研究背景

測試表征是自然科學(xué)中的重要一環(huán)，數(shù)據(jù)的準確性和可靠性尤為重要。作為化學(xué)儲能的重要成員，鋰離子電池從工作原理角度就注定了其容易受到溫度、壓力等因素的影響，因此其測試表征極易出現(xiàn)誤差和不確定性結(jié)果。上學(xué)階段做過鋰電的朋友相信都被扣電結(jié)果的“差異性”所折磨過；部分動力鋰電池公司將電池送外檢測，不同結(jié)構(gòu)給出的結(jié)果往往也存在差異，更別提測試過程出現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)波動等異常。在公司，很多測試異常往往成了無頭尸案，最后都不了了之了，很少有人注意細節(jié)想去刨根問底把原因弄清楚。

針對鋰離子電池測試過程中易出現(xiàn)誤差和不確定性這一現(xiàn)狀，最近來自英國華威大學(xué)(UniversityofWarwick)的JamesTaylor等從研究人員的差異性、接線的差異性和溫箱的差異性出發(fā)，對誤差出現(xiàn)的原因進行了細致分析并供應(yīng)了解決方案，成果以Aninsightintotheerrorsanduncertaintyofthelithium-ionbatterycharacterisationexperiments為題發(fā)表在JournalofEnergyStorage上。

亮點：從細節(jié)入手，對鋰電測試表征中常見的誤差和不確定性進行了分析，態(tài)度發(fā)人深思。

圖文淺析

作者依次從(1)研究人員不同導(dǎo)致的結(jié)果差異性、(2)接線方式帶來的結(jié)果差異性和(3)不同溫箱導(dǎo)致的結(jié)果差異性出發(fā)對鋰離子電池測試表征中出現(xiàn)的誤差和不確定性進行了分析，具體如下所述。

(1)研究人員不同所帶來的結(jié)果差異

圖1.20Ah電池50%SOC脈沖功率測試譜圖。

表1.四名研究人員對相同8個電池進行脈沖功率測試結(jié)果比較。

圖2.四名研究人員對相同8個電池進行脈沖功率測試結(jié)果比較。

首先，作者準備了8個容量20Ah的鋰離子電池，依次讓四名不同的研究人員利用相同的測試設(shè)備對該8個電池按照IEC62660-1規(guī)定的脈沖功率測試要求(如圖1)進行測試。如表1所示，脈沖功率測試得到的內(nèi)阻標準偏差在0.5-0.8%區(qū)間，表明電池本身的一致性和四名不同研究人員實驗的重復(fù)性是很好的。但如表1最后一列所示，對同一塊電池，四名研究人員測試內(nèi)阻的偏差高達4%，四名研究人員測試結(jié)果的不同在圖2中可以明顯觀察到。

表2.經(jīng)實驗優(yōu)化后四名研究人員對相同8個電池進行脈沖功率測試結(jié)果比較。

圖3.經(jīng)實驗優(yōu)化后四名研究人員對相同8個電池進行脈沖功率測試結(jié)果比較。

作者認為四名不同研究人員對同樣8塊電池測試結(jié)果存在較大偏差的原因重要有兩點：1.不同人員接線時力道不同，導(dǎo)致電池tab同導(dǎo)線連接處的接觸電阻存在差異。接觸電阻本身較小，當(dāng)測試的電池為小內(nèi)阻的高功率電池時，接觸電阻的影響就不容忽視了；2.連接線氧化且連接前未及時清理干凈，導(dǎo)致接觸電阻存在差異(注：連接線銹蝕相信做過電化學(xué)測試的朋友都有印象)。隨后作者對實驗條件進行了優(yōu)化：將連接的力矩固定在12.5N/m，用鍍金的連接塊替換原來的普通連接塊。然后再讓以上四名研究人員在優(yōu)化后的實驗條件下重新對該8塊電池進行測試。如表2和圖3所示，與優(yōu)化前不同測試人員結(jié)果偏差高達4%左右相比，優(yōu)化后該偏差降低至0.4%左右，低于電池本身的差異性，測試結(jié)果的集中度大大提高，已無法區(qū)分人員間的差異性。以上結(jié)果也提醒我們測試時應(yīng)盡量統(tǒng)一實驗條件，盡可能消除可能帶來測試結(jié)果偏差的因素。

(2)接線方式不同導(dǎo)致的測試偏差

圖4.(a)連接塊結(jié)構(gòu)；(b)將電壓線布置在頂部；(c)電壓線和電流線絞合后再連接。

電池電化學(xué)性能表征時一般都有電壓線和電流線，除了上文所述的連接接觸電阻外，作者認為電壓線和電流線的布置方式對結(jié)果也會有影響。最典型的例子如圖4b和圖4c所示，圖4b中電壓線布置在連接塊結(jié)構(gòu)的最頂部(top)，而圖4c中電壓線則是同電流絞合在一起(crimped)后再進行連接。以上兩種連接方式都是在日常測試中經(jīng)常能見到的。

圖5.電壓線布置在不同位置電池1C放電曲線和靜置過程電壓回升曲線(注：圖中橫坐標單位Ah貌似有誤，單位是s才能解釋通)。

如圖5所示，當(dāng)電壓線布置在不同的位置時，電池的放電曲線也存在差異。電壓線監(jiān)測的是開路電壓，外電阻越大放電時越快達到放電截止電壓，反之亦然。當(dāng)電壓線如圖4b布置在連接塊頂部(top)時，電流回路最長，因此放電持續(xù)時間最短；而當(dāng)電壓線布置在靠近電池Tab附近(inside和out)時，電流回路最短，放電持續(xù)時間最長。圖4c中將電壓線和電流線進行絞合連接的重要目的在于提高測試的可靠性和可重復(fù)性。

(3)不同溫箱的影響

圖6.四個不同溫箱得到放電功率vs內(nèi)阻結(jié)果比較。電池為80%SOC，設(shè)定溫度為25℃。

溫箱也是實驗室和電池公司最常見和常用的設(shè)備。溫箱的準確性一直是很多人忽視的地方，筆者曾因為電池安全性測試測試過各種不同的溫箱，發(fā)現(xiàn)不同測試機構(gòu)的溫箱精度相差極大，讓人扎心。如圖6所示，作者比較了電池在四個不同溫箱中的測試結(jié)果，溫箱的差異性為1.1%左右，高于電池自身0.5-0.8%的差異性。溫箱的差異重要來自兩方面：其一為溫箱自身的保溫能力，其二為電池在溫箱中的散熱。以上結(jié)果顯示即使是日常中常用的設(shè)備，我們也不能理所應(yīng)當(dāng)認為其具有高度的準確性，設(shè)備的定期校準也是極為必要的。

小結(jié)：筆者介紹這篇文章倒不是該研究的創(chuàng)新性，而是佩服作者能從小處入手，重視實驗細節(jié)的嚴謹態(tài)度和精益求精、追根溯源的精神。畢竟數(shù)據(jù)的準確性和可靠性是一切分析的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)都有問題后面分析再多又有什么用呢？！

JamesTaylor,AnupBarai,T.R.Ashwin,YueGuo,MarkAmor-Segan,JamesMarco.Aninsightintotheerrorsanduncertaintyofthelithium-ionbatterycharacterisationexperiments.JournalofEnergyStorage24(2019)100761.