锂离子电池一致性问题研究①

倪涛来，宫璐，向兴江，宫本佳和

(合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽 合肥 230011)

随着社会的不断发展，传统能源危机不断加深，大气污染日益严重。为解决这一问题，人们减少传统化石燃料的使用，努力提高能源的利用率，积极开发清洁可再生能源。近年来，电动汽车采用锂离子电池作为动力能源，与传统汽车相比，因其可实现零排放、具有较高的能源利用率等优点，得到了迅猛的发展。而锂离子电池作为电动汽车的核心部分，直接影响电动车的续航里程和工作效率。

基于现阶段的电池制造技术，单体电池还不能满足电动汽车的性能需求，因此，一般将电池进行串并联成组使用[1]。由于电池原材料、生产工艺等差别，电池容量、电压、内阻等性能存在差异，使得电池组性能达不到单体电池水平，使用寿命远短于单体电池，影响电动汽车的使用[2]。因此，对锂离子电池一致性问题的研究对延长电池组的使用寿命、提升电动汽车的性能具有重要意义。

本文主要从锂离子电池一致性的差异体现、追溯差异来源和目前提升电池一致性的改善措施三个方面阐述一致性问题的研究进展。

1 一致性差异体现

单体电池性能差异主要体现在初始状态和存储过程变化两个方面。

初始状态包括容量、电压、内阻等。

电池容量不一致会导致“短板效应”[3]：即在正常放电过程中，容量低的电池放电完成后，其他电池电量还未放完，电池组不能发挥出剩余性能，若是继续放电会造成容量低的电池过放电，影响该电池寿命，从而使电池组过早失效；在充电过程中，容量低的电池先充满电，若保证其他电池也充满电，会导致容量低的电池过充，在电极表面长出锂枝晶，枝晶会刺穿隔膜导致电池短路甚至爆炸。

电池组是由单体电池串并联组合而成的，在串联电路中，电流相同，充电时，内阻大的电池充电电压也较大，因此会导致内阻大的电池提前充满电；放电时内阻大的电池产生热量多，电池温度升高会引起安全隐患。在并联电路中，电压相同，不同内阻通过的电流不同，因此充放电电流不同，倍率不同，充放电的速度也不相同[4]。

电压不同时，并联电路中的电池趋于电压一致，因此会造成电压高的电池给电压低的电池充电，该过程会损失电池组的能量，导致向外输出能量降低[5]。在使用过程中，一般采用恒流充放电，但随着容量逐步衰减，在电流不变的情况下，实际电流倍率变大，从而导致电池性能进一步恶化[6]。

2 一致性差异来源

锂离子电池制造工艺复杂，工序繁多，包括合浆、涂布、辊压分切、制片、卷绕、组装、注液、化成和分容等。制造过程的各个工序都影响着电池的性能，各工序的误差累积是造成单体电池性能差异的主要来源。

罗雨等[7]研究了锂离子电池生产制造工艺对电池一致性的影响，重点探讨了混料搅拌、涂布和辊压制备过程，分析了制片过程中的微小差别对电池性能的影响：搅拌效果影响浆料的分散均匀性，决定了能否进行涂布；涂布厚度、面密度和涂覆尺寸以及烘箱风量风压、温度参数都影响着涂布质量；辊压压实大小影响离子传输和电子导电性。实例说明：正常情况下辊压机厚度偏差为3μm，若压辊水平度异常辊压后极片厚度偏差可能超出7μm，直接影响电池一致性。因此制片工艺参数对一致性有着重要的影响。

安富强等[8]探究了老化程度(循环0圈～500圈)、电流(0.2 C，1.0 C，2.0 C)和温度变化(10℃，25℃，55 ℃)对电池一致性的影响。结果显示，即使初始一致性良好的电池再经过长时间的寿命测试之后，也出现了性能衰减不一致的现象。在较大放电倍率下，电池一致性恶化明显。温度对锂离子电池性能影响很大，主要表现为温度高低和温度分布均匀性。高温会使电池内部发生不可逆反应，加快电池寿命衰减；低温导致电解液导电率降低，Li+扩散能力降低，内阻升高[9]。

