自放電是鋰離子電池的固有現(xiàn)象。正常的電池每月自放電率約為 1% 的荷電狀態(tài)（SOC）。這一數(shù)值受電池溫度、荷電狀態(tài)以及電極材料影響，而異常的高自放電率則是電池存在缺陷的標(biāo)志。

電池出現(xiàn)這類缺陷的原因可能包括：電極或電解液材料存在問題、電池內(nèi)部混入有害金屬雜質(zhì)、隔膜出現(xiàn)故障，或是鋰枝晶生長(zhǎng)。這些缺陷的誘因涵蓋生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)、電池過充過放，以及高溫環(huán)境影響等。點(diǎn)擊此處，查看一則關(guān)于自放電異常根因的趣味案例。

為實(shí)現(xiàn)高良率的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)流程，工廠會(huì)對(duì)自放電超標(biāo)的電池進(jìn)行篩選剔除。除自放電檢測(cè)外，生產(chǎn)環(huán)節(jié)還會(huì)測(cè)量電池容量、內(nèi)阻等其他性能參數(shù)，結(jié)合多項(xiàng)指標(biāo)形成完整的電池優(yōu)劣判定體系。

傳統(tǒng)測(cè)量方法：開路電壓差值法（delta-OCV）

測(cè)量電池自放電的常用方法是開路電壓差值法。該方法的操作流程為：先用電壓表測(cè)量電池的開路電壓（OCV）；隨后將電池置于恒溫環(huán)境中儲(chǔ)存（即 “老化” 過程）3-5 天，期間電池會(huì)發(fā)生自放電。

自放電會(huì)造成電池荷電狀態(tài)下降，進(jìn)而導(dǎo)致開路電壓降低。老化階段結(jié)束后，再次測(cè)量電池的開路電壓。兩次測(cè)量的開路電壓差值通常僅有數(shù)毫伏。

行業(yè)內(nèi)通常將 5 mV 設(shè)定為開路電壓差值的判定閾值，以此區(qū)分合格與不合格電池。若電池的開路電壓差值超過 5 mV，說明其老化后的荷電狀態(tài)低于預(yù)期值，即電池在老化過程中出現(xiàn)了過度自放電。

圖 1 為闡釋電池自放電原理的簡(jiǎn)易模型。由于電池未外接任何負(fù)載或充電設(shè)備，外部端子無電流流入或流出，電池荷電狀態(tài)不會(huì)通過外部回路發(fā)生變化。但電池內(nèi)部存在一條經(jīng)由自放電電阻（Rsd）形成的電流通路，該電阻會(huì)引發(fā)內(nèi)部電流，造成內(nèi)部電容（Cint）的電量損耗。

1.簡(jiǎn)易電池模型，展示內(nèi)部電容（C_int）通過自放電電阻（R_sd）放電的電流通路。

需注意的是，在該模型中，用于存儲(chǔ)電能的元件被等效為超大容量電容（C_int），其電容值可達(dá)數(shù)萬甚至數(shù)十萬法拉。當(dāng)C_int通過R_sd釋放電能時(shí)，電容兩端電壓下降，電池的開路電壓也隨之降低。由此可見，開路電壓差值法本質(zhì)上是通過測(cè)量電壓變化，來表征C_int經(jīng)R_sd自放電的程度。

開路電壓差值法操作簡(jiǎn)便，但存在一個(gè)顯著缺陷：需要長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存電池。在大規(guī)模量產(chǎn)場(chǎng)景下，5 天的電池儲(chǔ)存周期意味著企業(yè)需要投入大量倉(cāng)儲(chǔ)空間，同時(shí)承擔(dān)高額的庫(kù)存持有成本。因此，行業(yè)亟需一種耗時(shí)遠(yuǎn)低于 3-5 天的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)電池自放電的快速篩查。

測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，讓制造工藝工程師開始關(guān)注兩種可實(shí)現(xiàn)快速自放電檢測(cè)的方案：

• 利用電化學(xué)阻抗譜儀（又稱電位儀）采集電池阻抗譜，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解讀。

• 使用專用設(shè)備 —— 自放電分析儀，直接測(cè)量電池自放電參數(shù)。

新型候選方法：電化學(xué)阻抗譜（EIS）

電化學(xué)阻抗譜儀的工作原理是：向電池施加正弦交流電流激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量電池的交流電壓響應(yīng)。在直流條件下，電壓與電流的比值為電阻（R）；而在交流激勵(lì)下，這一比值則為阻抗（Z）。儀器會(huì)對(duì)交流電流的頻率進(jìn)行掃頻，在每個(gè)頻率點(diǎn)采集對(duì)應(yīng)的電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)。通常掃頻范圍覆蓋較寬的頻率區(qū)間，例如 0.1 Hz 至 10 kHz。

為提升檢測(cè)效率，部分方案會(huì)簡(jiǎn)化為僅在幾個(gè)特定頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這種方式可降低儀器復(fù)雜度、節(jié)約成本，同時(shí)加快阻抗譜的測(cè)量速度。電化學(xué)阻抗譜技術(shù)的另一種變體是：向電池施加電流脈沖激勵(lì)，再通過快速傅里葉變換（FFT）等數(shù)學(xué)算法，提取電池響應(yīng)信號(hào)中的頻率成分。

無論采用哪種激勵(lì)方式，電化學(xué)阻抗譜技術(shù)的核心原理都是一致的：向電池施加不同頻率的電流激勵(lì)，測(cè)量電池在各頻率下的電壓響應(yīng)。

