鋰離子電池一致性問題研究①

倪濤來，宮璐，向興江，宮本佳和

(合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽 合肥 230011)

隨著社會的不斷發展，傳統能源危機不斷加深，大氣污染日益嚴重。為解決這一問題，人們減少傳統化石燃料的使用，努力提高能源的利用率，積極開發清潔可再生能源。近年來，電動汽車采用鋰離子電池作為動力能源，與傳統汽車相比，因其可實現零排放、具有較高的能源利用率等優點，得到了迅猛的發展。而鋰離子電池作為電動汽車的核心部分，直接影響電動車的續航里程和工作效率。

基于現階段的電池制造技術，單體電池還不能滿足電動汽車的性能需求，因此，一般將電池進行串并聯成組使用[1]。由于電池原材料、生產工藝等差別，電池容量、電壓、內阻等性能存在差異，使得電池組性能達不到單體電池水平，使用壽命遠短于單體電池，影響電動汽車的使用[2]。因此，對鋰離子電池一致性問題的研究對延長電池組的使用壽命、提升電動汽車的性能具有重要意義。

本文主要從鋰離子電池一致性的差異體現、追溯差異來源和目前提升電池一致性的改善措施三個方面闡述一致性問題的研究進展。

1 一致性差異體現

單體電池性能差異主要體現在初始狀態和存儲過程變化兩個方面。

初始狀態包括容量、電壓、內阻等。

電池容量不一致會導致“短板效應”[3]：即在正常放電過程中，容量低的電池放電完成后，其他電池電量還未放完，電池組不能發揮出剩余性能，若是繼續放電會造成容量低的電池過放電，影響該電池壽命，從而使電池組過早失效；在充電過程中，容量低的電池先充滿電，若保證其他電池也充滿電，會導致容量低的電池過充，在電極表面長出鋰枝晶，枝晶會刺穿隔膜導致電池短路甚至爆炸。

電池組是由單體電池串并聯組合而成的，在串聯電路中，電流相同，充電時，內阻大的電池充電電壓也較大，因此會導致內阻大的電池提前充滿電；放電時內阻大的電池產生熱量多，電池溫度升高會引起安全隱患。在并聯電路中，電壓相同，不同內阻通過的電流不同，因此充放電電流不同，倍率不同，充放電的速度也不相同[4]。

電壓不同時，并聯電路中的電池趨于電壓一致，因此會造成電壓高的電池給電壓低的電池充電，該過程會損失電池組的能量，導致向外輸出能量降低[5]。在使用過程中，一般采用恒流充放電，但隨著容量逐步衰減，在電流不變的情況下，實際電流倍率變大，從而導致電池性能進一步惡化[6]。

2 一致性差異來源

鋰離子電池制造工藝復雜，工序繁多，包括合漿、涂布、輥壓分切、制片、卷繞、組裝、注液、化成和分容等。制造過程的各個工序都影響著電池的性能，各工序的誤差累積是造成單體電池性能差異的主要來源。

羅雨等[7]研究了鋰離子電池生產制造工藝對電池一致性的影響，重點探討了混料攪拌、涂布和輥壓制備過程，分析了制片過程中的微小差別對電池性能的影響：攪拌效果影響漿料的分散均勻性，決定了能否進行涂布；涂布厚度、面密度和涂覆尺寸以及烘箱風量風壓、溫度參數都影響著涂布質量；輥壓壓實大小影響離子傳輸和電子導電性。實例說明：正常情況下輥壓機厚度偏差為3μm，若壓輥水平度異常輥壓后極片厚度偏差可能超出7μm，直接影響電池一致性。因此制片工藝參數對一致性有著重要的影響。

安富強等[8]探究了老化程度(循環0圈～500圈)、電流(0.2 C，1.0 C，2.0 C)和溫度變化(10℃，25℃，55 ℃)對電池一致性的影響。結果顯示，即使初始一致性良好的電池再經過長時間的壽命測試之后，也出現了性能衰減不一致的現象。在較大放電倍率下，電池一致性惡化明顯。溫度對鋰離子電池性能影響很大，主要表現為溫度高低和溫度分布均勻性。高溫會使電池內部發生不可逆反應，加快電池壽命衰減；低溫導致電解液導電率降低，Li+擴散能力降低，內阻升高[9]。

