一、鋰電池內阻概述

之前人們認為電池是理想電壓源，也就是說無論該電池對外輸出大多的電流，其電壓都是保持不變的，事實上，由于內阻的存在，沒有一款電池能夠被稱為理想電壓源，影響電池作為理想電壓源能力的因素包括:

電池的使用年限: 越老的電池內阻越高。

溫度: 高溫度會影響內部化學反應，導致電阻增加。

SOC: 電池的內阻可以根據SOC不同而變化。

（一）內阻的構成

鋰電池內阻主要由電極材料、電解質、隔膜電阻和接觸電阻等組成。電極材料是電池的核心，其導電性和結構特性決定了電流傳輸的阻力；電解質負責離子的傳導，其離子導電率直接影響內阻大小；隔膜電阻起到隔離電極、防止短路的作用，同時也影響離子的擴散和遷移；接觸電阻則是電池各部件之間接觸界面的電阻，包括電極與集流體、電極與電解液等接觸處的電阻。這些部分相互作用，共同構成了鋰電池內阻，在電池運行過程中發揮著不同的作用。例如，在電池充放電過程中，電極材料的反應會產生極化電阻，影響電池的性能；電解質的離子傳導能力會影響電池的內阻和放電效率；隔膜的孔隙率和孔徑分布會影響電池的內阻和充放電速率；接觸電阻則會影響電池的能量損失和發熱情況。

（二）內阻的類型

鋰電池內阻主要分為直流內阻和交流內阻。直流內阻是指在直流電流下電池內阻的大小，它反映了電池在穩定狀態下的內阻特性。在直流內阻測試中，通常通過測量電池在一定電流下的電壓降來計算內阻。直流內阻適用于評估電池在靜態或穩態下的性能，例如電池的開路電壓、充放電容量等。

交流內阻則是在交流電流下電池內阻的大小，它反映了電池在動態變化過程中的內阻特性。交流內阻測試通常采用交流信號源，通過測量電池在不同頻率下的阻抗來分析內阻。交流內阻對于評估電池在高頻、動態變化下的性能更為重要，例如電池在快速充放電、負載變化等情況下的內阻響應。

不同場景下使用不同內阻來評估電池性能。例如，在電池的日常使用和簡單檢測中，直流內阻可以提供較為直觀的電池性能信息；而在一些復雜的電子設備和系統中，交流內阻能夠更好地反映電池在動態變化過程中的性能，幫助工程師優化電池的設計和運行。此外，在研究電池的充放電過程、電池的壽命預測等方面，交流內阻也具有重要的應用價值。

二、內阻分析方法

（一）直流內阻測試

直流內阻測試的原理基于歐姆定律，即電池內阻等于電池兩端電壓降除以通過電池的電流。在恒流放電法中，電池以恒定電流放電，通過測量電池在放電過程中的電壓降，來計算直流內阻。

具體測試方法如下：使用恒流源給電池放電，例如以 5C - 10C 的電流（對于普通電池單體，大電流可在短時間內獲得較為明顯的電壓降），在放電過程中記錄電池兩端的電壓變化。根據公式（其中為直流內阻，為電壓降，為電流），可計算出電池內阻。

常用的測試設備有直流電源、電子負載等。這些設備能夠精確控制電流大小，并測量電池兩端的電壓。例如，在實驗室中，使用高精度的數字萬用表來測量電池兩端的電壓，確保測量的準確性。

（二）交流內阻測試

交流內阻測試的原理基于電池的阻抗特性。當交流電流通過電池時，電池內部會產生阻抗，其大小與電池的內阻、電容以及電感等因素有關。通過測量電池在不同頻率下的阻抗，來分析交流內阻。具體方法為：向電池注入一個幅值較小的交流電流信號（如 1kHz 頻率、50mA 小電流），測量電池兩端的交流電壓響應。通過分析電壓與電流的相位差以及幅值關系，來計算電池的交流內阻。

交流內阻測試在實際應用中具有諸多優勢。由于交流內阻測試能夠反映電池在動態變化過程中的內阻特性，因此對于評估電池在高頻、快速充放電等復雜場景下的性能尤為重要。例如，在電動汽車等應用場景中，電池需要頻繁地進行充放電，交流內阻能夠更好地反映電池在這種動態變化下的性能。此外，交流內阻測試還可以用于檢測電池內部的故障，如電極的老化、電解液的干涸等。

