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(dòng)力能源有限公司，安徽 合肥 230011)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源危機(jī)不斷加深，大氣污染日益嚴(yán)重。為解決這一問題，人們減少傳統(tǒng)化石燃料的使用，努力提高能源的利用率，積極開發(fā)清潔可再生能源。近年來，電動(dòng)汽車采用鋰離子電池作為動(dòng)力能源，與傳統(tǒng)汽車相比，因其可實(shí)現(xiàn)零排放、具有較高的能源利用率等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅猛的發(fā)展。而鋰離子電池作為電動(dòng)汽車的核心部分，直接影響電動(dòng)車的續(xù)航里程和工作效率。

基于現(xiàn)階段的電池制造技術(shù)，單體電池還不能滿足電動(dòng)汽車的性能需求，因此，一般將電池進(jìn)行串并聯(lián)成組使用[1]。由于電池原材料、生產(chǎn)工藝等差別，電池容量、電壓、內(nèi)阻等性能存在差異，使得電池組性能達(dá)不到單體電池水平，使用壽命遠(yuǎn)短于單體電池，影響電動(dòng)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(dòng)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(xiàn)、追溯差異來源和目前提升電池一致性的改善措施三個(gè)方面闡述一致性問題的研究進(jìn)展。

1 一致性差異體現(xiàn)

單體電池性能差異主要體現(xiàn)在初始狀態(tài)和存儲(chǔ)過程變化兩個(gè)方面。

初始狀態(tài)包括容量、電壓、內(nèi)阻等。

電池容量不一致會(huì)導(dǎo)致“短板效應(yīng)”[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(fā)揮出剩余性能，若是繼續(xù)放電會(huì)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(huì)導(dǎo)致容量低的電池過充，在電極表面長出鋰枝晶，枝晶會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致電池短路甚至爆炸。

電池組是由單體電池串并聯(lián)組合而成的，在串聯(lián)電路中，電流相同，充電時(shí)，內(nèi)阻大的電池充電電壓也較大，因此會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻大的電池提前充滿電；放電時(shí)內(nèi)阻大的電池產(chǎn)生熱量多，電池溫度升高會(huì)引起安全隱患。在并聯(lián)電路中，電壓相同，不同內(nèi)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(shí)，并聯(lián)電路中的電池趨于電壓一致，因此會(huì)造成電壓高的電池給電壓低的電池充電，該過程會(huì)損失電池組的能量，導(dǎo)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(shí)際電流倍率變大，從而導(dǎo)致電池性能進(jìn)一步惡化[6]。

2 一致性差異來源

鋰離子電池制造工藝復(fù)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(gè)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(chǎn)制造工藝對電池一致性的影響，重點(diǎn)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(jìn)行涂布；涂布厚度、面密度和涂覆尺寸以及烘箱風(fēng)量風(fēng)壓、溫度參數(shù)都影響著涂布質(zhì)量；輥壓壓實(shí)大小影響離子傳輸和電子導(dǎo)電性。實(shí)例說明：正常情況下輥壓機(jī)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(shù)對一致性有著重要的影響。

安富強(qiáng)等[8]探究了老化程度(循環(huán)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(jié)果顯示，即使初始一致性良好的電池再經(jīng)過長時(shí)間的壽命測試之后，也出現(xiàn)了性能衰減不一致的現(xiàn)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(xiàn)為溫度高低和溫度分布均勻性。高溫會(huì)使電池內(nèi)部發(fā)生不可逆反應(yīng)，加快電池壽命衰減；低溫導(dǎo)致電解液導(dǎo)電率降低，Li+擴(kuò)散能力降低，內(nèi)阻升高[9]。

在存儲(chǔ)過程中，單體電池的自放電率不同也是導(dǎo)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(fù)極與電解液反應(yīng)、制成中摻入雜質(zhì)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(gè)方面：

3.1 優(yōu)化制造工藝，提高制造過程水平

3.1.1 原材料改進(jìn)

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(fù)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(jié)法合成高壓實(shí)NCM523正極材料，再摻入Sr元素，結(jié)果顯示摻雜后的材料一次顆粒和晶胞體積變大，壓實(shí)密度比未摻雜樣品提高7.2%，體積能量密度提高8%，循環(huán)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(jié)果顯示，涂碳鋁箔電荷轉(zhuǎn)移電阻比光箔低65%以上，擴(kuò)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(zhuǎn)移電阻，提高Li+的擴(kuò)散速率，從而提升電池的性能。

隔膜在鋰離子電池結(jié)構(gòu)中起電子絕緣、離子導(dǎo)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(shí)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(xué)性能：100 次循環(huán)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(yè)聚丙烯隔膜相比，表現(xiàn)出更優(yōu)異的綜合性能。