在存储过程中，单体电池的自放电率不同也是导致电池组容量不匹配的重要原因[10]。自放电的影响因素较多，包括正负极与电解液反应、制成中掺入杂质造成电池微短路等[11]。

3 改善方法

电池组中单体电池差异是绝对存在的，但是我们可以减小差异，缓解电池不一致问题。目前，针对一致性问题的改善方法主要分为三个方面：

3.1 优化制造工艺，提高制造过程水平

3.1.1 原材料改进

原材料的性能对电池性能和一致性具有重要影响，例如正负极材料的配比、粒径、孔隙率等。选择纯度高、易加工、性能好的电极材料可有效改善制作水平、提高电池一致性。

恭诚等人[12]采用高温固相烧结法合成高压实NCM523正极材料，再掺入Sr元素，结果显示掺杂后的材料一次颗粒和晶胞体积变大，压实密度比未掺杂样品提高7.2%，体积能量密度提高8%，循环100周容量保持率94.2%。

马守龙等[13]研究了涂碳铝箔作为集流体对磷酸铁锂LiFePO4/C正极材料及电池性能的影响。结果显示，涂碳铝箔电荷转移电阻比光箔低65%以上，扩散速率是光箔的3倍，功率密度涨幅大于35%。因而，采用涂碳铝箔作为正极集流体可以降低电荷转移电阻，提高Li+的扩散速率，从而提升电池的性能。

隔膜在锂离子电池结构中起电子绝缘、离子导电防止电池短路的作用，对电池安全性具有重要影响。谢晓华等[14]用浸涂法在对苯二甲酸乙二醇酯(PET)隔膜上同时涂覆了不同粒径的SiO2和Al2O3，研究了使用该陶瓷隔膜电池的电化学性能：100 次循环后的容量保持率为 93.9%， 10C 电流下仍具有 82.7mAh/g 的容量，与商业聚丙烯隔膜相比，表现出更优异的综合性能。

因而，研究使用具有优异性质的原材料，可以改善电池的性能和一致性。

3.1.2 过程优化

锂离子电池制造过程复杂，每个工序的误差累计成最终电池性能差异。因此过程控制十分重要，对每个过程进行优化可提高产品一致性。

锂离子电池浆料是否分散均匀直接影响电池品质。目前电池厂商广泛采用行星搅拌机或螺旋式混合搅拌机。这种合浆分散方式仍然存在混合不彻底、工作效率低等问题。李辉等人[15]为提高锂电池浆料的分散效果，研究了锂电池浆料特性和超剪切分散机理。采用高精密超剪切分散设备进行合浆，结果表明超剪切分散可以有效提高浆料的分散品质和合浆效率。

超声波焊接是重要的电池组装步骤，例如极耳预焊、盖板焊和封口等。但由于材料属性、材料厚度和能量的影响，焊接过程容易出现虚焊、过焊等问题，影响生产效率和产品品质。李东等[16]研究了铝/铜极片超声波焊接面积、压力、时间等参数对焊接过程工件摩擦产热和塑性变形等影响，结果显示：当焊头形貌为面积33.65mm2，齿深0.31mm时；铜与铝的连接效果最佳，继而采用焊接压力为1.52kN，振幅24.4μm，持续0.067s时，焊接质量最高。本研究优化了焊接工艺参数，提高焊接接头质量，从而提高焊接过程一致性，提升产品品质。

注液是锂离子电池制作过程重要工序，注液量直接关系到电池容量和安全性能。注液太多，电池易渗漏，注液太少，会降低容量，甚至有可能引起电池局部过充导致爆炸。因此保证注液精度十分重要。谭伟等[17]针对注液机的注液精度低问题，研究采用了真空注液、优化机械结构和软件系统，实现自动注液工艺，不仅减少了人工浪费，改善环境污染，还保证了注液精度，减少电解液浪费，提高了电池质量。

另外，采用自动化程度高及精度高的生产线，不仅可以提高劳动效率、改善工人劳动环境，还可以节约材料、降低能耗并且大大降低生产过程中由于人为接触造成的污染和人为操作的随机性导致的电池不一致，从而提升产品品质。

