锂电池交流（Ac）阻抗与直流（DC）内阻的区别

在锂电池的研究和应用中，内阻是一个重要的参数，它反映了电池内部的能量损耗和电化学反应的状态。内阻主要分为直流内阻（DC Resistance）和交流阻抗（AC Impedance）。本文将详细介绍锂电池交流阻抗与直流内阻的区别。

一、定义和测量方法

1. 直流内阻（DCR）：直流内阻是指在工作条件下，电池的电压变化与相应的放电电流变化之比。它通常用欧姆（Ω）来表示，可以通过专用的电池内阻测试仪或万用表的电流档配合电压档进行测量。

2. 交流阻抗（AC Impedance）：交流阻抗是通过在电池正负极注入正弦波电流信号，同时在另外两端检测得到正弦波电压信号，进而推导出电池的交流阻抗。

二、特点

1. 直流内阻测量的特点：适用于大容量电池：此方法需要施加较大的测试电流（40-80A，2-3 秒），小容量电池可能无法承受。测试时间短：大电流会导致极化内阻，因此测试时间必须短，以避免对电池造成过大的影响。存在损耗：大电流测试可能会对电池造成一定的损耗。

2. 交流内阻测量的特点：测试时间短：交流内阻测量只需施加固定频率和电流（目前为 1KHz，50mA），采样电压，经过整流、滤波处理，通过运算电路计算出阻值，整个过程只需 0.1 秒。适用于各种电池类型：由于测试电流较小，几乎不会对电池造成损耗，因此适用于几乎所有电池类型。精度相对较低：交流内阻测试方法的精度为 1%-2%，不如直流内阻测试方法准确。

三、反映的信息

1. 直流内阻：直流内阻更直接地反映了电池内部的欧姆阻抗，包括电极材料、电解液、隔膜等部分的电阻。它可以提供关于电池内部导电性能的信息。

2. 交流阻抗：交流阻抗除了包含欧姆阻抗外，还能反映电池内部的电化学反应阻抗。半圆部分与电解质与电极材料界面上的电荷转移有关，而低频部分则与锂离子在电解质和正负极材料中的扩散有关。交流阻抗可以提供更全面的电池电化学反应信息。

四、应用场景

1. 直流内阻：直流内阻常用于评估电池的功率性能和在实际使用中的性能表现。它对于电池的放电能力、充电效率等方面具有重要意义。

2. 交流阻抗：交流阻抗在电池的研发、质量控制和电化学分析中有广泛应用。它可以帮助研究电池的电化学反应机制、界面性能以及老化过程。

五、温度、荷电状态和充放电状态的影响

1. 温度：温度对锂电池的内阻有显著影响。一般来说，随着温度的降低，电池的内阻会增大。这是因为低温下离子传输和电化学反应速率变慢。

2. 荷电状态（SOC）：电池的荷电状态也会影响内阻。在放电过程中，随着放电深度的增加，内阻通常会增大。这是由于电池内部电化学反应的变化和电极结构的变化导致的。

3. 充放电状态：充放电状态也会对内阻产生影响。例如，在充电过程中，电池内阻可能会有所增加，而在放电过程中，内阻可能会减小。

六、综合考虑

在实际应用中，通常会综合考虑直流内阻和交流阻抗的测量结果，以更全面地了解电池的性能。直流内阻能更真实地反映电池内各种电阻和电容的叠加值，而交流阻抗则提供了关于电化学反应的更多信息。同时，结合温度、荷电状态等因素的分析，可以更准确地评估电池的健康状况和性能。

七、总结

锂电池的交流阻抗和直流内阻在定义、测量方法、特点和反映的信息等方面存在明显区别。了解这些区别有助于我们选择合适的测试方法，并正确解读测试结果，从而更好地评估锂电池的性能和状态。在实际应用中，根据具体需求和条件，可以选择使用直流内阻测试或交流阻抗测试，或者结合两者进行更全面的分析。

文章来源：锂电池技术知识平台

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锂电池在不同倍率循环下的阻抗特性分析！

根据测量方法的不同，锂离子电池内阻分为直流内阻和交流内阻。 电池直流内阻的研究更有实际意义，因为它包含了欧姆阻抗、电化学极化阻抗、浓差极化阻抗 等各部分的影响。在电池的使用过程中，随着电池的老化，内阻也随之发生变化，不同的老化因素会导致不同的内阻变化，因此可以用内阻作为参数来表征电池的寿命，分析电池老化的原因。