完成激勵(lì)施加與響應(yīng)采集后，儀器會(huì)生成奈奎斯特圖（Nyquist plot）—— 該圖譜以阻抗實(shí)部為橫軸，以阻抗虛部的相反數(shù)為縱軸繪制而成（見圖 2 上半部分）。電化學(xué)阻抗譜儀的配套軟件可根據(jù)掃頻原始數(shù)據(jù)自動(dòng)生成奈奎斯特圖，這是表征電化學(xué)阻抗的常用方式。

2.  上圖為某電池的奈奎斯特圖，下圖為基于該圖譜生成的電池等效電路模型（ECM）。

奈奎斯特圖的解讀方法超出了本文的討論范圍，但其核心規(guī)律是：圖譜的形態(tài)特征可反映電池的內(nèi)部特性。點(diǎn)擊此處，下載一份詳解電化學(xué)阻抗譜在電池測(cè)試中應(yīng)用的白皮書。

電池內(nèi)部的不同物理化學(xué)過程，對(duì)應(yīng)著不同的響應(yīng)頻率區(qū)間：

• 高頻段：主要反映導(dǎo)線與電池結(jié)構(gòu)的電感特性

• 中頻段（100 Hz）：對(duì)應(yīng)雙電層充電過程；低頻段（1-100 Hz）則對(duì)應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移的電阻特性

• 低頻段（<1 Hz）：可觀測(cè)到電極材料的離子擴(kuò)散過程

基于電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)與奈奎斯特圖，工程師可借助等效電路建模技術(shù)，構(gòu)建出電池的電氣等效電路模型（ECM，見圖 2 下半部分）。該模型能夠清晰呈現(xiàn)電池的具體特性，例如內(nèi)阻等關(guān)鍵參數(shù)。點(diǎn)擊此處，查看一款可根據(jù)電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)生成等效電路模型的軟件案例。

專用測(cè)量方法：自放電分析儀（SDA）

另一種自放電測(cè)量方案是使用專用設(shè)備 —— 自放電分析儀（SDA），該儀器專為電池自放電檢測(cè)這一單一功能設(shè)計(jì)（見圖 3）。其核心工作邏輯是：在電池發(fā)生自放電的同時(shí)，向電池補(bǔ)充微量充電電流，從而抵消自放電的影響，維持電池狀態(tài)穩(wěn)定。

3.  是德科技 BT2152B 型自放電分析儀可直接測(cè)量鋰離子電池的自放電電流，無需等待數(shù)天以觀測(cè)開路電壓變化。

在測(cè)量過程中，自放電分析儀會(huì)通過電池外部端子輸入精準(zhǔn)的補(bǔ)償電流，使電池的開路電壓保持恒定（即恒電位模式）。儀器直接測(cè)量的補(bǔ)償電流值，與圖 1 模型中流經(jīng)自放電電阻（R_sd）的自放電電流完全相等。采用這種方法，最短僅需 15 分鐘即可完成一次自放電測(cè)量。

電化學(xué)阻抗譜（EIS）與自放電分析儀（SDA）的測(cè)量性能對(duì)比

電化學(xué)阻抗譜技術(shù)可用于深入分析電池內(nèi)部的多種物理化學(xué)過程，例如電荷轉(zhuǎn)移、雙電層充電等。借助等效電路建模軟件，還能構(gòu)建出表征電池內(nèi)部具體元件的等效電路模型。

但需要明確的是，采用常規(guī)電化學(xué)阻抗譜技術(shù)無法識(shí)別出自放電電阻（R_sd）。原因如下：電化學(xué)阻抗譜的核心是通過施加特定頻率的電流激勵(lì)，觸發(fā)電池內(nèi)部對(duì)應(yīng)過程產(chǎn)生響應(yīng)，等效電路模型通常由多個(gè) RC 電路組成，這類電路屬于諧振電路，每個(gè) RC 電路都會(huì)在特定頻率下產(chǎn)生響應(yīng)。

而電池自放電是一個(gè)極其緩慢的過程，需要數(shù)天時(shí)間才能顯現(xiàn)出可檢測(cè)的變化。若要利用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)捕捉自放電特性，并構(gòu)建包含Rsd的等效電路模型，所需施加的激勵(lì)信號(hào)頻率必須極低。

從理論上分析，若要測(cè)量一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為 5 天（432000 秒）的自放電過程，激勵(lì)信號(hào)的周期需達(dá)到 432000 秒，對(duì)應(yīng)的頻率僅為 2.3 微赫茲（μHz）。如此低的頻率在實(shí)際測(cè)量中根本不具備可行性。

相比之下，自放電分析儀可在短短 15 分鐘內(nèi)完成測(cè)量，是檢測(cè)電池自放電的實(shí)用方案。

盡管電化學(xué)阻抗譜技術(shù)不適用于自放電測(cè)量，但它仍是分析電池內(nèi)部狀態(tài)的強(qiáng)大工具。借助快速高效的電化學(xué)阻抗譜變體技術(shù)，結(jié)合人工智能 / 機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，該技術(shù)可在生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電池優(yōu)劣的快速篩選。

但如果將自放電電流列為電池的判定指標(biāo)之一，則不能單獨(dú)依靠電化學(xué)阻抗譜技術(shù)。此時(shí)，生產(chǎn)測(cè)試流程需要同時(shí)整合自放電分析儀與電化學(xué)阻抗譜儀兩種設(shè)備。