电芯不一致：电池组中的卧龙凤雏

前 言

电芯一致性是目前各大电芯制造企业着重解决的难点之一。在电芯生产制造过程中，由于物料、设备和环境等波动，生产出来的电芯会存在微小的差异，这微小的差异在将电芯组装成电池组后会进一步放大。好比于“木桶效应”，电池组内性能最差的电芯会直接影响到整个电池组的性能，包括安全性，循环寿命，容量发挥等[1-2]。接下来，小编主要从电芯的电压、容量和内阻不一致三方面来讲讲对电池组的影响。

图1：木桶效应

电芯不一致对电池组的影响

1：电压不一致

以6个电芯串联的电池组为例（图2），假设在充电过程中5个电芯电压为4.1V，而其中1个电芯已经达到满充电压4.3V，此时BMS会启动过充保护停止充电，这直接导致了其余电芯电量未充满，从而降低了电池组的电量储存能力。在放电过程中也是同理，电压低的电芯会优先到达过放保护电压，导致电池组提前结束放电，影响续航。电压不一致除了会影响电池组的容量之外，还会使部分电芯频繁地处于过充和过放的状态，这将导致该部分电芯循环衰减加速并产生一定的安全风险。

图2：电压不一致的电芯串联

2：内阻不一致

在电芯的生产制作过程中，浆料/涂布/冷压的均匀度、极耳焊接效果等均会影响到成品电芯的内阻。内阻大的电芯在充放电过程中会产生更多的热量导致电芯温度升高，而高温会加速电芯的老化并进一步提升内阻，届时内阻和温度形成了一对负反馈，导致电芯性能快速衰减，而性能衰减最快的电芯又直接决定了电池组的寿命。

图3：电芯内阻、温升对电芯寿命的影响

3：容量不一致

在串联电路中，电池组的容量是由最小容量的电芯决定的。如图4所示，假设在6个电芯串联的电池组中，电芯容量均值为2.5Ah，最小的容量为1.5Ah。将6颗电芯单独进行充放电所得的容量总和为2.5*6=15Ah。而若在电池组中，实际仅能发挥1.5*6=9Ah的容量，这主要是因为容量小的电芯电压会提前到达满充电压使得电池提前停止充电，进而导致每个电芯仅能发挥出1.5Ah的容量。

图4：容量不一致的电芯串联

电芯不一致的解决方案

电芯不一致会导致电池组性能下降，并存在一定的安全风险，元能科技从不同维度研发了一系列产品来监测电芯生产过程&电芯出货的一致性，确保电池组中电芯的高度一致。

（1）来料检测端：粉末电阻&压实密度仪

阴阳极粉末在生产制造过程中同样会因为设备、环境的波动而存在区别，从而进一步影响到电芯的容量和内阻等。元能科技推出粉末电阻&压实密度仪可以应用于来料检测，对粉末的电阻和压实能力进行监测以确保电芯投料生产的粉末质量处于同一水平，进而提升成品电芯的一致性。

图5：粉末电阻率&压实密度仪

（2）电芯生产制造端：极片电阻仪

电芯生产的前工序（搅拌，涂布，冷压等）直接决定了电芯的最终性能，因此在前工序结束前设置一道关卡是十分必要的。元能科技自主研发的极片电阻仪，可以测量极片的体电阻以及相应的极片厚度，通过极片的电阻/厚度分布、波动来监控极片生产过程中稳定性和均匀性。

图6：极片电阻仪

（3）电芯出货端：电芯一致性筛分仪

电芯产出后通常会进行一致性筛分再进行电池组组装。一般是通过电压，容量和内阻进行分组，然而以上常规检测数据基本都是监控电芯的电子阻抗，对于电芯的离子阻抗几乎没有进行评估，这无疑是增加了电池组中短板电芯出现的概率。离子阻抗是电芯性能的重要指标之一，其直接影响到电芯的效率、老化速率和安全性等，但目前电芯生产线并未将离子阻抗纳入出货评估参数之一，这主要是因为常规的EIS测试仪（电化学工作站）价格昂贵，测试周期长导致。元能科技创新性研发出工业级的EIS快速测试设备——电芯一致性筛分仪，如图7-a，该设备可对大批量电芯进行EIS快速测试，识别电芯界面电阻，锂离子扩散能力等[3-4]，电芯制造企业可根据EIS数据对电芯一致性进行精细化分组，确保成组电芯的高度一致（图7-b）。

图7：(a) 电芯一致性筛分仪；(b) 10颗340Ah电池的EIS分布图

总 结

‌电芯一致性对于电池组的重要性不言而喻，它直接关系到电池组的性能、寿命以及安全性。电芯单体一致性的控制以及电芯筛分成组都是系统工程，需要考虑电芯的设计、生产、质量控制、电芯分组参数及其规格等多个维度。

参考文献

[1] 李相哲，潘宏斌.蓄电池一致性讨论 [J]. 电池工业，2005，10 (5) :285-289.

[2] 王佳元，孙泽昌，魏学哲，等.电动汽车动力电池分选方法研究 [J]. 电源技术，2012，36 (1) :94-98.

[3] W.X. Hu, Y.F. Peng, Y.M. Wei and Y. Yang, Application of Electrochemical Impedance Spectroscopy to Degradation and Aging Research of Lithium-Ion Batteries. The Journal of Physical Chemistry C［J］, 127 (2023) 4465-4495.

[4] Zhang S S, Xu K, Jow T R. Electrochemical Impedance Study on the Low Temperature of Li-ion batteries［J］. Electrochimica Acta, 2004, 49 ( 7) : 1057-1061．