欧姆电阻和极化通过在平衡开路电压和测得的端电压之间产生电压差，从而降低电池的能量效率。 在充电过程中，测试仪必须施加额外的电压来克服内部欧姆降和电化学极化。在放电过程中，这些相同的效应会消耗电池部分可用电压，从而减少输出能量并导致电池提前达到电压截止点。
核心要点： 欧姆电阻产生即时的、与电流相关的电压损失，而极化则代表较慢的电化学限制，如电荷转移电阻和传质电阻。它们共同增加了充电能量，减少了放电能量，并使往返能量效率低于 100%。
电池电压如何偏离平衡状态
开路电压是参考点
平衡开路电压 (u_{OCV}) 代表电池在没有电流流动且有足够时间接近平衡时的热力学电压。
一旦开始充电或放电，测得的端电压就不再等于 (u_{OCV})。这种差异反映了内部电气和电化学损失。
充电需要额外电压
在充电过程中，施加的端电压在概念上可以表示为：
[ u_{ch} = u_{OCV} + u_R + u_P ]
这里，(u_R) 是欧姆电压降，(u_P) 是极化电压。充电器不仅需要提供与存储电荷相关的能量，还需要提供在电池内部耗散的额外能量。
在能量水平上，这种关系表示为：
[ E_{O_ch} = E_{OCV} + E_{R_ch} + E_{P_ch} ]
放电输出低于平衡电压
在放电过程中，端电压低于平衡电压：
[ u_{dch} = u_{OCV} - u_R - u_P ]
因此，电池释放出的可用电能少于其理论平衡行为所预期的值：
[ E_{O_dch} = E_{OCV} - E_{R_dch} - E_{P_dch} ]
确切的电压损失随电流、荷电状态 (SOC)、放电深度、温度和电池状况而变化。
欧姆电阻如何导致能量损失
电压降立即出现
当电流流动时，欧姆电阻会产生几乎瞬时的电压变化：
[ u_R = I R ]
电阻包括电子电阻、离子电阻、集流体电阻、接触电阻以及电池和测试路径内的其他电阻贡献。
在放电过程中，(IR) 压降降低了端电压。在充电过程中，同样的效应提高了充电器必须施加的电压。
耗散功率随电流增加
主要由欧姆电阻转化为热量的功率为：
[ P_R = I^2R ]
这种二次方关系在高电流测试中非常重要。如果电阻保持不变，电流加倍会使欧姆功率损耗增加约四倍。
因此，即使涉及相同数量的活性材料，高倍率运行也会导致放电能量大幅降低和充电损耗增加。
电阻会限制测量性能
在放电测试中，由 (IR) 引起的电压下降使电池更接近其预设的截止电压。在较高电流下，电池可能更早达到该截止点，从而降低了测得的容量和输出能量。
这种减少并不一定意味着电池损失了等量的活性材料。部分表观容量损失是由负载下的电压降引起的。
极化如何导致能量损失
极化是一种电化学过电压
极化电压是由于维持电流所需的电化学过程而产生的偏离平衡的状态。它包括与活化、电荷转移以及浓度或质量传输相关的效应。
与纯欧姆压降不同，极化会随时间发展，并强烈依赖于运行历史。
活化和电荷转移限制消耗电压
在电极界面处，电化学反应需要超过平衡电位的驱动力。这种额外的需求表现为活化或电荷转移极化。
结果是放电期间电压低于平衡电压，充电期间电压高于平衡电压。
传质在高倍率下变得重要
在高电流下，反应物和离子可能无法足够快地传输到反应位点。此时会产生浓度梯度，增加极化，并导致放电期间端电压急剧下降。
在严重的情况下，电极附近的反应物耗尽或致密放电产物的形成会限制离子传输。电池在达到其理论容量之前就达到了截止电压。
极化随放电深度而变化
极化通常随着放电的进行而增加。在浅放电深度时可能很小，在中等范围内逐渐增加，并在接近耗尽时急剧上升。
这种行为解释了为什么电池在测试的大部分时间里电压相对稳定，然后在放电结束时出现快速电压崩溃。
这些损失如何降低往返效率
充电能量增加
充电器在端电压下提供能量，该电压包括平衡电压加上欧姆项和极化项。因此，部分输入能量被电化学存储，而另一部分则被内部电化学低效率所耗散或消耗。
[ E_{O_ch} > E_{OCV} ]
放电能量减少
负载接收到的能量处于因内部电压损失而降低的端电压下：
[ E_{O_dch} < E_{OCV} ]