三、內阻對電池性能的影響

（一）放電能力

鋰電池內阻大小對電池的放電能力有著重要影響。當內阻較大時，在放電過程中，電池內部會產生較大的功率損耗。這是因為電池內阻會阻礙電流的流動，使得電池在輸出電能時，一部分能量被消耗在內阻上。例如，在一個簡單的電路中，電池的內阻為 ，電流為 ，那么電池內阻消耗的功率 。當內阻增大時，電流通過內阻產生的熱量增加，導致電池的實際輸出電能減少。這就好比一輛汽車在行駛過程中，由于內阻較大，發動機需要消耗更多的能量來克服阻力，從而使得汽車的動力性能受到影響。

從電池的工作原理來看，內阻大意味著電池內部的電子傳輸和離子遷移受到阻礙。在電池放電時，電極反應產生的電子需要通過內阻傳遞到外部電路，內阻越大，電子傳輸的阻力就越大，導致電池的放電速度變慢。同時，離子在電解液中的擴散也會受到內阻的影響，使得離子在電極表面的濃度變化受到限制，進一步影響電池的放電能力。

（二）充電效率

內阻對電池充電效率有著顯著的影響。當電池內阻較高時，充電過程中的能量損失會增加。這是因為在充電時，電流通過內阻會產生熱量，這部分熱量是額外的能量消耗。例如，在充電過程中，電池內阻 ，充電電流 ，那么內阻消耗的功率 。這部分功率轉化為熱量，使得電池的溫度升高。

同時，內阻會影響電池的充電速度。由于內阻阻礙了電流的流動，使得充電電流無法快速達到理想值，從而延長了充電時間。比如在給手機電池充電時，如果電池內阻較大，充電速度會明顯變慢，可能需要更長時間才能充滿電。

此外，內阻還會影響電池的充電效率。在充電過程中，電池內部的化學反應會受到內阻的影響。內阻較大時，電池內部的化學反應可能會不完全，導致電池的充電效率降低。例如，在充電過程中，電池內部的電解液可能會因為內阻的影響而無法充分參與反應，從而使得電池的充電容量無法達到理論值。

（三）電池壽命

內阻對電池壽命有著重要的影響。當電池內阻較大時，會引起發熱現象。這是因為電池內阻消耗的功率轉化為熱量，使得電池的溫度升高。長期處于高溫狀態下，電池內部的化學物質會加速老化。例如，電池內部的電解液可能會因為高溫而蒸發或分解，導致電池的性能下降。

內阻增大還會加速電池內部的化學反應。在電池充放電過程中，內阻會影響電極反應的速率和穩定性。當內阻增大時，電極反應的速率會加快，導致電池的循環壽命縮短。同時，內阻還會影響電池內部的電流分布，使得電池內部的局部電流過大，進一步加速電池的老化。

此外，內阻過大還會導致電池在使用過程中出現電壓降。當電池內阻較大時，電池的輸出電壓會降低，這會影響電池的正常工作。例如，在手機電池使用過程中，如果電池內阻過大，可能會導致手機電量快速下降，甚至出現自動關機等現象。

內阻對電池性能的影響是多方面的。在電池的設計和使用過程中，需要充分考慮內阻的因素，采取有效的措施來降低內阻，提高電池的性能和壽命。

四、影響內阻的因素

（一）溫度

溫度對鋰電池內阻的影響較為顯著。當溫度升高時，電池內部的離子和電子運動速度加快，內阻降低；反之，溫度降低時，離子和電子運動速度減緩，內阻增大。

從電池的工作原理來看，溫度升高會使電解液的離子電導率增大，離子遷移速度加快，從而降低內阻。例如，在高溫環境下，鋰離子在電解液中的擴散速度加快，使得電池內部的電荷轉移電阻減小。同時，溫度升高還會使電極材料的活性增強，促進電極反應的進行，進一步降低內阻。

研究表明，在一定溫度范圍內，電池內阻與溫度呈線性關系。例如，當溫度從 25℃升高到 50℃時，電池內阻會隨著溫度的升高而逐漸降低。然而，當溫度過高時，電池內阻可能會出現急劇變化，甚至導致電池性能下降。

（二）電池結構設計

極耳的數量、尺寸、位置等對電池內阻有著重要影響。在一定范圍內，增加極耳數量可有效降低電池內阻。這是因為極耳的增加提供了更多的電流通道，使得電流在電池內部的分布更加均勻，從而降低了內阻。

