在电池测试过程中，哪些主要因素会降低锂离子电芯的 Wh 能量效率？

降低锂离子电芯 Wh 效率的主要因素包括内阻、极化、高电流、低温和老化。这些因素会增大电芯开路电压与充放电过程工作电压之间的差值。由此产生的过电位损耗会在内部消耗能量，因此放电过程中释放的能量低于电芯充电所需的能量。

当电阻损耗和极化损耗增加时，Wh 效率会降低。高电流、低温、内阻增加以及电芯老化都会增大测试过程中产生的电压损失。

测试过程中 Wh 效率的损失方式

能量效率取决于电压和电流

Wh 效率用于比较放电过程中释放的能量与充电过程中输入的能量：

[ \eta_{Wh}=\frac{E_{\text{discharge}}}{E_{\text{charge}}}\times100% ]

由于电能是电压与电流乘积对时间的积分，工作电压中的损耗会直接降低测得的效率。

放电时，端电压低于开路电压。充电时，端电压高于开路电压。因此，电芯释放的能量少于其接收的能量。

过电位造成主要损耗

端电压可以表示为：

[ U_O=U_{\text{OCV}}-U_R-U_P ]

其中，(U_R) 是内部欧姆压降，(U_P) 是极化电压。

在充电过程中，这些损耗的作用方向相反：所需充电电压会升高到电芯平衡电压以上。总过电位越大，Wh 效率越低。

降低 Wh 效率的主要因素

内部欧姆电阻

内阻会按照以下公式产生热量：

[ P_{\Omega}=I^2R_{\Omega} ]

随着电阻增加，更多输入能量会在内部耗散，而不是被储存或作为有用电能输出。

电阻可能因电芯设计、电极和电解液特性、集流不良、制造缺陷、低温或老化而增加。由于电阻功率随电流的平方增加，因此在较高电流下，这种影响尤其显著。

极化电阻

极化表示由电化学和传质限制引起的额外电压损失。其中包括电荷转移电阻以及电极和电解液中的浓度梯度等影响。

极化程度越高，平衡电压与测得端电压之间的差值越大。同时，充放电过程中的电压利用率也会降低，从而降低测得的 Wh 效率。

高充放电电流

更高的电流会同时增加欧姆损耗和极化损耗。即使标称容量保持相近，电芯在较高电流下也需要更多充电能量，并且能够输出的有效放电能量更少。

高电流还可能使放电电压更早达到截止阈值。这可能降低测得的可用容量，因为在选定的测试倍率下，部分化学上可用的能量无法被提取。

低环境温度

低温通常会增加电解液电阻，并减缓电化学反应以及离子传输动力学。因此，(R_{\Omega}) 和 (R_P) 往往都会增加。

由此产生的压降在负载下会更大，电芯可能会提前达到放电截止电压。因此，即使电芯仍然含有大量化学能，测试仍可能报告较低的放电能量。

电芯老化

老化会增加阻抗，并降低电芯高效传输电荷的能力。其中一个重要机制是固体电解质界面膜（SEI）生长，这会增加电极界面的电阻。

老化还可能导致活性锂损失、活性材料结合位点退化以及电极结构损伤。这些变化会降低容量，同时增加内阻，因此可用放电能量和 Wh 效率都会下降。

测试截止电压

截止电压并不会产生根本性的电化学损耗，但它决定了测量结果中会体现出多少这类损耗。当电阻和极化较高时，端电压可能会在电芯平衡电压显示储存能量耗尽之前达到截止限制。

因此，使用同一电芯时，高电流或低温测试可能显示出低于低电流、温度受控测试的放电能量。

运行历史和荷电状态

可用放电容量和电压效率会随电芯的运行历史及荷电状态而变化。此前的循环、静置时间、温度暴露情况以及最近的充放电倍率都可能影响极化和表观电阻。

这些影响使 Wh 效率成为一个取决于测试条件的测量值，而不是电芯单一且固定不变的属性。

理解其中的权衡关系

更高电流可以提高测试速度，但会降低效率

高电流测试可以缩短充放电时间，并揭示功率能力。然而，它会增加 (I^2R) 损耗和极化，因此测得的 Wh 效率通常会更低。

因此，旨在比较固有能量效率的测试应采用受控且一致报告的电流倍率。

低温可以暴露弱点，但也会改变测试结果

低温测试有助于评估实际运行限制和温度敏感性。除非将温度作为明确的测试变量，否则低温效率测试不能直接与室温效率测试进行比较。

如果没有温度控制，电阻和极化的变化可能会被错误地归因于电芯化学体系或制造质量。

表观容量损失可能取决于倍率

电芯可能因电压下降而提前达到放电截止电压，而不是因为所有活性材料都已被消耗。在解读较低的放电能量时，这一区别非常重要。

要区分真实容量损失与倍率引起的电压限制，需要在多种电流水平、温度和静置条件下进行测量。

效率测量需要精确的仪器

Wh 效率是通过对随时间变化的测量电压和电流进行积分计算得出的。传感器偏移、采样误差、电流控制不稳定以及不一致的截止条件都可能使结果失真。

因此，电池测试系统应控制电流和温度，同时记录同步的电压与电流数据。随后可以将电阻和极化参数从总能量损耗中分别识别出来。

如何将这些因素应用于测试流程

最合适的测试设计取决于目标是比较效率、表征功率，还是诊断老化。

• 如果您的主要重点是固有 Wh 效率：使用受控温度、一致的充放电倍率、稳定的截止电压，并对电压和电流进行同步积分。
• 如果您的主要重点是高功率性能：在多个电流水平下进行测试，并报告相应的电阻、极化、截止电压限制容量以及 Wh 效率。
• 如果您的主要重点是低温性能：在每个设定温度下测量 (R_{\Omega})、(R_P)、可用放电能量以及截止行为。
• 如果您的主要重点是老化诊断：跟踪整个循环寿命期间的效率、容量和阻抗，以区分 SEI 生长、活性锂损失及其他退化机制。
• 如果您的主要重点是制造工艺优化：利用电阻和效率结果评估电极压实、浆料配方、集流以及电芯组装质量。

当工作电流、温度、阻抗、极化或老化导致电芯能量中更大比例在内部损失时，Wh 效率就会降低。

总结表：

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