因此，外部电路可用的能量低于为电池充电所需的能量。
往返效率低于单位 1
电气往返能量效率为：
[ \eta_E = \frac{E_{O_dch}}{E_{O_ch}} ]
由于充电需要额外能量，而放电返回的可用能量较少，因此实际往返效率低于 1。
随着电流增加、极化增强、内阻增加以及限制离子传输的运行条件，这一差距会变得更大。
电池测试系统实际测量的内容
端电压捕捉综合效应
电池测试仪通常在控制施加的充放电曲线的同时测量端电压和电流。测得的电压包括平衡贡献、欧姆降和极化效应。
分离这些组件需要进行诸如电流脉冲、静置期、阻抗测量或基于模型的分析等测试。
截止电压可能产生表观容量损失
在标准端电压控制下，具有高极化的单个电池可能在潜在电化学状态需要终止之前就达到了充放电截止点。
测试系统或电池管理单元随后结束循环。即使在那种运行条件下仍有部分可充放电材料未被使用，这也会产生较低的测量容量。
静置期揭示弛豫行为
随着浓度梯度弛豫且电池趋向平衡，极化可以在静置期间衰减。因此，端电压在电流移除后可能会恢复。
仅在主动负载下评估一致性可能会错误地分类电池，因为它将持续的电阻与暂时的极化和弛豫效应混合在一起。
电阻参数在运行期间发生变化
欧姆电阻在大部分放电过程中可能保持相对稳定，并在接近完全耗尽时上升。相比之下，极化电阻会随着电荷转移和传质条件的恶化而逐渐增加。
跟踪这两个参数有助于区分即时的电阻限制和较慢的电化学限制。
理解权衡
更高的电流提高了测试速度，但增加了损失
高电流测试能更快地暴露倍率能力和功率限制。然而，它们也会增加 (I R) 损失，放大极化，并可能降低截止前测得的容量和能量。
因此，高倍率结果应被解释为该特定负载下的性能，而不是对电池理论容量的直接测量。
较低的电压并不总是意味着永久性退化
放电期间的电压降可能源于可逆极化，而不是活性材料的永久性损失。静置期间的恢复可能表明观察到的部分偏差与暂时的浓度梯度或电化学弛豫有关。
在受控条件下重复的行为比单一的负载电压测量更具参考价值。
内阻不是一个固定值
有效电阻取决于电流、荷电状态、放电深度、温度、阻抗测量的频率以及测试的时间尺度。
将所有电压偏差视为单一恒定电阻会掩盖欧姆损失、电荷转移损失和传质损失之间的区别。
测试夹具可能增加测量误差
接触点、集流体、接线和压缩条件都会导致测得的电压降。因此，不良或不一致的电极组装和接触压缩可能表现为电池电阻或极化增加。
在比较电池或评估设计变更时，必须控制测试设置。
为您的目标做出正确的选择
最有效的测试方法取决于目标是能量核算、功率评估还是诊断。
- 如果您的主要重点是往返能量效率： 对充电和放电过程中的测量电压和电流进行积分，然后在记录电流、温度和运行限制的同时比较输入和输出能量。
- 如果您的主要重点是高倍率功率能力： 使用多个电流水平，并检查 (IR) 压降、极化、截止时间和输出能量如何随负载变化。
- 如果您的主要重点是电池一致性： 包括受控的静置期和弛豫测量，以免将暂时性极化误认为永久性电阻变化。
- 如果您的主要重点是电极或组装优化： 分别跟踪欧姆和极化贡献，然后利用结果改进材料配方、电极设计、接触质量和压缩控制。
- 如果您的主要重点是电池管理限制： 评估整个放电深度和电流范围内的电压行为，以建立考虑负载下提前截止的运行边界。
理解欧姆电阻和极化的不同贡献，可以将简单的电压曲线转化为对电池能量损失位置的实际解释，以及测试如何改进设计。
总结表：
| 损失机制 | 原因 | 对充电的影响 | 对放电的影响 | 能量效率损失 |
|---|---|---|---|---|
| 欧姆电阻 | 电子/离子电阻、接触电阻 | 需要额外电压，增加充电能量 | 端电压下降，减少可输出能量 | 损失与 I²R 成正比；随电流增加 |
| 极化 | 活化（电荷转移）和浓度（传质）过电压 | 需要更高的充电电压；电化学动力学较慢 | 放电电压较低；可能导致提前截止 | 损失随放电深度和高电流增加 |
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