李敏

摘要：近年来随着电动汽车的大力发展，动力电池的研究也被各国重视，对电池荷电状态的估算是动力电池研究的的重点和难点，动力锂离子电池兼备了工作温度范围广，寿命长，能量密度高等优势得到广泛的应用。就锂离子电池的特点、工作原理，锂动力电池的电压、电阻容量特性进行分析，对电池荷电状态（State of Charge，SOC）估计有着必要的作用。

关键词：电动汽车;动力;锂离子

1锂离子电池

锂电池的定义为内部含有锂的电池，即内部具有金属锂或者含有锂合金、锂离子、锂聚合物的电池。所以锂电池也可被分为两类，一类是锂金属电池，另一类是锂离子电池[1]。是一种在充放电过程中，正极中的Li+在正负极材料中嵌入和脱逸的过程中实现充放电的高能电池。但是从热稳定性方面、安全性能、价格上等因素考虑，锂离子电池的深度发展受到了一定的制约。把锂离子作为正极材料的可选性又得到了进一步的研发和推进，锂离子电池同时也得到了深入的研究和推进。其中锂离子电池包括了正极、负极、隔膜和电解液等[2]。锂离子电池的性能的决定因于其正负极材料，且锂离子电池的安全性、成本的高低也受制材料，电池的正极起到核心的决定作用[3]。

目前，采用的钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂、三元材料和磷酸铁锂（LiFeO4，简称LFP）是现在市面上经常用到的锂离子动力电池的正极材料。组成电池正极材料的这些金属元素中，（Co）目前的存储量相对比较少，从成本上说钴（Co）在这几种正及材料中是最贵的，而镍（Ni）、锰（Mn）材料相对而言价格低一些，综合比较下来价格上最优惠的是铁（Fe）。与此同时新能源动力电池正极材料的价格与这些金属的价格是成正相关的。

2动力锂离子电池的工作原理

电池内部的电解质的状态不同，把锂离子电池分为聚合物锂电池和液态锂电池。电解质呈胶状或者是固体太的是聚合物锂离子电池;电解质为液态物质的被归为液态锂电池。而这两种状态的动力锂离子电池的反应原理是一样的。且结构组成相似，即正负电极、隔膜以及石墨为材料的负极。

锂离子电池的工作过程即是在电池充放电时，Li+经过电解液，在正负极材料中脱离和嵌入[4]。

在电池充电过程中，Li+是从正极材料中脱离，经过电池内部电解液至电池的负极材料中。

伴随着正负极材料中Li+的脱离和嵌入，会使充电过程中电池的负极处于富锂的状态，而正极则因失去Li+处于贫锂的状态，伴随着Li+的脱嵌，电子e-则会通过电池外电路从正极材料进入到负极材料中，因此可以保证电荷的守恒。充电过程正、负极发生的化学反应如下[5]：

充放电过程是伴随着锂离子和电子的移动来完成的，这两者的迁移速度要处在平衡的狀态。锂离子电池的正负极材料一定是Li+离子和电子e-的混合导体，两者的导电能力应该相等。但正极材料的导电能力弱，负极材料石墨的导电性稍好，电池若大倍率放，也应对负极的导电性加强，使电子导电能力与锂离子从石墨中脱嵌的能力平衡[6]。

3动力锂离子电池的电压的定义

电压，也被命名为电势差或电位差，它是用来体现单位电荷在静电场中由于电势不同所带来的能量差的物理量。在众多文献中与电池相关的电压的定义，大体上可以分成三种：电池的电动势、电池的开路电压和电池的工作电压。

电动势，指的是电池的供电能力，即可以通过电池正极的电位与负极的电位之间的差值来表示。同时电池的电动势也可以视为电池储存电的能力。

若用公示可表达电池的电动势为：

E=U+-U-             （1-5）

其中E表示的是电池的电动势的参数值，字母U+指的是电池的正极对应的电位值，字母U_为电池的负极对应的电位值。

锂离子电池的额定电压在有的文献中也称为标称电压或者称为电动势的值是3.2V。锂离子电池的终止充电电压值是3.6V、它的终止放电压值是2.0V。

4锂离子电池的内阻

电阻是导体本身对电流流通的阻碍能力，内阻指的是电池对于电流的阻碍作用的大小。

电池极化现象指在电化学反应的过程中，伴随着的是电极电势和平衡电势有偏离现象。电化学反应越剧烈，极化现象越严重。极化现象可被分为以下三种：

1.欧姆极化：电池的材料本身有阻碍能力，即电极材料、电解液、隔膜的电阻以及连接线电阻。这种主要与电流本身、电池本身的材料、电池的工作环境，电池材料的几何组成结构因素，单体电池的组装方式。这些因素均会导致电池内部发生的极化现象，统称为电池的欧姆极化。

2.电化学极化：在充放电过程中伴随的是电池内部发生电化学反应，即电荷会在在电极和电解质中的移动，在移动的过程中在电池的内部会受到阻碍其运动的力，这种阻碍力导致的后果是使电池本身部分电压被使用掉，通常把这种在电池的电化学反应过程中所受到阻碍的现象称为电池的电化学极化。

3.浓差极化：伴随着电化学反应，电池内活性物质参与反应消耗后带来电极周围浓度的差别，在电荷的传递的反应速度会下降至缓慢状态以此带来的能量有而额外的损失，这种现象就被称为电池的浓差极化[7]。

发生的电池内的极化内阻主要是由电池的电化学极化内阻以及电池内部的浓差极化内阻影响，电化学极化内阻和电池的浓差极化内阻大小值的影响原因主要是电池自身所处的工作状态、电池充放电工作所处的工作环境以及电池自身的特性。

