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从电化学角度分析电池、从电池角度理解新能源。

一、文章背景

在新能源电池行业，“极化”是出现频次最高的术语之一。电极极化、极化曲线、极化损失、浓差极化、去极化……，相关术语太多了。

那到底，什么是极化呢？

从字面上来讲，“极化”是一个非常抽象的词，但“极化”它就在我们的身边，甚至每天都会有接触。为了更好地理解“极化”的含义，我们从最常见的例子说起；然后，再从电化学的角度分析，为什么会发生“极化”。

例子1：以前你开油车，最近喜提一辆纯电动。你开油车的时候，高速比市区更省油，续航里程也更高；但是你开电动车上高速，发现百公里的耗电量居然比在市区要高，续航里程也打折扣了。

例子2：当前，小电驴非常普及，此时阅读文章的你生活中大概率也会经常骑行。当你在路口停车等绿灯的时候，这时小电驴的仪表盘可能显示电池满格或者60V；绿灯亮了，你拧紧“油门”，小电驴加速，这时候你会发现电池电量少了，或者电池电压变成成了56V，等你降低车速的时候，电量恢复满格或电压又升到了58V。

这两个例子的反常现象，其实都是“极化”在搞的鬼。

下面我们从电化学的角度看看，到底什么是极化，以及如何理解？  

二、什么是极化

极化是电极的一种状态，一种偏离了电极平衡电位的状态。

所谓电极平衡电位是指处于处于热力学平衡状态的电极体系里，氧化反应速率=还原反应速率→电荷交换和物质交换都处于恒量相等状态→导致外电路电流=0&电极电位=恒定值，这个恒定电位就是电极的平衡电位。

当电极电位≠平衡电位且有电流通过电极时，就叫这电极的极化。通俗地讲，你每天正常吃喝拉撒，有进食、有消耗，体重处于一个恒定状态，这就叫平衡。哪一天，你想减肥了，减少了进食或者增加了运动量，体重蹭蹭往下掉了，这就叫极化。

在电化学体系中发生电极极化时，阴极的电极电位总是变得比平衡电位更负，阳极的电极电位总是变得比平衡电位时更正。因此有：

阴极极化：电极电位偏离平衡电位向负向移动；

阳极极化：电极电位偏离平衡电位向正向移动。

在一定的电流密度下，电极电位与平衡电位的差值称为该电流密度下的过电位，用η表示：

式中φ是该电密下的电极电位，φ平是电极平衡电位。

过电位η是表征电极极化程度的参数，在电极过程动力学中有重要的意义。实际上，这个参数也是考核不同技术路线、评价能量转换效率的一个重要的参数。因为习惯上取过电位为正值，因此规定：

阴极极化：

阳极极化：

三、为什么会发生极化

世间万物都倾向于从高能→低能，从有序→无序。在电极/溶液界面上的微观物质、粒子也都一样。在《电化学|电极反应的特征与理解》中写过，电极/溶液界面是由两类导体组成，即电子导体和离子导体，分别对应电极和电解质，这里电解质既可以是固体电解质也可以是液体电解质。在整个电池体系中，包含了以下几部分：外电路、阳极电极/溶液界面，电解液、阴极电极/溶液界面，其中外电路是可以通过开关进行通断控制的。

外电路断开：

（1）阴极、阳极电极均处于动态平衡状态，氧化反应与还原反应的速率相等，并且建立了双电层以及平衡电位；

（2）由于外电路断开，整个电池体系中不具备电子持续传递的条件，因此电子积累在阳极电极内表面上；

（3）电解液虽然具备传递阳离子的条件，但是因为等量相反电荷的吸引，已经氧化的阳离子也基本无法移动，因此积累在阳极溶液界面；

（4）阴极的电极/溶液界面则恰好相反。

外电路闭合：

（1）当外电路闭合，电极上的电子具备了持续传递的条件。此时双电层的电子倾向于在电极和外电路中均匀分布，且处于高能状态，因此电子快速向阴极电极传递；

（2）电子向阴极电极快速传递，在阴极电极上积累电荷；

（3）由于阴极电极积累的电荷，在电荷的作用下，相反电荷的离子被吸引，并在阴极的电极/溶液界面处发生反应。

电极电路、溶液中均有电荷的定向移动，以及界面上有一定的净电极反应，使得两种导电方式得以相互转化。其中，电子的定向移动在电极表面积累电荷、使得电极电位偏离平衡状态，即极化作用；而电极反应则是吸收电子和离子，使得电位往平衡方向移动，即去极化。整个电极的变化就取决于极化作用和去极化作用的对立统一。

电极极化实质上是电极反应速度跟不上电子运动速度而造成的电荷在电极/溶液界面的积累。

四、极化曲线

我们还是以熟悉的氢燃料电池的极化曲线为例，电瓶车的铅酸电池和纯电动的动力电池极化曲线也基本相似。这里作为简要说明，后面文章结合过电势详细分析。

极化曲线的横坐标是电流密度（或电流），纵坐标是电压，极化曲线实际上是反应了电极在不同电流密度下的极化的程度。同一个电池、相同条件下，电流越大，极化的程度越深。

极化程度加深，需要更多的“驱动力”，表现为更多的电压损失。

极化曲线是表征了不同电流密度下，电位的极化程度。但是对于车而言，需要的是动力，动力需求传递给电机，最终转换为电池的功率需求。我们把电池的功率曲线与极化曲线结合到一起。可以看出来：

功率曲线存在一个峰值点，峰值点之前，功率随着极化程度的加深而增加，也就是功率需求越大，电流越大，电压越低。而无论是我们的电瓶车，还是纯电动，氢燃料电池车，电池的应用功率范围一般都在峰值点之前。

五、两个例子的闭环

我们先从例2说起。

小电驴停车：电池体系的状态是外电路处于断开状态；此时电池的电压为断路平衡电位，平衡电位由于未产生极化，电压较高；我们通过显示屏因此可以看到满电或者电压较高的状态；在极化曲线的图中，小电驴处于A点。

小电驴加速：电池体系的状态是外电路处于闭合状态；此时因为有功率需求，电流增大，电极偏离平衡电位，并朝着极化程度加深的方向运行，数值上表现为降低；我们通过显示屏因此可以看到电池不处于满格或电压降低状态。在极化曲线的图中，小电驴处于B点。

A ↔B：这里A点指的是停车或者低速状态，我们在骑行过程中反复加减速，功率需求在增加和降低之间切换，表现为电压的反复变化。

我们再说例1。

城市工况：我们平时在城市里开车，由于车速低，整车的功率需求并不大；对于电池而言，此时电极在低电流下运行，极化程度不高，电能损失也就不大，电池表现为更高的效率，表现为整车续航里程大。极化曲线图中，A点即为城市工况。

高速工况：当我们在高速开车时，由于车速快，风阻大等因素，整车的功率需求快速增大；对于电池而言，此时电极在高电流下运行，电极极化程度变高，电压偏离平衡电位更远，电能损失大大增加，电池表现为效率快速降低，表现为整车续航里程降低。极化曲线图中，B点即为高速工况。

这两个例子，都是我们生活中经常遇到的电极极化现象；它们本质上都是电池电极在不同条件下极化程度高低的外在表现。极化程度影响了能量转换的效率，也就影响了我们使用这些交通工具的动力性和经济性。另外，像手机发热、电脑散热等等，也都和电极的极化脱不了干系。

总之，极化既不抽象，也不遥远；相反，它就发生在我们生活中的方方面面，并且深刻地影响着我们。