工作温度变化和高放电倍率如何影响电芯放电电压和可用容量？| 电池测试的关键见解

工作温度和放电倍率直接决定电芯能够维持的电压以及能够提供的容量。低温条件会增加内阻并减缓电化学反应，导致电压更明显地下降并降低可用容量。更高的放电倍率会造成更大的电阻损耗和极化，使电芯更快达到截止电压。适中的温度通常能够改善即时性能，但过高的温度会加速自放电和化学降解。

电池测试期间测得的容量并不是电芯的固定属性。它取决于温度、放电电流、电压截止值和测试持续时间，因此可靠的表征需要受控的热条件，并在多个 C 倍率下进行测试。

测试期间放电电压为何会发生变化

低温会增加电压损失

在低温下，电解液电导率会降低，电化学反应速率会减慢。因此，电芯会表现出更高的内阻，电流通过时会产生更大的电压降。

这种影响在高电流放电开始时尤其明显：即使电芯中仍然保有大量化学能，端电压也可能急剧下降。

高放电倍率会增加电阻损耗

随着放电电流升高，电芯内阻上的电压损失也会增加。电极极化和传输限制还会进一步造成电压下降。

结果是工作中点电压降低，放电曲线变得更加陡峭。即使在较轻负载下电芯仍可提供额外容量，在高负载下也可能很快达到允许的最低电压。

截止电压决定测得的容量

电池测试仪通常会在电芯达到规定的终止电压时结束放电。由于瞬时电压损失更大，高电流会使电芯更早达到该阈值。

因此，高 C 倍率下测得的容量较低，部分原因是电芯在电化学层面的可利用程度降低，另一部分原因是更早达到电压截止值。

温度如何影响可用容量

低温条件会降低可用容量

低温会限制离子移动，并减缓释放储存能量的反应。这会减少在电芯达到截止电压之前能够参与反应的活性物质数量。

在零度以下的条件下，这种容量损失可能十分明显，尤其是在高放电电流同时存在时。一颗在接近室温且低倍率下能够达到额定容量的电芯，在严寒环境或 2C 等倍率下可能只能提供其中一小部分容量。

适中的温度会改善即时输出

对于许多电芯化学体系，最佳的即时电压和容量性能通常出现在适中的工作温度范围内，大致为室温附近，并根据设计不同可达到约 40°C。

该温度范围内较低的内阻能够改善初始电压，并使电芯在达到截止条件之前提供更多安时数。

高温会造成另一种失效模式

升高的温度可以暂时改善反应动力学并降低表观内阻。在短时间高倍率测试期间，内阻发热可能使电芯温度高于测试箱温度，从而使测得的高倍率容量看起来更高。

这种改善并不一定代表持久的性能提升。持续高温会加速自放电和化学劣化，从而降低容量保持率并缩短使用寿命。

放电倍率如何影响可用容量

电流增加时容量会下降

电池容量是在特定测试电流和截止条件下确定的，并不是一个通用常数。提高负载会增加电压损失，使电芯在达到终止电压之前能够释放的储存能量减少。

例如，一颗电芯在较轻的 30 mA 负载下可以提供 4 Ah，在 200 mA 负载下可能只能提供 1 Ah。具体数值取决于化学体系和电芯设计，但这一原则具有广泛适用性：更高的电流通常会导致更低的测得容量。

高倍率会放大温度影响

高倍率放电和低温会相互叠加。低温会提高内阻，而高电流会增加通过该内阻产生的电压损失。

这种组合可能导致端电压快速塌陷并提前截止。因此，仅在室温或低倍率下进行测试，可能会高估电芯在实际高功率应用中可提供的容量。

自发热会影响表观容量

在高放电倍率下，内阻会将一部分电能转化为热能。如果电芯在测试过程中明显升温，其反应动力学可能会暂时改善。

因此，测试结果应区分受控的环境温度和电芯的实际温度。否则，自发热可能被误认为是电极或电芯本身性能的内在提升。

电池性能测试应测量哪些内容

使用受控的环境条件

恒温箱有助于在整个测试过程中维持确定的环境温度。温度控制对于公平比较电芯以及区分材料性能和环境影响是必要的。

测试还应记录电芯的实际温度，因为在高电流放电期间，电芯温度可能明显高于测试箱温度。

测试多个 C 倍率

倍率性能测试应在多个放电电流下测量电压和容量，范围从低倍率参考条件一直覆盖到预期的高功率工作范围。这能够揭示随着负载增加，中点电压和可用容量下降的速度。

测试应反映应用实际的电流曲线，而不应仅依赖额定容量或开路电压。

记录完整的电压-容量曲线

电芯提供的总安时数无法说明其在负载下的工作表现。完整的放电曲线能够展示初始电压损失、中点电压、曲线斜率、极化程度以及达到截止电压的时间点。

这些细节有助于区分高内阻、低温动力学性能不佳、传输限制以及活性材料容量的真实损失。

保持截止条件一致

只有在放电终止电压、静置时间、充电程序和电流曲线一致的情况下，容量比较才有意义。将放电延长至更低的截止电压可以获得更高的测得容量，但可能违反该化学体系的安全工作限制。

对于某些镍基电芯，将每个电芯的放电电压降至约 1.0 V 以下可能带来永久性电化学损伤风险。因此，适当的截止电压必须遵循电芯制造商的规格以及特定化学体系的安全限制。

了解其中的权衡关系

短期输出与长期耐久性

更高的温度可以通过降低内阻和加快反应来改善即时电压和容量。同样的高温也会随着时间推移增加自放电、腐蚀和化学降解。

因此，仅测量短期容量的测试可能会忽略在高温下运行所带来的长期代价。

最大容量与实际功率输出

低放电倍率有助于估算接近最大可用容量的数值，但不能代表电芯必须提供高功率时可用的能量。

相反，高倍率测试能够更好地反映功率应用，但由于暂时性极化和电压截止效应，可能显示出较低的容量。要诚实地表征电芯，需要同时进行这两类测量。

延长截止时间与保护电芯

使用更低的终止电压可以提高表观放电容量。如果电芯放电超过安全限制，也可能造成不可逆损伤。

截止电压应被视为电芯工作规格的一部分，而不是为了最大化报告安时数而方便调整的测试参数。

环境温度与电芯温度

测试箱设定值描述的是周围环境，不一定代表电芯的电化学状态。在高负载下，自发热可能显著改变电芯在放电过程中的温度。

同时报告这两种温度能够改善结果解读，并避免将热效应错误归因于电芯设计。

根据目标做出正确选择

测试策略应与所要回答的性能问题相匹配。

• 如果主要关注最大额定容量：在目标参考温度附近，使用低倍率、标准化的放电测试，并维持符合化学体系要求的截止电压。
• 如果主要关注高功率性能：覆盖应用所需的 C 倍率范围进行测试，同时监测电芯温度、中点电压、电压下降和输出容量。
• 如果主要关注寒冷天气下的运行：将零度以下的测试箱测试与预期放电电流结合起来，因为低温和高负载会共同加剧电压和容量损失。
• 如果主要关注使用寿命：加入高温和长时间测试，以量化自放电和化学降解，而不是只依赖短期容量。
• 如果主要关注电芯设计优化：建立覆盖不同温度和 C 倍率条件的电压-容量矩阵，以确定热边界并指导电极和装配工艺改进。

可靠的电池性能结果由温度、负载曲线、截止电压和测试持续时间共同定义，而不仅仅是额定容量。

汇总表：

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