極耳位置也會影響電池內阻。極耳位置在正負極極片頭部的卷繞電池內阻較大，而疊片式電池由于相當于幾十片小電池并聯，內阻相對較小。這是因為疊片式電池的極耳分布更加均勻，能夠更好地傳導電流，降低內阻。

此外，極耳的尺寸也會影響電池內阻。極耳尺寸越大，電流傳輸的面積越大，內阻越小。但極耳尺寸過大也會增加電池的體積和重量，因此需要在設計時綜合考慮。

（三）原材料性能

正負極活性材料、導電劑、集流體、隔膜等原材料的性能對電池內阻有著重要影響。正負極活性材料的導電性和結構特性決定了電池的內阻大小。例如，正極材料通過包覆與摻雜來改善顆粒之間的電子傳導能力，如摻雜 Ni 后增強了 P - O 鍵的強度，穩定了 LiFePO?/C 的結構，可有效降低正極材料的電荷轉移阻抗。負極材料的顆粒粒徑越小，活化極化越小，內阻越低。

導電劑在電池中起著重要作用。石墨和炭黑因其良好性能，在鋰電池領域應用廣泛。相對于石墨類導電劑，正極添加炭黑類導電劑的電池倍率性能更優，因為石墨類導電劑具有片狀顆粒形貌，大倍率下引起孔隙曲折系數較大增長，易出現 Li 液相擴散過程限制放電容量的現象。而添加了 CNTs 的電池其內阻更小，因為相對石墨 / 炭黑與活性材料的點接觸，纖維狀的碳納米管與活性材料屬于線接觸，可以降低電池的界面阻抗。

集流體與活性物質間的界面電阻影響著電池內阻。在鋁箔表面涂覆導電碳涂層和對鋁箔進行電暈處理可有效降低電池的界面阻抗。相較普通鋁箔，使用涂碳鋁箔可以使電池的內阻降低 65% 左右，且可降低電池在使用過程中內阻的增幅。

隔膜的吸液潤濕能力影響著電池內部的離子傳導。當隔膜具有更高的吸液率和多孔結構時，能提升導電性減小電池阻抗，提高電池的倍率性能。例如，在 PP 隔膜上增加 SiO?陶瓷涂層，可使隔膜吸液量增加 17%；在 PP/PE 復合隔膜上涂覆 1μm 的 PVDF - HFP，隔膜吸液率由 70% 增加到 82%，電芯內阻下降 20% 以上。

（四）制程工藝

合漿、涂布、輥壓、極片周轉時間等工藝對電池內阻有著重要影響。

合漿時漿料分散的均勻性影響著導電劑能否均勻地分散在活性物質中與其緊密接觸，從而影響電池內阻。通過增加高速分散，可提高漿料分散的均勻性，使電池內阻減小。添加表面活性劑可改善提高電極中導電劑的分布均勻性，減小電化學極化，提高放電中值電壓。

涂布面密度是電池設計的關鍵參數之一。在電池容量一定時，增加極片面密度會減小集流體和隔膜的總長度，電池的歐姆內阻會隨之減小。涂布烘干時溶劑分子的遷移與脫離與烘箱的溫度密切相關，直接影響著極片內粘結劑和導電劑的分布，進而影響極片內部導電網格的形成，因此涂布烘干的溫度也是優化電池性能的重要工藝過程。

輥壓在一定程度內，電池內阻隨著壓實密度的增大而減小。壓實密度增大，原材料粒子間的距離減小，粒子間的接觸增多，導電橋梁和通道增多，電池阻抗降低。但輥壓厚度過大時，由于活性物質未能輥壓緊密致使活性物質與集

五、內阻的實際應用

（一）黑盒測試

在黑盒測試中，電池模組的內阻測試是評估電池性能的重要手段。通常客戶會提供多個電池模組，以不同的連接方式（如激光焊接與螺接）進行測試。

以某電池組容量為 100AH，均為 8S4P 方案為例，其中兩個模組采用激光焊接（R0—R15），另一個采用螺接（R16—R23）。測試時不告知電池組連接方式，通過測試結果來評判內阻模型的有效性。