因而，研究使用具有優(yōu)異性質(zhì)的原材料，可以改善電池的性能和一致性。

3.1.2 過程優(yōu)化

鋰離子電池制造過程復(fù)雜，每個(gè)工序的誤差累計(jì)成最終電池性能差異。因此過程控制十分重要，對每個(gè)過程進(jìn)行優(yōu)化可提高產(chǎn)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(zhì)。目前電池廠商廣泛采用行星攪拌機(jī)或螺旋式混合攪拌機(jī)。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(jī)理。采用高精密超剪切分散設(shè)備進(jìn)行合漿，結(jié)果表明超剪切分散可以有效提高漿料的分散品質(zhì)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(yù)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(xiàn)虛焊、過焊等問題，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。李東等[16]研究了鋁/銅極片超聲波焊接面積、壓力、時(shí)間等參數(shù)對焊接過程工件摩擦產(chǎn)熱和塑性變形等影響，結(jié)果顯示：當(dāng)焊頭形貌為面積33.65mm2，齒深0.31mm時(shí)；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(xù)0.067s時(shí)，焊接質(zhì)量最高。本研究優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，提高焊接接頭質(zhì)量，從而提高焊接過程一致性，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

注液是鋰離子電池制作過程重要工序，注液量直接關(guān)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(huì)降低容量，甚至有可能引起電池局部過充導(dǎo)致爆炸。因此保證注液精度十分重要。譚偉等[17]針對注液機(jī)的注液精度低問題，研究采用了真空注液、優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注液工藝，不僅減少了人工浪費(fèi)，改善環(huán)境污染，還保證了注液精度，減少電解液浪費(fèi)，提高了電池質(zhì)量。

另外，采用自動(dòng)化程度高及精度高的生產(chǎn)線，不僅可以提高勞動(dòng)效率、改善工人勞動(dòng)環(huán)境，還可以節(jié)約材料、降低能耗并且大大降低生產(chǎn)過程中由于人為接觸造成的污染和人為操作的隨機(jī)性導(dǎo)致的電池不一致，從而提升產(chǎn)品品質(zhì)。

3.2 電池分選

不論是改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備還是提高生產(chǎn)制備工藝，都會(huì)大大增加生產(chǎn)成本且需要長時(shí)間實(shí)現(xiàn)?；诂F(xiàn)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(shù)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(huán)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(jià)單體鋰離子電池初始性能一致性的方法有：單參數(shù)分選法、多參數(shù)分選法和動(dòng)態(tài)特性分選法。

3.2.1 單參數(shù)分選法

針對單體電池的分選參數(shù)有容量、電壓、內(nèi)阻和自放電特性[18]。

容量是電池性能的一個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)單體電池的容量分布情況進(jìn)行一致性評價(jià)，操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際使用過程中，容量受工作狀態(tài)和外界環(huán)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(shí)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(shí)的電壓，但同樣沒有考慮電池放電時(shí)間、容量等參數(shù)的影響。

鋰離子電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)引起的極化內(nèi)阻。內(nèi)阻可直接測量，但是由于內(nèi)阻差異較小，測量設(shè)備的精度和準(zhǔn)確性會(huì)影響電池分選質(zhì)量[19]。自放電率是鋰離子電池的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。在原材料和制程基本相同的情況下，極少數(shù)單體電池表現(xiàn)出較大的自放電率，可能是由雜質(zhì)、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(yán)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(shù)分選法簡單方便，但單一的參數(shù)不能全面反映電池性能，因此分選效果較差。

3.2.2 多參數(shù)分選法

多參數(shù)分選法，即選取多個(gè)特征參數(shù)對電池進(jìn)行分選的方法。多參數(shù)分選可多方面縮小電池不一致性，分選效果較好，是目前動(dòng)力電池分選方法中較為準(zhǔn)確的方法[21]。

3.2.3 動(dòng)態(tài)特性分選法

動(dòng)態(tài)特性分選法是指對電池的充放電曲線特征進(jìn)行分選的方法。相比于容量、電壓、內(nèi)阻等靜態(tài)特征，充放電曲線可動(dòng)態(tài)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(shí)長、數(shù)據(jù)量大，且單一倍率下的一致性不適用于電動(dòng)汽車復(fù)雜的工況[22]。

盡管目前電池分選技術(shù)仍存在缺陷，但基于現(xiàn)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(shù)只能減小單體電池間初始狀態(tài)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(huì)導(dǎo)致電池組一致性變差[23]。

3.3 電池管理系統(tǒng)(BMS)

提高制造水平和采用分選技術(shù)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(tài)進(jìn)行控制，以抑制電池性能差異的放大。BMS可以準(zhǔn)確估測SOC，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，實(shí)時(shí)采集電池的端電壓、溫度、充放電電流，防止電池發(fā)生過充或過放現(xiàn)象，并對電池組進(jìn)行均衡管理，使單體電池狀態(tài)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(dòng)汽車對深充/放電保護(hù)和精確充電狀態(tài)(SOC)及健康狀態(tài)(SOH)估計(jì)等需求，要求BMS必須用精準(zhǔn)的算法來測量并估計(jì)電池的功能狀態(tài)，用最先進(jìn)的方法避免電池出現(xiàn)危險(xiǎn)和失效工況，其中最有前景的是用dc/dc轉(zhuǎn)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(jù)模塊中電池能量的分布情況采用不同的均衡技術(shù)。

4 結(jié)語

本文針對鋰離子電池一致性問題的表現(xiàn)，探討了問題的來源，并詳細(xì)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(shù)進(jìn)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(tài)，減小電池性能差異。

[1] Wu T H, Moo C S, Hou C H. A Battery Power Bank with Series-Connected Buck-Boost-Type Battery Power Modules[J]. Energies, 2017, 10:650-661.

