离子迁移速度的因素(这些影响因子也可等效为电池的内阻)，都会影响锂离子电池的充放电倍率性能。此外，电池内部的散热速率，也是影响倍率性能的一个重要因素，如果散热速率慢，大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去，会严重影响锂电池的安全性和寿命。因此，研究和改善锂电池的充放电倍率性能，主要从提高锂离子迁移速度和电池内部的散热速率两个方面着手。

1.锂电池的内阻

一般在正极活性物质内部会添加导电剂，从而降低活性物质之间、活性物质与正极基体/集流体的接触电阻，改善正极材料的电导率(离子和电子电导率)，提升倍率性能。不同材料不同形状的导电剂，都会对锂电池的内阻产生影响，进而影响其倍率性能。

正负极的集流体(极耳)是锂离子电池与外界进行电能传递的载体，集流体的电阻值对电池的倍率性能也有很大的影响。因此，通过改变集流体的材质、尺寸大小、引出方式、连接工艺等，都可以改善锂电池的倍率性能和循环寿命。

此外，隔离膜的吸液率和孔隙率也对锂离子的通过性有较大的影响，也会一定程度上影响锂电池的倍率性能(相对较小)。

锂电池电解质与正负极材料的浸润程度，会影响电解质与电极界面处的接触电阻，从而影响电池的倍率性能。电解质的总量、粘度、杂质含量、正负极材料的孔隙等，都会改变电解质与电极的接触阻抗，是改善倍率性能的重要研究方向。

2.电解质的离子电导率

电解质的离子电导率如同水的阻力一样，对锂离子游泳的速度有非常大的影响。目前锂离子电池所采用的有机电解质，不管是液体电解质，还是固体电解质，其离子电导率都不是很高。电解质的电阻成为整个电池电阻的重要组成部分，对锂电池高倍率性能的影响不容忽视。

除了提高电解质的离子电导率之外，还需要着重关注电解质的化学稳定性和热稳定性。在大倍率充放电时，电池的电化学窗口变化范围非常宽，如果电解质的化学稳定性不好，容易在正极材料表面氧化分解，影响电解质的离子电导率。

3.正、负极的锂电池扩散能力

锂电池在正/负极活性物质内部的脱嵌和嵌入的速率，也就是锂离子从正/负极活性物质里面跑出来的速度，或者从正/负极表面进入活性物质内部找个位置“安家”的速度到底有多快，这是影响充放电倍率的一个重要因素。

影响锂电池高倍率充放电性能的因素：

容量，容量保持能力差是锂电池负极在高倍率充放过程中的最大问题，这主要与电极材料的结构、颗粒大小、电极导电性和电极表面SEI膜的稳定性等因素有关。

材料尺寸，锂电池负极材料的尺寸直接关系着锂离子在其中扩散路径的长短，对电极高倍率性能产生很大的影响。

电极表面电阻，锂离子在嵌入负极的过程中，首先要扩散到固体电解质相界面膜(SEI膜)与负极材料的界面处，因此电极表面电阻相当于锂离子扩散过程中的一道门槛，影响着锂离子的嵌入和脱出，尤其在高倍率充放电时更加明显。

过放电对电池性能有何影响?

锂电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后，继续放电就会造成过放电，通常根据放电电流来确定放电截止电压。0.2C-2C放电一般设定1.0V/支,3C以上如5C或10C放电设定为0.8V/支,电池过放可能会给电池带来灾难性的后果,特别是大电流过放，或反复过放对电池影响更大。

一般而言，过放电会使锂电池内压升高，正负极活性物质可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减。

电压

单体电压主要的取决于单体正负极材料的类型，一般的钴酸锂、三元正极配合石墨负极可以获得4.2V左右的满充电压，而磷酸铁锂最高只能达到3.6V。这里的电压，准确的说应该是电势取决于材料属性，电势数值上等于静置足够长时间以后的电池开路电压。而闭合回路中的单体端电压，是我们用外部仪器检测到的电压值，其数值等于电池电势减去电池内阻占压。而电池内阻并非恒定不变，会受到多种因素的影响而发生变化。

继续说电压，单体电压除了由材料决定以外，会跟随荷电量的变化而变化，并且是一一对应的关系，因此，在很多情形下，无法直接简单测量的电池荷电量（SOC）经常被用电池开路电压进行推测。

单体电压与电池内部活性物质的活跃程度有关，因此影响活跃度的温度，也能在小范围内影响到单体电压的高低。

单体电压越高，同样容量的电池含有的能量就越多，因此，在确保安全前提下，提高单体电压上限值，是提高系统能量密度的一条技术路线。

内阻

锂电池内部，锂离子从一极运动到另一极，过程中阻碍离子运动的因素共同的组成了锂电池的内阻。其主要的部分包括导电件的物理内阻；电机材料、隔膜和电解质等电化学物质固有的阻抗；电池内部通过存在电流时临时增加的对锂离子运动产生的阻碍；这三部分共同构成了内阻的主体。