为了表征内阻的变化以及不同阻抗在内阻中的贡献，广泛采用电化学阻抗谱(EIS) 技术研究锂离子电池阻抗及电池老化过程中的阻抗变化。作为无损测量技术，EIS测试可以在电池的整个生命周期进行，不需要对电池进行拆解就可以诊断电池的健康状态SOH、SOC、内部温度等信息，辨识电池老化过程中的阻抗演化规律，对于电池的优化设计提供数据。此外，EIS数据可以为等效电路模型辨识模型参数，确保电池管理系统能够准确预测电池的状态，为电池提供更合理的使用策略。

本文研究目的是采用高镍-石墨锂离子电池，考察电池在0.5C、1C、2C和阶梯充电等充放电策略的循环性能，测试循环过程中的电池直流内阻，并采用EIS测量不同循环次数的阻抗，探究电池老化过程中内阻变化规律，通过电池阻抗的变化来分析电池可能的老化原因。

1 实验

1.1 软包电池制作

本文研究中所用电池为叠片软包电池，正极采用NCM811材料，负极采用石墨材料。由于要测试4种不同倍率充放电循环，电池相对应的编号为1#，2#，3#，4#，电压使用区间2.5~4.2V，电池的相关信息见表1。

1.2 循环测试流程

循环测试流程：电池放置在恒温箱内测试，恒温25℃，采用Arbin BT-2000电池测试系统进行测试。4 种充放电策略如下：

策略1充电：0.5C恒流充电至4.2V，恒压充电至截止电流为0.05C，静置20min；放电：0.5C恒流放电至2.5V，静置20min。

策略2充电：1C恒流充电至4.2V，恒压充电至截止电流为0.05C，静置20min；放电：1C恒流放电至2.5V，静置20min。

策略3充电：2C恒流充电至4.2V，恒压充电至截止电流为0.05C，静置20min；放电：2C恒流放电至2.5V，静置20min。

策略4充电：0~10%SOC，1C恒流充电；10%~40%SOC，2.9C恒流充电；40%~50%SOC，2.4C恒流充电；50%~60%SOC，2.0C恒流充电；60%~80%SOC，1.5C恒流充电；80%~100%SOC，1C恒流充电至4.2V，恒压充电至截止电流为0.05C；充满电后静置20min；放电：1C恒流放电至2.5V，静置20min。

以上4种策略重复进行循环充放电至电池容量保持率为80%。

1.3 EIS和直流内阻测试流程

电池在进行不同策略循环过程中，4种策略每循环200次进行一次EIS测试和直流内阻测试。将电池放置在恒温箱内测试，恒温25℃，电池调整到SOC=50%后静置4h再进行EIS测试，采用恒电位测量方法，交流电压为1.5mV，频率范围为：10mHz~100kHz，测试设备为Gamry30KB OOS TER。

直流内阻测试流程为：将电池放置在恒温箱内测试，恒温25℃，电池调整到SOC=50%后采用1C电流放电15s，通过放电前后电压计算直流内阻。

2 结果与讨论

2.1 不同倍率的循环性能

在温度为25℃，采用4种不同循环策略条件对电池进行了近2000次循环测试。图1是电池在4种循环策略下的放电容量保持率。图2是每200次循环在0.33C倍率下测试的放电容量保持率。图2在0.33C标定的容量衰减趋势与图1一致。从图1可以看出，1#电池在0.5C倍率下循环1300次后，容量保持率为81.2%；2#电池在1C倍率下循环到1300次，容量保持率为82.8%；3#电池在2C倍率下循环到1300次，容量保持率为89.4%；4#电池在阶梯充电策略下循环到1300次，容量保持率为89.6%。

循环测试结果表明，1#电池在0.5C倍率循环时电池容量衰减速率最快，3#电池在2C倍率循环和4#电池阶梯充循环容量衰减速率接近，电池在这两种策略下循环性能最好，2#电池在1C倍率循环时比2C衰减快，但比0.5C衰减慢，也就是电池循环倍率越小，容量衰减速率越快。造成这种趋势的原因如下：首先，在低倍率循环时，电池单次循环充放电的时间更长，比如0.5C充放电的时间为1C的两倍，所以按循环次数来对比的话，表观上表现出低倍率循环性能更差，如果按电池使用时间来对比，低倍率循环的电池寿命更长。