[2] Sakti A, Azevedo M L, Fuchs R H, et al. Consistency and Robustness of Forecasting for Emerging Technologies: The Case of Li-ion Batteries for Electric Vehicles. Energy Policy, 2017, 106:415-426.

[3] 周方方.退役磷酸鐵鋰動(dòng)力電池不一致性研究[D].大連: 大連理工大學(xué)，2015.

[4] Vasquez B P, Binns M A, Anderson N D. Staying on Task: Age-Related Changes in the Relationship Between Executive Functioning and Response Time Consistency[J]. Journals of Gerontology, 2016, 71(2):189-200.

[5] 單毅. 鋰離子電池一致性研究[D]. 上海: 中國科學(xué)院, 2008.

[6] 戴海峰, 王楠, 魏學(xué)哲等. 車用動(dòng)力鋰離子電池單體不一致性問題研究綜述[J]. 汽車工程, 2014, 36(2):181-189.

[7] 羅雨, 王耀玲, 李麗華等. 鋰電池制片工藝對電池一致性的影響[J]. 電源技術(shù), 2013, 37(10):1757-1759.

[8] 安富強(qiáng), 張劍波, 黃俊等. 電動(dòng)汽車用鋰離子電池制備及其一致性演變分析[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2015, 36(4):239-248.

[9] 李策園. 純電動(dòng)汽車鋰動(dòng)力電池組溫度場特性研究及熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2014.

[10] Huang K P, Fey T K, Lin Y C, et al. Magnetic Impurity Effects on Self-discharge Capacity, Cycle Performance, and Rate Capability of LiFePO4/C Composites[J]. J Solid State Electrochem, 2017, 21:1767-1775.

[11] 胡佳佳, 許濤, 方雷. 鋰離子電池自放電影響因素及測量方法研究[J]. 電源技術(shù), 2017, 41(3):495-497.

[12] 恭誠, 周友元, 黃承煥等. 摻Sr制備高壓實(shí)型NCM523正極材料[J]. 礦冶工程, 2015, 35(5):121-124.

[13] 馬守龍, 楊茂萍, 劉興亮等. 涂碳鋁箔對LFP/C電池性能的影響[J]. 電池, 2017, 47(1):39-42.

[14] 謝曉華,李曉哲,李為標(biāo)等.PET基陶瓷隔膜的制備及性能研究[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào), 2016, 31(12):1301-1305.

[15] 李輝, 張?jiān)Ｖ? 鋰電池漿料超剪切分散機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 輕工機(jī)械, 2010, 28(6):28-31.

[16] 李東. 層疊式鋰電池制造中金屬極片的超聲波焊接工藝優(yōu)化方法[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2013.

[17] 譚偉, 李新宏, 李耀昌. 軟包鋰電池自動(dòng)真空注液系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2017, 46(8):61-63.

[18] 任志國, 彭昂, 張偉. 鋰離子電池一致性評價(jià)研究[J]. 船電技術(shù), 2015, 35(6):6-9.

[19] Ouyang M G, Zhang M X, Feng X N, et al. Internal Short Circuit Detection for Battery Pack Using Equivalent Parameter and Consistency Method[J]. Journal of Power Sources, 2015, 294:272-283.

[20] Byun S, Joonam P, Appiah W A, et al. The Effects of Humidity on the Self-Discharge Properties of Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2/Graphite and LiCoO2/Graphite Lithium-Ion Batteries during Storage[J]. RSC Adv., 2017, 7:10915-10922.

[21] Zhong L, Zhang C B, He Y, et al. A Method for the Estimation of the Battery Pack State of Charge Based on In-Pack Cells Uniformity Analysis[J]. Applied Energy, 2014, 113:558-564.

[22] 吳偉靜. 電動(dòng)汽車鋰動(dòng)力電池分選及成組技術(shù)研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2015.

[23] 郝曉偉. 純電動(dòng)汽車鋰離子電池組均衡策略研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2013.

[24] Lv J, Song W J, Lin S L, Chen M B, et al, Influence of Equalization on LiFePO4 Battery Inconsistency[J]. Int. J. Energy Res., 2017, 41:1171-1181.

[25] Rahimi E H，Ojha U, et al. Battery Management System: An Overview of Its Application in the Smart Grid and Electric Vehicles[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2013, 7(2):4-16.