内阻对温度最为敏感，不同温度下，内阻值可以发生很大变化。低温下电池性能下降，其重要的原因之一就是低温下电池内阻过大造成的。

锂电池作为一个电源，从外部看，内阻肯定是越小越好。尤其在功率应用情形下，小内阻是必要的条件。

容量

锂电池容量，可度量的容量，是在电池合理的最高最低电压范围内，可以充入和放出的最大电量。在搭载到车辆上之前，单体的容量可以用充放电的方式去测量。一旦上车以后，电池容量只能依靠算法估计。在电池管理系统BMS中，准确估计电池荷电状态SOC是其设计水平的重要指征。当前为人们熟知的做法是对于动态工作情形下，对回路电流安时积分，在非工作状态，用电池开路电压校核电池电量。其他的方法虽然种类繁多，但不是稳定性不佳就是计算量过大，真正被应用于批量的并不多见。

单体的容量明显的受到老化程度的影响，大家都知道，容量衰减到一个极限值就是电池淘汰的时候，可见二者具有绝对的相关性。其次，容量还收到温度的影响，低温下，活性物质活性下降，能够提供的离子变少，容量必然跟着下降。

功率

这里的功率，准确的说应该是比功率，是一只单体的充放电功率能力或者说单位质量或者单位体积电芯的充放电功率能力。锂电池是否能进行大功率充放电，这在它被设计完成的时候就已经决定了。同样是磷酸铁锂材质或者三元材质，采用工艺手段、改变电极厚度或者加入添加剂、调整活性物质结构，电解质性质，电极SEI膜性质，都可以起到调整电池功率性能的目的。一般的，功率性能与能量密度往往无法共存，同一种材料，追求高功率，则会部分的牺牲掉能量密度。

电芯一旦被生产出来，其合理的最大充放电电流就已经确定了，除了调整电池散热条件，能够小范围改变其最大充放功率以外，几乎没有进一步调整的空间。

除了比功率，还有几个折合到单位质量或者体积上，更能看出电池水平的参数。

比容量、比能量

体积比容量就是容量除以电池体积，质量比容量就是容量除以质量。从这里延伸开去，把电池成本折合到单位容量上，也就是从电池充放电能力角度谈论价格：电池单体容量性价比计算方式为价格比容量，即单位价钱的电池所能放出的电量。不过，一般这种方式比较少用。

类似的，电池单体质量比能量为能量除以质量，即单位质量的电池能放出的能量；体积比能量，即单位体积的电池或活性物质所能放出的能量；从单位能量价格定义电池价格，是行业里比较通用的方式，谈论电池价格，就是1kWh多少钱。

锂离子电池模块

电池模块由若干电池单体串并联组合形成，是组成电池组的元素。电池模块在实际运行中很少作为一个主体被单独评价，偶尔一些系统中，会检测其电压值。

实际上，人们往往把模块看成一块大电池。不同的是，模块存在单体一致性问题，其内部电芯电压差是均衡功能考察的重点。电池模块的性能往往受制于组成电池模块中性能最低电池单体，并主要体现在容量这个指标上。充电的时候，电压高的单体最先充满；放电的时候，电压低的电芯最先放完。而很可能这两个电芯并非同一颗。因此，模块内部电芯参数的一致性就对模块性能产生了决定性的影响。一致性，是模块级别比单体多出来的需要考量的一个参数。这个参数在模块成组之初，会通过各种手段对电芯进行筛选来保证；模块生产完毕，一致性则是其验收的重要指标；在运行过程中，则只能依靠BMS的均衡功能来保证。

锂离子电池系统

电池组一般由模块串联组成。电池组除了继承模块的全部参数以外，其总电压决定了电动汽车动力系统的电压平台，是非常重要的参数。

电池组整体上还有几个涉及到安全的指标会被持续监测。电池包输出正负极对地电阻，系统漏电流，高压互锁信号，系统最高最低温度，系统最大温差，系统最大温升速率，系统最高最低单体电压等等。

在电池箱本体之中，要求能够在各种规定的工况下均能可靠地固定电芯的各个零部件；电池箱体绝缘垫中，要求有效可靠的起到绝缘的作用；箱体密封垫则起到了防护等级的要求。其次，在热管理系统之中，要求在低温环境下可以对电芯进行加热，在高温环境下对电芯进行冷却，在动力电池系统工作时保证电芯的温度一致性；零件固定支架则要求在各种规定的工况才均能安全可靠地固定电芯等各个零部件；最后零部件固定螺栓则保证在固定着的零部件不会有松动断裂或腐蚀的现象。

要高能量密度？还是安全性？是困扰产业链上的一个大难题，在新能源汽车补贴临近完全退坡的关口，如何兼顾两者成为业界讨论的话题，国家工信部副部长辛国斌曾表示，能够产业化的电动车用动力电池的性能提高，不仅仅是正、负极材料性能上需要有大幅度改进，同时在许多方面都需要有比较大的突破，才有可能实现动力电池真正意义上的提高。这样看来，技术的创新发展才是未来应对一切难关的基本前提。

以上都是从电性能来说的，作为一个结构整体，电池包还有很多参数需要持续关注，还有环境耐受性能，滥用耐受性能，此处不一一列举。