其次，由于电池循环的进行，电池的内阻也会增长，充放电时的极化会增大，因此电池在高倍率充电时，电池的充电电压很快就会到达截止电压4.2V，负极材料不会完全嵌锂，正极材料不会完全脱锂，活性材料结构会更稳定，有利于延长材料寿命，容量衰减会变缓；同样放电时，高倍率的放电电池电压会快速下降到截止电压2.5V，电池的放电深度较小，同样有利于延长材料寿命，容量衰减也会变慢，也就是电池在高倍率下类似于浅充浅放，因此对于电池的寿命更有利。

2.2 EIS分析

图3是电池在不同循环次数的电化学阻抗谱的测试结果，从图中可以看出，循环前期尤其是前600次循环，阻抗谱图中的半圆弧在减小，这部分与电化学反应时的电荷转移阻抗相关，这意味着循环前期电荷转移阻抗呈下降趋势，导致电池总阻抗下降，这与直流内阻的测试结果一致。电池循环到600次后，电池阻抗开始增加，循环至容量保持率80%附近时，可以看出阻抗的增加非常明显。

图 3 不同循环策略循环过程中的电化学阻抗谱

采用如图4所示的等效电路模型分别对电池循环前和循环400次的电化学阻抗谱进行拟合，主要目的就是通过拟合来研究电荷转移阻抗的变化，拟合结果见表2。从拟合结果可以看出，电池在4种循环策略进行循环充放电时，在400次循环的电荷转移阻抗相比循环前降低，这也导致了图5中直流内阻的减小。

2.3 直流内阻分析

图5是电池在4种循环策略循环过程中的直流内阻测试结果，结果表明在不同循环策略时，前600次循环电池都表现出内阻略有下降，不同策略的电池内阻相差不大，从600次后，随着循环的进行，内阻呈持续增加的趋势，说明电池的极化越来越大。

从图5中可以看出，从1000次循环开始，电池内阻增长速度变快，根据内阻增长值排序依次为2#(1C)>3#(2C)>1#(0.5C)>4#(阶梯充)。图6为电池在4种循环策略条件下第1000次循环的电化学阻抗谱。从图6可以看出，4种不同循环策略电芯的电化学阻抗谱中半圆弧大小依次为：1#>2#>4#>3#，这部分与电化学反应时的电荷转移阻抗相关，不同循环倍率下的电荷转移阻抗差别较大，尤其是在0.5C循环的1#电芯电荷转移阻抗最大。

根据文献，电池内阻主要包括电子阻抗、离子阻抗、接触阻抗、电荷转移阻抗。根据图5的直流内阻数据，对于本文的电化学体系电池，可知循环后期(1000 次后)电荷转移阻抗并非直流内阻中决定因素。一般来说，循环过程接触阻抗不会有较大的变化，因此本文中直流内阻随循环的进行应该与电子阻抗和离子阻抗相关。电子阻抗与极片的导电网络相关，而离子阻抗与极片的孔隙率和电解液的电导率相关。电池在不同倍率循环后，极片状态差异较大。在较大倍率循环时，活性材料在脱嵌锂的过程中所受的应力较大，可能会导致活性材料和极片发生破裂，破坏导电网络，影响电子导电；如果极片发生破裂或者电解液在极片表面发生副反应，会导致极片孔隙率的降低，影响锂离子在极片中的迁移，进而影响离子导电。

结合图1和图5来看，循环后2#电池的容量衰减速度快、内阻增长明显，说明在1C循环后，极片劣化严重，而3#和4#由于充放电深度比1#电池要小，极片的劣化会减缓，该规律与文献中的研究一致。由于1#电池在较低的倍率下循环，活性材料在脱嵌锂的过程中所受的应力较小，活性材料和极片发生破裂的程度不严重，内阻的增长可能与 SEI膜和CEI膜的增厚相关性较大。

3 结论

本文采用三元体系电池研究在0.5C，1C，2C和阶梯充下的循环性能，根据测试结果按照循环次数进行对比，电池在2C和阶梯充电策略的循环性能最好，2C循环1900次后容量保持率为78.6%；在阶梯充电策略下循环到1800次，容量保持率为79.2%。同时在循环过程中还测试了电池的直流内阻与EIS，从直流内阻数据可以发现随着循环的进行，内阻呈先略下降再增长的规律，并且阶梯充电的内阻增长最小。通过EIS的研究，电池阻抗随循环的进行与直流内阻保持一致的规律，即先下降后增长。通过本文研究可以发现，阶梯充电是比较合适的充放电策略，既能保证较快的充电速度，同时还能延缓电池的衰减。

文献参考：史金涛, 余传军, 李倩. 锂离子电池在不同倍率循环的阻抗特性研究[J]. 电源技术, 2021, 45(11):4.