电池电压与极化产生原理
电池电压与极化产生原理
电池电压与极化是电化学领域的重要概念，尤其在锂离子电池技术中具有关键作用。本文将从基本原理出发，深入探讨电池电压的产生机制以及极化现象的成因和影响因素，帮助读者建立对这一复杂过程的全面理解。
锂离子电池电压产生
当把金属插入其盐溶液中时，会出现两种倾向：
金属原子内部处于热运动的金属离子在极性水分子的作用下有离开金属表面溶解进入盐溶液而将自由电子留在了金属表面的倾向。此时金属表面带负电。金属越活泼这种倾向就越大。
盐溶液中的金属离子由于受到金属表面自由电子的吸引而在金属表面沉积的倾向。即盐溶液中的金属离子有从溶液中沉积到金属表面的倾向。此时金属表面带正电。金属越不活泼或溶液中金属离子的浓度越大，这种趋势也越大。
当溶解与沉积的速率相等时，即达到动态平衡：
电极电势
电极电势是电极中极板与溶液之间的电势差。由于在溶解与沉积达到平衡时，形成了“双电层”，从而在金属表面和其盐溶液之间产生了电势差，这种电势差叫电极的平衡电极电势，简称电极电势。金属的活性不同，其电极电势也不同。标准氢电极作为标准电极，并人为地规定标准氢电极的电极电势为零。电极电势数值反映了金属在其盐溶液中得失电子能力的大小，代数值越小，金属越活泼。
电流
用两种活性不同的金属分别组成两个电极电势不等的电极，并将这两个电极组成原电池，就能产生电流。电流由电极电势高的一端电极流向电极电势低的另一端（即电流由正极流向负极）。
电压
电池的理论标准电压由正极和负极的标准电极电势之差来确定：
为了得到电池工作时其在完全充电状态下的实际开路电压的真实估测值，电池的理论电压由能斯特方程修订：
其中，Q= α产物/α反应物是化学系数，适用于所有的电池反应， R 是气体常数( 8.31J/kmol)。
全电池电压
全电池电压是由正负极两个半电池电压相减得到的。
锂离子电池的极化
极化
电流通过电极时，电极偏离平衡电极电势的现象，通俗来说就是电流移动的速度大于电极反应的速度；阳极电位向正移，阴极电位向负移，从而减小了电位差。根据极化产生的原因可以将极化分为欧姆极化、浓差极化和电化学极化。
欧姆极化
由电池连接各部分的电阻造成。其压降值遵循欧姆定律，电流减小，极化立即减小，电流停止后立即消失。
电化学极化
由电极表面电化学反应的迟缓性造成极化。随着电流变小，在微秒级内显著降低。
浓差极化
由于溶液中离子扩散过程的迟缓性，造成在一定电流下电极表面与溶液本体浓度差，产生极化。这种极化随着电流下降，在宏观的秒级几秒到几十秒上降低或消失。
影响极化的因素（电池内部影响）
电解液对极化的影响
电解液电导率低是锂离子电池极化发生的主要原因，改善电解液大倍率放电能力的途径之一即为提高电解液的导电能力。
正负极材料对极化的影响
正负极材料颗粒大锂离子扩散到表面的通道加长，增大了极化作用，可通过纳米化途径解决。
导电剂对极化的影响
导电剂含量减少时，极化内阻迅速增大，使电池的电压很快降低到放电截止电压。
SEI 膜对极化的影响
SEI 膜的形成增加了电极电解液界面的电阻，造成了电压滞后。
极片厚度对极化的影响
极片厚度增加使锂离子扩散路径增大，产生较大的浓差极化。
压实密度对极化的影响
压实密度较大时，材料与电解液接触减小，产生浓差极化和欧姆极化。
影响极化的因素（电池外部影响）
SOC对极化的影响
电池在充电和放电过程中,10%~80%SOC极化电压比较小变化不大。当充电>80%SOC和放电<10%SOC，极化电压在短时间内急剧的增长，最高可达到将近300mV。
充电倍率对极化的影响
充电倍率越高，电池内部反应越剧烈，离子的迁移速度加剧，极化电压值增加就越快，可充入的电量较少。过高倍率的充电，内部离子的扩散速度短时间内不能满足该电流生成的要求，电子会大量聚集在极柱附近，电压急剧上升。如果时间过长，就会造成锂的结晶 加速电池容量的衰减。
温度对极化的影响
电池在SOC<30%时，开路电压受温度变化比较明显。温度越低，开路电压就越高。当 30%<SOC<80%时，开路电压变化趋于平缓，数值变化不大。随着温度的升高，电池的活性增强，极化电压变化缓慢，可用的容量值会有小幅度的增长；在低温条件下电池的极化电压幅值比较大，而且存在明显的累计现象，导致可充入容量会迅速减少。SOC 越大差距、温度越低，极化电压的累计现象就越严重。