在存儲過程中，單體電池的自放電率不同也是導致電池組容量不匹配的重要原因[10]。自放電的影響因素較多，包括正負極與電解液反應、制成中摻入雜質造成電池微短路等[11]。

3 改善方法

電池組中單體電池差異是絕對存在的，但是我們可以減小差異，緩解電池不一致問題。目前，針對一致性問題的改善方法主要分為三個方面：

3.1 優化制造工藝，提高制造過程水平

3.1.1 原材料改進

原材料的性能對電池性能和一致性具有重要影響，例如正負極材料的配比、粒徑、孔隙率等。選擇純度高、易加工、性能好的電極材料可有效改善制作水平、提高電池一致性。

恭誠等人[12]采用高溫固相燒結法合成高壓實NCM523正極材料，再摻入Sr元素，結果顯示摻雜后的材料一次顆粒和晶胞體積變大，壓實密度比未摻雜樣品提高7.2%，體積能量密度提高8%，循環100周容量保持率94.2%。

馬守龍等[13]研究了涂碳鋁箔作為集流體對磷酸鐵鋰LiFePO4/C正極材料及電池性能的影響。結果顯示，涂碳鋁箔電荷轉移電阻比光箔低65%以上，擴散速率是光箔的3倍，功率密度漲幅大于35%。因而，采用涂碳鋁箔作為正極集流體可以降低電荷轉移電阻，提高Li+的擴散速率，從而提升電池的性能。

隔膜在鋰離子電池結構中起電子絕緣、離子導電防止電池短路的作用，對電池安全性具有重要影響。謝曉華等[14]用浸涂法在對苯二甲酸乙二醇酯(PET)隔膜上同時涂覆了不同粒徑的SiO2和Al2O3，研究了使用該陶瓷隔膜電池的電化學性能：100 次循環后的容量保持率為 93.9%， 10C 電流下仍具有 82.7mAh/g 的容量，與商業聚丙烯隔膜相比，表現出更優異的綜合性能。

因而，研究使用具有優異性質的原材料，可以改善電池的性能和一致性。

3.1.2 過程優化

鋰離子電池制造過程復雜，每個工序的誤差累計成最終電池性能差異。因此過程控制十分重要，對每個過程進行優化可提高產品一致性。

鋰離子電池漿料是否分散均勻直接影響電池品質。目前電池廠商廣泛采用行星攪拌機或螺旋式混合攪拌機。這種合漿分散方式仍然存在混合不徹底、工作效率低等問題。李輝等人[15]為提高鋰電池漿料的分散效果，研究了鋰電池漿料特性和超剪切分散機理。采用高精密超剪切分散設備進行合漿，結果表明超剪切分散可以有效提高漿料的分散品質和合漿效率。

超聲波焊接是重要的電池組裝步驟，例如極耳預焊、蓋板焊和封口等。但由于材料屬性、材料厚度和能量的影響，焊接過程容易出現虛焊、過焊等問題，影響生產效率和產品品質。李東等[16]研究了鋁/銅極片超聲波焊接面積、壓力、時間等參數對焊接過程工件摩擦產熱和塑性變形等影響，結果顯示：當焊頭形貌為面積33.65mm2，齒深0.31mm時；銅與鋁的連接效果最佳，繼而采用焊接壓力為1.52kN，振幅24.4μm，持續0.067s時，焊接質量最高。本研究優化了焊接工藝參數，提高焊接接頭質量，從而提高焊接過程一致性，提升產品品質。

注液是鋰離子電池制作過程重要工序，注液量直接關系到電池容量和安全性能。注液太多，電池易滲漏，注液太少，會降低容量，甚至有可能引起電池局部過充導致爆炸。因此保證注液精度十分重要。譚偉等[17]針對注液機的注液精度低問題，研究采用了真空注液、優化機械結構和軟件系統，實現自動注液工藝，不僅減少了人工浪費，改善環境污染，還保證了注液精度，減少電解液浪費，提高了電池質量。

另外，采用自動化程度高及精度高的生產線，不僅可以提高勞動效率、改善工人勞動環境，還可以節約材料、降低能耗并且大大降低生產過程中由于人為接觸造成的污染和人為操作的隨機性導致的電池不一致，從而提升產品品質。

