电动汽车充电技术：电池极化现象

蓄电池外部电路开路（即无电流通过）时电极处于平衡状态，电池的端电压即为电池的电动势，该电动势称为平衡电动势。当电池充、放电时，由于电池中有电流通过，导致电池的电动势偏离平衡值的现象称为电池的极化现象（Polarization），有时也被称为过电势或过电压。

极化现象引起的电池过电压会限制充电电流的增加，影响充电速度，同时电池极化还会增加析气量、使电池温度升高。对应电池内阻的构成，按照产生原因的不同，电池极化可以分为欧姆极化、浓度极化和电化学极化。

（1）欧姆极化

在电池充、放电过程中，正、负离子不停地朝极板移动，在移动时难免受到电解质溶液和极板的阻碍，这种阻碍称为欧姆内阻。欧姆内阻主要是由电极材料、电解液、隔膜的内阻以及个部分零件的接触电阻组成。它与电池的结构、尺寸、电极的成形方式以及装配的松紧度有关。由于欧姆内阻的存在，为了克服欧姆阻力以推动离子的移动，施加在电池上的外电压就需要额外施加一定的电压。这样就会出现欧姆极化现象，其表现是该电压以热能的方式传递给环境。如果电流继续增大，欧姆内阻造成的电池产热量就会增加，进而导致电池温度升高。

（2）浓度极化

在理想状态下，为了维持正常的化学反应，化学反应的生成物需要及时离去，反应物得以及时补充。实际上，离子反应物的扩散速度远远赶不上化学反应的速度，同时生成物也不能很快离去，这样就会使反应物堆积到极板周围，从而造成极板周围离子浓度过高，而且会阻碍化学反应的正常进行。换句话说，在电池内部的不同位置（如极板处和电池中心位置）电解质浓度分布存在差异，这种现象就称为浓度极化。

（3）电化学极化(www.xing528.com)

电能的产生与消耗是由电子的移动引起的，在充电过程中电子的移动速度比电池正、负极上发生的化学反应速度快，这样引起电极上的电荷量逐渐变大，阻碍化学反应的顺利进行，这种现象称为电化学极化。例如：电池负极在放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态；放电时，立即有电子释放给外电路，电极表面负电荷减少，而金属溶液的氧化反应进行缓慢Me-e^-→Me⁺，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me⁺转入溶液，加速Me-e^-→Me⁺反应进行，总有一个时刻，达到新的动态平衡。但是在放电前期，电极表面所带负电荷数目减小了，与此对应的电极电动势变正。也就是电化学极化电压高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极在放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电动势变负。

随着充电电流的逐渐增大，这3种电池极化现象将越发严重。图3-9为电池极化现象示意图，在充电的不同时期，每种极化的表现各有差异：在充电前期，电池极化现象总体来说比较小，以欧姆极化为主；到了充电中期，3种极化现象都存在，主要表现是电化学极化；到了在充电后期，电池极化现象比较严重，而且主要是浓度极化。在整个充电过程中，电池极化现象逐渐加大，在后期浓度极化变化明显，欧姆极化变化很小，但一直存在，而电化学极化无论是在变化幅度和严重程度上都介于另外两种极化现象之间。

图3-9 电池极化现象示意图

电池极化贯穿在整个充电过程中，而且不可避免。但是在不同的充电时期，可以针对不同极化表现形式采取对应的措施来削弱极化现象，以提高充电效率、延长电池寿命。