3.2 电池分选

不论是改进生产设备还是提高生产制备工艺，都会大大增加生产成本且需要长时间实现。基于现有条件，采用合适的分选方法是提高电池组一致性的有效方法。电池分选技术是为了减小电池组中单体电池的不一致性，以提高电池组的容量使用率和循环寿命的，而采用的按照一定原则选取性能相近的电池成组使用的方法。

评价单体锂离子电池初始性能一致性的方法有：单参数分选法、多参数分选法和动态特性分选法。

3.2.1 单参数分选法

针对单体电池的分选参数有容量、电压、内阻和自放电特性[18]。

容量是电池性能的一个重要参数，根据单体电池的容量分布情况进行一致性评价，操作简单、易于实现，但是在实际使用过程中，容量受工作状态和外界环境影响，因此，不能保证按照指定条件筛选出的容量一致的电池在实际充放电过程中的容量一致性。电压分选法分为开路电压分选和工作电压分选。工作电压分选相对开路电压法多考虑了电池工作时的电压，但同样没有考虑电池放电时间、容量等参数的影响。

锂离子电池的内阻包括欧姆内阻和电化学反应引起的极化内阻。内阻可直接测量，但是由于内阻差异较小，测量设备的精度和准确性会影响电池分选质量[19]。自放电率是锂离子电池的一项重要性能指标。在原材料和制程基本相同的情况下，极少数单体电池表现出较大的自放电率，可能是由杂质、毛刺刺穿隔膜引起微短路等原因引起的[20]。在长期存放或使用过程中，自放电大的电池性能恶化较一般电池严重。因此通过自放电分选可提前剔除问题电池，保证配组电池的一致性。

单参数分选法简单方便，但单一的参数不能全面反映电池性能，因此分选效果较差。

3.2.2 多参数分选法

多参数分选法，即选取多个特征参数对电池进行分选的方法。多参数分选可多方面缩小电池不一致性，分选效果较好，是目前动力电池分选方法中较为准确的方法[21]。

3.2.3 动态特性分选法

动态特性分选法是指对电池的充放电曲线特征进行分选的方法。相比于容量、电压、内阻等静态特征，充放电曲线可动态表征电池特性，从而更全面的反映电池特性。但是，该方法耗时长、数据量大，且单一倍率下的一致性不适用于电动汽车复杂的工况[22]。

尽管目前电池分选技术仍存在缺陷，但基于现有制造工艺水平，对缩小电池差异、延长电池组寿命具有重要的意义。然而，分选技术只能减小单体电池间初始状态差异，在电池组使用过程中，不同的温度、倍率、自放电率等都会导致电池组一致性变差[23]。

3.3 电池管理系统(BMS)

提高制造水平和采用分选技术都是在电池组使用前减小电池间差异。在电池组使用过程中遇到的不一致性问题，可以通过BMS对电池组状态进行控制，以抑制电池性能差异的放大。BMS可以准确估测SOC，进行动态监测，实时采集电池的端电压、温度、充放电电流，防止电池发生过充或过放现象，并对电池组进行均衡管理，使单体电池状态趋于一致，从而能在电池使用过程中改善电池组的一致性问题，提高其整体性能，并延长其使用寿命[24]。

Rahimi等[25]阐述了提高BMS性能对电池安全可靠性的重要性。电动汽车对深充/放电保护和精确充电状态(SOC)及健康状态(SOH)估计等需求，要求BMS必须用精准的算法来测量并估计电池的功能状态，用最先进的方法避免电池出现危险和失效工况，其中最有前景的是用dc/dc转换器均衡模块中电池电量，即电量高的电池将额外电量传递给低电量电池，根据模块中电池能量的分布情况采用不同的均衡技术。

4 结语

本文针对锂离子电池一致性问题的表现，探讨了问题的来源，并详细阐述了改善措施：首先，提高电池一致性从根本上要提高制造工艺水平；其次，电池使用前要采用合适的分选技术进行挑选配组，以减少电池组中单体电池的初始性能差异；另外，在电池使用过程中，通过BMS控制电池组状态，减小电池性能差异。

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