測試數據表明，激光焊接的內阻明顯小于螺接的內阻。這是因為激光焊接在連接過程中形成的接觸電阻較小，電流傳導更為順暢。而螺接方式由于存在連接松動的情況，如螺接模組有一顆螺釘未擰緊，導致相連電池的內阻明顯高于其他電池。這不僅使電池內阻增大，還因內阻過大產生熱量，對電池上蓋板造成明顯灼蝕。

若長期內阻過大，極易發生危險。在測試過程中，發現問題后及時將連接不良的螺釘找到替代件固定，直流內阻有明顯下降，但由于臨時不是配套的螺釘，內阻仍未達到理想狀態。

通過這樣的測試，能夠有效驗證電池內阻模型的有效性，同時也能發現電池連接過程中存在的問題，為電池性能的優化提供參考。

（二）均衡測試

在后備電源 UPS 系統中，直流內阻模型在均衡測試中發揮著重要作用。當系統采用直流內阻模型加入均衡前，電池壓差較大且整個電池組一致性較差。

例如，某 UPS 系統在采用直流內阻模型加入均衡前，電池壓差為 732mV。通過直流內阻模型，在整個過程中進行持續均衡。經過 2588 小時，整個系統的一致性變好，最大壓差不超過 10mV，符合設定的均衡條件。

這一過程中，直流內阻模型能夠實時監測電池內阻的變化，根據內阻情況調整電池的充放電狀態，使電池組中的各個電池單元保持相對穩定的內阻。通過這種方式，實現了對電池的有效均衡，提高了電池一致性，優化了整個電池組的性能。

（三）大巴車應用

大巴車電池內阻分散度大對電池性能有著顯著影響。在實際應用中，大巴車系統通常由 190 串電池組成。當電池內阻分散度較大時，直接表現為電池的一致性變差，續航里程降低。

從電池的電壓變化情況來看，在充電過程中，整個電池組的電壓離散度較大。同時，電池內阻分布也呈現出離散的狀態。與客戶溝通后確認該批次電池為 B 品電池，在出廠時存在一定的差異。

為了改善電池性能，需要調整均衡方案。通過分析電池內阻分散度大的原因，采取相應的措施，如優化電池的充放電管理、調整電池的連接方式等。在調整均衡方案后，整個電池包正在進行驗證過程。通過持續監測電池內阻和電壓變化，及時調整均衡策略，以提高電池的一致性和續航里程，確保大巴車的正常運行。

鋰電池內阻分析對于電池性能和壽命的優化至關重要。通過對鋰電池內阻的研究，我們深入了解了其構成、類型、分析方法以及影響因素。

在內阻分析方法上，直流內阻測試和交流內阻測試各有特點。直流內阻測試基于歐姆定律，操作相對簡單，能直觀反映電池在靜態或穩態下的內阻特性；交流內阻測試則基于電池的阻抗特性，能更準確地反映電池在動態變化過程中的內阻特性，對于評估電池在高頻、快速充放電等復雜場景下的性能具有重要意義。

內阻對電池性能的影響體現在多個方面。放電能力方面，內阻較大時電池內部功率損耗增大，實際輸出電能減少，影響電池的動力性能；充電效率方面，內阻高會導致能量損失增加，充電速度變慢，充電效率降低；電池壽命方面，內阻增大引起發熱，加速電池內部化學物質老化，縮短電池壽命。

影響內阻的因素眾多，溫度、電池結構設計、原材料性能、制程工藝等都對電池內阻產生影響。溫度升高會使電池內阻降低；電池結構設計中極耳的數量、尺寸、位置等會影響內阻；原材料性能如正負極活性材料、導電劑、集流體、隔膜等的特性與電池內阻密切相關；制程工藝中的合漿、涂布、輥壓、極片周轉時間等也會對電池內阻產生影響。

在實際應用中，黑盒測試、均衡測試和大巴車應用等場景都充分體現了內阻分析的重要性。黑盒測試通過測試電池模組內阻，驗證內阻模型的有效性；均衡測試利用直流內阻模型對電池進行均衡，提高電池一致性；大巴車應用中電池內阻分散度大影響電池性能，通過調整均衡方案改善電池性能。

鋰電池內阻分析是一個復雜且重要的領域。在實際應用中，我們應充分考慮各種因素，通過合理的測試方法和技術手段，優化電池性能，延長電池壽命。同時，隨著技術的不斷發展，我們需要不斷探索和研究新的方法和技術，以滿足日益增長的電池應用需求。