3.2 電池分選

不論是改進生產設備還是提高生產制備工藝，都會大大增加生產成本且需要長時間實現。基于現有條件，采用合適的分選方法是提高電池組一致性的有效方法。電池分選技術是為了減小電池組中單體電池的不一致性，以提高電池組的容量使用率和循環壽命的，而采用的按照一定原則選取性能相近的電池成組使用的方法。

評價單體鋰離子電池初始性能一致性的方法有：單參數分選法、多參數分選法和動態特性分選法。

3.2.1 單參數分選法

針對單體電池的分選參數有容量、電壓、內阻和自放電特性[18]。

容量是電池性能的一個重要參數，根據單體電池的容量分布情況進行一致性評價，操作簡單、易于實現，但是在實際使用過程中，容量受工作狀態和外界環境影響，因此，不能保證按照指定條件篩選出的容量一致的電池在實際充放電過程中的容量一致性。電壓分選法分為開路電壓分選和工作電壓分選。工作電壓分選相對開路電壓法多考慮了電池工作時的電壓，但同樣沒有考慮電池放電時間、容量等參數的影響。

鋰離子電池的內阻包括歐姆內阻和電化學反應引起的極化內阻。內阻可直接測量，但是由于內阻差異較小，測量設備的精度和準確性會影響電池分選質量[19]。自放電率是鋰離子電池的一項重要性能指標。在原材料和制程基本相同的情況下，極少數單體電池表現出較大的自放電率，可能是由雜質、毛刺刺穿隔膜引起微短路等原因引起的[20]。在長期存放或使用過程中，自放電大的電池性能惡化較一般電池嚴重。因此通過自放電分選可提前剔除問題電池，保證配組電池的一致性。

單參數分選法簡單方便，但單一的參數不能全面反映電池性能，因此分選效果較差。

3.2.2 多參數分選法

多參數分選法，即選取多個特征參數對電池進行分選的方法。多參數分選可多方面縮小電池不一致性，分選效果較好，是目前動力電池分選方法中較為準確的方法[21]。

3.2.3 動態特性分選法

動態特性分選法是指對電池的充放電曲線特征進行分選的方法。相比于容量、電壓、內阻等靜態特征，充放電曲線可動態表征電池特性，從而更全面的反映電池特性。但是，該方法耗時長、數據量大，且單一倍率下的一致性不適用于電動汽車復雜的工況[22]。

盡管目前電池分選技術仍存在缺陷，但基于現有制造工藝水平，對縮小電池差異、延長電池組壽命具有重要的意義。然而，分選技術只能減小單體電池間初始狀態差異，在電池組使用過程中，不同的溫度、倍率、自放電率等都會導致電池組一致性變差[23]。

3.3 電池管理系統(BMS)

提高制造水平和采用分選技術都是在電池組使用前減小電池間差異。在電池組使用過程中遇到的不一致性問題，可以通過BMS對電池組狀態進行控制，以抑制電池性能差異的放大。BMS可以準確估測SOC，進行動態監測，實時采集電池的端電壓、溫度、充放電電流，防止電池發生過充或過放現象，并對電池組進行均衡管理，使單體電池狀態趨于一致，從而能在電池使用過程中改善電池組的一致性問題，提高其整體性能，并延長其使用壽命[24]。

Rahimi等[25]闡述了提高BMS性能對電池安全可靠性的重要性。電動汽車對深充/放電保護和精確充電狀態(SOC)及健康狀態(SOH)估計等需求，要求BMS必須用精準的算法來測量并估計電池的功能狀態，用最先進的方法避免電池出現危險和失效工況，其中最有前景的是用dc/dc轉換器均衡模塊中電池電量，即電量高的電池將額外電量傳遞給低電量電池，根據模塊中電池能量的分布情況采用不同的均衡技術。

4 結語

本文針對鋰離子電池一致性問題的表現，探討了問題的來源，并詳細闡述了改善措施：首先，提高電池一致性從根本上要提高制造工藝水平；其次，電池使用前要采用合適的分選技術進行挑選配組，以減少電池組中單體電池的初始性能差異；另外，在電池使用過程中，通過BMS控制電池組狀態，減小電池性能差異。

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