5锂离子电池的容量

电池的容量指，在电池放电过程中，在指定的放电条件情况下，电池所能够释放出的总的电量的值。电池容量的单位可用安时（Ah）或毫安时（mAh）来表示。电池容量可被分为三种，分别为电池的额定容量、电池的实际容量及电池的理论容量。

1.电池的额定容量是指，在电池从设计到制造过程中，电池在指定的放电条件下，所能够释放出的最低电量的值，这个会在电池生产出来时标记在电池的表面，因此电池的额定容量有些文献中也会被称为标称容量。

2.电池自身的实际容量值则指的是在电池处在放电工作状态下，并结合考虑到电池在实际的放电情况下，电池实际具体能够放出的总电量的大小（电池的实际容量是总小于电池额定容量），且它是一个变量。

3.电池的理论容量值是由活性物质的量决定，通过法拉第定律计算公式获取，为电池最大可以放出电量的大小。在通常情况下电池的理论容量值是应该大于電池实际容量的值。

对电池容量大小的影响因素主要有电池的充电倍率、放电倍率、电池自身的温度、电池自放电程度、电池的循环寿命[7]。

5.1电池的充、放电倍率

充电倍率指在规定的时间值，把电电量充满至额定容量时，充电电流的值;放电倍率指的是在规定的时间值，把额定容量释放完全，放电的电流值。电池的充、放电倍率的单位是库伦，用C表示;而在数值大小上，充电倍率、放电倍率都可用下面公式计算获取。

C是充电倍率或放电倍率，I指的是充放电的电流值，QV是额定容量。就可计算出对应放电的电流值规定时，放电倍率的大小。

由于在电池工作过程中，电池内部的活性物质沿着正、负电极横向方向的作用深度是有限的。且在电池在充放电过程中，充放电倍率越大，活性物质能够参与反应得深度就会越低，因而电池的利用率会越低。所以当电池的充电倍率、放电倍率值越大时，电池所能充入或放出的容量反而会随之越小。

5.2电池温度

温度对电池的容量的影响明显，若充放电是在不同温度的情况下，电池能够充放的电池容量也不同。在温度较高时，因为在电池内部电解液中的离子扩散的相对速度会因此加剧，发生在电池内部的电化学反应速度也会加快，但是电解质的导电率也会增加，电池电阻也会随之减小，电池最终释放的容量增加[8]。在温度较低时，活性物质反应速率降低，离子扩散速度也会减慢，电化学反应的速度也会降低，电解质的导电率会随之降低，电池的容量明显的降低。可以通过修正的方式弥补温度对于电池容量的影响，可见式（1-7），（1-8）。

式中：Q指的是在温度为时的电池容量大小值;Q25为在温度为25℃时电池的容量大小值;KT则是指的是温度补偿系数;a则指的是对应温度变化的温度系数，其单位为安.时/摄氏度（Ah/℃），其中温度系数可由实验得到其值得大小;T则是指电池实际的工作温度。

5.3电池的自放电

放置一段时间后，电池会出现电池容量下降的现象，通常把这种现象称为电池的自放电现象，电池的自放电的速度大小是与电池的自放电率相关联的，电池的自放电率可由公式（1-9）来计算，即电池容量降低值比上电池放置时间值。如下式表达：

式中vs指的是电池的自放电率，Q0和Q1则指的是在第T0、T1时刻电池对应的容量大小。电池在放置一段时间后，会造成电池容量会下降。原因是正负极上的活性物质的脱落及溶解，电池正、负电极自身存在腐蚀的现象，电极极化反应等。电池存放的环境，存放点周围的温度以及湿度，对电池自放电速度带来影响作用。

5.4电池的循环寿命

在规定的的充放电条件下，电池的容量随之会降至指定的容量前的状态过程。电池总的所能正常使用的循环次数之和。电池容量值会因使用的时间的变化而改变。电池的容量会在电池充、放电初始阶段会有增大的过程，接着会在某一个水平上保持相对稳定一个阶段，继而在末尾阶段电池容量会逐渐的减小[37]。锂离子电池的循环寿命指的是，当锂离子电池实际容量值下降到其额定容量的80%状态时，发生在电池使用过程中总的充电次数、放电次数。

参考文献：

[1]华俊， 邵如平， 朱永涛， 等. 基于自适应卡尔曼滤波算法的锂电池SOC估算[J]. 科技通报， 2017， （05）： 33.

[2]黄睿. 我国新能源汽车公司—比亚迪投资价值分析[硕士学位论文]. 四川， 西南财经大学， 2013.

[3]朱雅俊. 电动汽车用磷酸铁锂电池建模与SOC估算研究[硕士学位论文]， 合肥， 合肥工业大学， 2012.

[4]贡纬华，王华丹，苏毅，等. 锂离子电池磷酸铁锂正极材料研究进展[J]. 化工新型材料， 2020， 48（07）： 30.

[5]Science China Press， Nobel Laureate Prof. John B. Goodenough discusses lithium-ion batteries in Science China Chemistry[J]， NewsRx Health & Science， 2019.

[6]安治国， 田茂飞， 赵琳， 等. 基于自适应无迹卡尔曼滤波的锂电池SOC估计[J]. 储能科学与技术， 2019， 8（05）： 42.

[7]Xuefei Han，Yingxia Huang，Huanxin Lai. Electrochemical-thermal coupled investigation of lithium iron phosphate cell performances under air-cooled conditions[J]. Applied Thermal Engineering， 2019， 147.

[8]刘良， 戴玮， 王丽梅， 等. 锂离子电池浓差极化及放电特性分析[J]. 江苏大学学报（自然科学版）， 2021， 42（01）： 39.