鋰離子電池測(cè)試過程的誤差分析

做過鋰電的朋友都被扣電結(jié)果的“差異性”所折磨過；部分動(dòng)力電池企業(yè)將電池送外檢測(cè)，不同結(jié)構(gòu)給出的結(jié)果往往也存在差異，更別提測(cè)試過程出現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)波動(dòng)等異常。
測(cè)試表征是鋰離子電池研究中的重要一環(huán)，測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性極為重要。鋰離子電池從工作原理角度就注定了其容易受到溫度、壓力等因素的影響，因此其測(cè)試表征極易出現(xiàn)誤差和不確定性結(jié)果。在企業(yè)，很多測(cè)試異常往往成了無頭尸案，最后都不了了之了，很少有人注意細(xì)節(jié)想去刨根問底把原因弄清楚。

針對(duì)鋰離子電池測(cè)試過程中易出現(xiàn)誤差和不確定性這一現(xiàn)狀，最近來自英國(guó)華威大學(xué)(University of Warwick)的James Taylor等從研究人員的差異性、接線的差異性和溫箱的差異性出發(fā)，對(duì)誤差出現(xiàn)的原因進(jìn)行了細(xì)致分析并提供了解決方案，成果以An insight into the errors and uncertainty of the lithium-ion battery characterisation experiments為題發(fā)表在Journal of Energy Storage上。
亮點(diǎn)：從細(xì)節(jié)入手，對(duì)鋰電測(cè)試表征中常見的誤差和不確定性進(jìn)行了分析，態(tài)度發(fā)人深思。

圖文淺析:作者依次從(1)研究人員不同導(dǎo)致的結(jié)果差異性、(2)接線方式帶來的結(jié)果差異性和(3)不同溫箱導(dǎo)致的結(jié)果差異性出發(fā)對(duì)鋰離子電池測(cè)試表征中出現(xiàn)的誤差和不確定性進(jìn)行了分析，具體如下所述。

1研究人員不同所帶來的結(jié)果差異

圖1 20 Ah電池50%SOC脈沖功率測(cè)試譜圖 表1 四名研究人員對(duì)相同8個(gè)電池進(jìn)行脈沖功率測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

圖2 四名研究人員對(duì)相同8個(gè)電池進(jìn)行脈沖功率測(cè)試結(jié)果對(duì)比

首先，作者準(zhǔn)備了8個(gè)容量20 Ah的鋰離子電池，依次讓四名不同的研究人員利用相同的測(cè)試設(shè)備對(duì)該8個(gè)電池按照IEC 62660-1規(guī)定的脈沖功率測(cè)試要求(如圖1)進(jìn)行測(cè)試。如表1所示，脈沖功率測(cè)試得到的內(nèi)阻標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.5-0.8%區(qū)間，表明電池本身的一致性和四名不同研究人員實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性是很好的。但如表1最后一列所示，對(duì)同一塊電池，四名研究人員測(cè)試內(nèi)阻的偏差高達(dá)4%，四名研究人員測(cè)試結(jié)果的不同在圖2中可以明顯觀察到。

表2 經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后四名研究人員對(duì)相同8個(gè)電池進(jìn)行脈沖功率測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖3 經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后四名研究人員對(duì)相同8個(gè)電池進(jìn)行脈沖功率測(cè)試結(jié)果對(duì)比

作者認(rèn)為四名不同研究人員對(duì)同樣8塊電池測(cè)試結(jié)果存在較大偏差的原因主要有兩點(diǎn)：1.不同人員接線時(shí)力道不同，導(dǎo)致電池tab同導(dǎo)線連接處的接觸電阻存在差異。接觸電阻本身較小，當(dāng)測(cè)試的電池為小內(nèi)阻的高功率電池時(shí)，接觸電阻的影響就不容忽視了；2.連接線氧化且連接前未及時(shí)清理干凈，導(dǎo)致接觸電阻存在差異(注：連接線銹蝕相信做過電化學(xué)測(cè)試的朋友都有印象)。 隨后作者對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化：將連接的力矩固定在12.5 N/m，用鍍金的連接塊替換原來的普通連接塊。然后再讓以上四名研究人員在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件下重新對(duì)該8塊電池進(jìn)行測(cè)試。如表2和圖3所示，與優(yōu)化前不同測(cè)試人員結(jié)果偏差高達(dá)4%左右相比，優(yōu)化后該偏差降低至0.4%左右，低于電池本身的差異性，測(cè)試結(jié)果的集中度大大提高，已無法區(qū)分人員間的差異性。以上結(jié)果也提醒我們測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件，盡可能消除可能帶來測(cè)試結(jié)果偏差的因素。

2 接線方式不同導(dǎo)致的測(cè)試偏差

圖4 (a)連接塊結(jié)構(gòu)；(b)將電壓線布置在頂部；(c)電壓線和電流線絞合后再連接
電池電化學(xué)性能表征時(shí)一般都有電壓線和電流線，除了上文所述的連接接觸電阻外，作者認(rèn)為電壓線和電流線的布置方式對(duì)結(jié)果也會(huì)有影響。最典型的例子如圖4b和圖4c所示，圖4b中電壓線布置在連接塊結(jié)構(gòu)的最頂部(top)，而圖4c中電壓線則是同電流絞合在一起(crimped)后再進(jìn)行連接。以上兩種連接方式都是在日常測(cè)試中經(jīng)常能見到的。

圖5 電壓線布置在不同位置電池1 C放電曲線和靜置過程電壓回升曲線(注：圖中橫坐標(biāo)單位Ah貌似有誤，單位是s才能解釋通) 如圖5所示，當(dāng)電壓線布置在不同的位置時(shí)，電池的放電曲線也存在差異。電壓線監(jiān)測(cè)的是開路電壓，外電阻越大放電時(shí)越快達(dá)到放電截止電壓，反之亦然。當(dāng)電壓線如圖4b布置在連接塊頂部(top)時(shí)，電流回路最長(zhǎng)，因此放電持續(xù)時(shí)間最短；而當(dāng)電壓線布置在靠近電池Tab附近(inside和out)時(shí)，電流回路最短，放電持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。圖4c中將電壓線和電流線進(jìn)行絞合連接的主要目的在于提高測(cè)試的可靠性和可重復(fù)性。 3不同溫箱的影響

圖6 四個(gè)不同溫箱得到放電功率vs內(nèi)阻結(jié)果對(duì)比。
電池為80%SOC，設(shè)定溫度為25℃ 溫箱也是實(shí)驗(yàn)室和電池企業(yè)最常見和常用的設(shè)備。溫箱的準(zhǔn)確性一直是很多人忽視的地方，筆者曾因?yàn)殡姵匕踩詼y(cè)試測(cè)試過各種不同的溫箱，發(fā)現(xiàn)不同測(cè)試機(jī)構(gòu)的溫箱精度相差極大，讓人扎心。如圖6所示，作者對(duì)比了電池在四個(gè)不同溫箱中的測(cè)試結(jié)果，溫箱的差異性為1.1%左右，高于電池自身0.5-0.8%的差異性。溫箱的差異主要來自兩方面：其一為溫箱自身的保溫能力，其二為電池在溫箱中的散熱。以上結(jié)果顯示即使是日常中常用的設(shè)備，我們也不能理所應(yīng)當(dāng)認(rèn)為其具有高度的準(zhǔn)確性，設(shè)備的定期校準(zhǔn)也是極為必要的。