輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）、國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院的研究人員楊帆、喬艷龍、甘德剛、王謙、陳偉，在2017年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，鋰離子電池大電流快速充電成為近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但大電流充電很容易在電池內(nèi)部引起嚴(yán)重極化，影響電池的性能與壽命。

　　本文研究不同充電模式對(duì)鋰離子電池極化特性的影響規(guī)律，首先，建立基于LiMn2O4/石墨電池的電化學(xué)-熱耦合瞬態(tài)計(jì)算模型，充分考慮充電過(guò)程中電池內(nèi)部的電化學(xué)過(guò)程和內(nèi)熱源實(shí)時(shí)變化，通過(guò)變電流充電時(shí)電池端電壓變化和電解液濃度的空間分布規(guī)律，研究電池內(nèi)三種極化的時(shí)變特性。

　　然后，研究不同恒流充電倍率下電池端電壓和極化電壓隨SOC的變化規(guī)律，提出表征電池極化程度和極化電壓對(duì)電池充電過(guò)程影響的變量PA與SOCc，定量分析不同充電條件下極化電壓對(duì)鋰離子電池充電過(guò)程的影響。最后，研究Reflex快速充電條件下極化電壓的變化規(guī)律，分析不同正向充電時(shí)間tch對(duì)電池極化及充電過(guò)程的影響，并給出了建議tch值。

　　結(jié)果表明，極化電壓受充電電流和SOC的直接影響，而其變化又直接影響電池端電壓的變化，Reflex快充方法能有效抑制電池極化，減弱其對(duì)充電的影響。

　　鋰離子電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量大、體積小、自放電率小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[1-3]。但是傳統(tǒng)的充電方法充電速度慢、充電時(shí)間長(zhǎng)[4]，使得鋰離子電池在許多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，特別是電動(dòng)汽車等需要快速充電的領(lǐng)域。

　　受目前技術(shù)條件的限制，快速充電主要靠增大充電電流實(shí)現(xiàn)。但是大電流快速充電會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部嚴(yán)重的極化現(xiàn)象。電池極化會(huì)抬高電池端電壓，造成電池充不滿電，延長(zhǎng)充電時(shí)間，嚴(yán)重極化還會(huì)引起電池嚴(yán)重發(fā)熱和負(fù)極表面鋰結(jié)晶等，影響電池安全和使用壽命[5,6]。

　　電池工作時(shí)，內(nèi)部平衡狀態(tài)被打破，端電壓偏離其平衡電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為電池極化[7]。電池極化是由電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)在電解液和正負(fù)電極中傳輸過(guò)程受阻引起的[8]。根據(jù)產(chǎn)生原因，極化可分為歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化三種。歐姆極化受電池內(nèi)部直流內(nèi)阻和電流的直接影響；電化學(xué)極化和濃差極化則受電池內(nèi)部電荷和離子傳輸?shù)挠绊懀兓鄬?duì)緩慢。

　　電池極化不可避免，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[9-11]根據(jù)電池的阻抗特性和極化特性建立了基于電路的等效模型，研究了極化電壓對(duì)電池端電壓的影響。A.Nyman等[12]從電化學(xué)的角度分析了極化電壓的產(chǎn)生原理，依靠擴(kuò)散方程建立了固-液之間和溶液內(nèi)部離子運(yùn)動(dòng)方程，準(zhǔn)確計(jì)算出電池充放電過(guò)程中離子流的大小，得到了電池極化電壓的變化趨勢(shì)。

　　北京理工大學(xué)王震坡等[13]以優(yōu)化鋰離子電池的充放電控制策略為目標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了荷電狀態(tài)（StateofCharge,SOC）電池荷電量與其額定容量之比）、充放電倍率、充放電方式和環(huán)境溫度等因素對(duì)極化電壓的影響規(guī)律。

　　北京交通大學(xué)姜久春等[14]提出了基于極化電壓時(shí)間常數(shù)的優(yōu)化充電方法，有效地平衡了充電速度、極化電壓和溫升之間的關(guān)系。基于此優(yōu)化充電方法，可在33min內(nèi)將電池SOC由0.2充到0.8。

　　中南大學(xué)湯依偉等[15]通過(guò)一維電化學(xué)模型開(kāi)展了鋰離子電池放電過(guò)程擴(kuò)散極化的仿真研究，結(jié)果顯示，減小活性物質(zhì)顆粒大小和電極厚度可大大減小擴(kuò)散極化。

　　本文首先建立基于LiMn2O4/石墨的鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合瞬態(tài)數(shù)值仿真計(jì)算模型，研究了變電流充電、恒流充電和Reflex快速充電三種充電模式下鋰離子電池的極化特性。根據(jù)充電過(guò)程中電池極化電壓和端電壓變化規(guī)律，提出了表征電池極化和極化對(duì)電池充電過(guò)程影響的變量PA和SOCc，定量分析了不同充電條件下電池的極化電壓水平及其對(duì)充電過(guò)程的影響。

　　結(jié)論

　　通過(guò)電化學(xué)-熱耦合模型分析了鋰離子電池在不同充電模式下的極化特性及其對(duì)充電過(guò)程的影響。主要結(jié)論如下：

　　1）電池極化可以從電池的充電曲線和內(nèi)部電解液濃度的變化上體現(xiàn)出來(lái)。歐姆極化為瞬時(shí)變化，而電化學(xué)極化和濃差極化為緩慢變化。

　　2）極化電壓受SOC和充電電流密度的直接影響，隨電流密度的增大而增大，并在整個(gè)恒流充電過(guò)程中隨SOC呈弓形變化。

　　3）恒流充電的平均極化電壓PA越大，電池產(chǎn)熱越多，極化對(duì)電池充電過(guò)程的影響越大，充電到截止電壓時(shí)充入的電量越少。

　　4）Reflex快充能有效抑制電池極化，提高電池的可利用容量，且溫升也能得到較好抑制。為了達(dá)到較好的去極化效果，正向充電時(shí)間tch不宜超過(guò)電化學(xué)極化的建立時(shí)間。

　　大規(guī)模鋰離子電池管理系統(tǒng)