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前 言

電芯一致性是目前各大電芯制造企業(yè)著重解決的難點(diǎn)之一。在電芯生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于物料、設(shè)備和環(huán)境等波動(dòng)，生產(chǎn)出來(lái)的電芯會(huì)存在微小的差異，這微小的差異在將電芯組裝成電池組后會(huì)進(jìn)一步放大。好比于“木桶效應(yīng)”，電池組內(nèi)性能最差的電芯會(huì)直接影響到整個(gè)電池組的性能，包括安全性，循環(huán)壽命，容量發(fā)揮等[1-2]。接下來(lái)，小編主要從電芯的電壓、容量和內(nèi)阻不一致三方面來(lái)講講對(duì)電池組的影響。

圖1：木桶效應(yīng)

電芯不一致對(duì)電池組的影響

1：電壓不一致

以6個(gè)電芯串聯(lián)的電池組為例（圖2），假設(shè)在充電過(guò)程中5個(gè)電芯電壓為4.1V，而其中1個(gè)電芯已經(jīng)達(dá)到滿充電壓4.3V，此時(shí)BMS會(huì)啟動(dòng)過(guò)充保護(hù)停止充電，這直接導(dǎo)致了其余電芯電量未充滿，從而降低了電池組的電量?jī)?chǔ)存能力。在放電過(guò)程中也是同理，電壓低的電芯會(huì)優(yōu)先到達(dá)過(guò)放保護(hù)電壓，導(dǎo)致電池組提前結(jié)束放電，影響續(xù)航。電壓不一致除了會(huì)影響電池組的容量之外，還會(huì)使部分電芯頻繁地處于過(guò)充和過(guò)放的狀態(tài)，這將導(dǎo)致該部分電芯循環(huán)衰減加速并產(chǎn)生一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2：電壓不一致的電芯串聯(lián)

2：內(nèi)阻不一致

在電芯的生產(chǎn)制作過(guò)程中，漿料/涂布/冷壓的均勻度、極耳焊接效果等均會(huì)影響到成品電芯的內(nèi)阻。內(nèi)阻大的電芯在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的熱量導(dǎo)致電芯溫度升高，而高溫會(huì)加速電芯的老化并進(jìn)一步提升內(nèi)阻，屆時(shí)內(nèi)阻和溫度形成了一對(duì)負(fù)反饋，導(dǎo)致電芯性能快速衰減，而性能衰減最快的電芯又直接決定了電池組的壽命。

圖3：電芯內(nèi)阻、溫升對(duì)電芯壽命的影響

3：容量不一致

在串聯(lián)電路中，電池組的容量是由最小容量的電芯決定的。如圖4所示，假設(shè)在6個(gè)電芯串聯(lián)的電池組中，電芯容量均值為2.5Ah，最小的容量為1.5Ah。將6顆電芯單獨(dú)進(jìn)行充放電所得的容量總和為2.5*6=15Ah。而若在電池組中，實(shí)際僅能發(fā)揮1.5*6=9Ah的容量，這主要是因?yàn)槿萘啃〉碾娦倦妷簳?huì)提前到達(dá)滿充電壓使得電池提前停止充電，進(jìn)而導(dǎo)致每個(gè)電芯僅能發(fā)揮出1.5Ah的容量。

圖4：容量不一致的電芯串聯(lián)

電芯不一致的解決方案

電芯不一致會(huì)導(dǎo)致電池組性能下降，并存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，元能科技從不同維度研發(fā)了一系列產(chǎn)品來(lái)監(jiān)測(cè)電芯生產(chǎn)過(guò)程&電芯出貨的一致性，確保電池組中電芯的高度一致。

（1）來(lái)料檢測(cè)端：粉末電阻&壓實(shí)密度儀

陰陽(yáng)極粉末在生產(chǎn)制造過(guò)程中同樣會(huì)因?yàn)樵O(shè)備、環(huán)境的波動(dòng)而存在區(qū)別，從而進(jìn)一步影響到電芯的容量和內(nèi)阻等。元能科技推出粉末電阻&壓實(shí)密度儀可以應(yīng)用于來(lái)料檢測(cè)，對(duì)粉末的電阻和壓實(shí)能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)以確保電芯投料生產(chǎn)的粉末質(zhì)量處于同一水平，進(jìn)而提升成品電芯的一致性。

圖5：粉末電阻率&壓實(shí)密度儀

（2）電芯生產(chǎn)制造端：極片電阻儀

電芯生產(chǎn)的前工序（攪拌，涂布，冷壓等）直接決定了電芯的最終性能，因此在前工序結(jié)束前設(shè)置一道關(guān)卡是十分必要的。元能科技自主研發(fā)的極片電阻儀，可以測(cè)量極片的體電阻以及相應(yīng)的極片厚度，通過(guò)極片的電阻/厚度分布、波動(dòng)來(lái)監(jiān)控極片生產(chǎn)過(guò)程中穩(wěn)定性和均勻性。

圖6：極片電阻儀

（3）電芯出貨端：電芯一致性篩分儀

電芯產(chǎn)出后通常會(huì)進(jìn)行一致性篩分再進(jìn)行電池組組裝。一般是通過(guò)電壓，容量和內(nèi)阻進(jìn)行分組，然而以上常規(guī)檢測(cè)數(shù)據(jù)基本都是監(jiān)控電芯的電子阻抗，對(duì)于電芯的離子阻抗幾乎沒(méi)有進(jìn)行評(píng)估，這無(wú)疑是增加了電池組中短板電芯出現(xiàn)的概率。離子阻抗是電芯性能的重要指標(biāo)之一，其直接影響到電芯的效率、老化速率和安全性等，但目前電芯生產(chǎn)線并未將離子阻抗納入出貨評(píng)估參數(shù)之一，這主要是因?yàn)槌Ｒ?guī)的EIS測(cè)試儀（電化學(xué)工作站）價(jià)格昂貴，測(cè)試周期長(zhǎng)導(dǎo)致。元能科技創(chuàng)新性研發(fā)出工業(yè)級(jí)的EIS快速測(cè)試設(shè)備——電芯一致性篩分儀，如圖7-a，該設(shè)備可對(duì)大批量電芯進(jìn)行EIS快速測(cè)試，識(shí)別電芯界面電阻，鋰離子擴(kuò)散能力等[3-4]，電芯制造企業(yè)可根據(jù)EIS數(shù)據(jù)對(duì)電芯一致性進(jìn)行精細(xì)化分組，確保成組電芯的高度一致（圖7-b）。

圖7：(a) 電芯一致性篩分儀；(b) 10顆340Ah電池的EIS分布圖

總 結(jié)

?電芯一致性對(duì)于電池組的重要性不言而喻，它直接關(guān)系到電池組的性能、壽命以及安全性。電芯單體一致性的控制以及電芯篩分成組都是系統(tǒng)工程，需要考慮電芯的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量控制、電芯分組參數(shù)及其規(guī)格等多個(gè)維度。

參考文獻(xiàn)

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