锂离子电池无损析锂检测研究进展北大核心CSCD

人们对新能源汽车快速充电的需求与现有纯电动汽车的充电效率之间的矛盾将会越来越突出。锂离子电池在正常充电速率下,锂离子嵌入石墨负极;当充电倍率逐渐增大时,金属锂来不及嵌入石墨层状结构时便会沉积在石墨颗粒表面,出现“析锂”现象。当析锂现象随时间慢慢累积后,电池容量渐渐降低,严重时甚至会发生热失控事件。在锂电池早期发展阶段,检测析锂非常具有挑战性,且主要基于拆解电池后的形貌检测,这类检测方法对电芯造成了不可逆的损坏,无论是在后期研究还是实际应用中都是非常不友好的方式。近年来,研究人员已经提出了许多无损(即非拆解的方式)析锂检测方法,本文综述了无损析锂检测的方法,将其分为四类:(1)基于锂引起电芯老化的检测方法;(2)基于锂引起阻抗变化的检测方法;(3)基于锂引起电化学反应的检测方法;(4)基于锂引起电芯物理化学特性变化的检测方法。本文系统地对现有的无损析锂检测方法的原理、优缺点进行了概述,并对目前无损析锂检测方法进行了总结与展望,以提出这一不断发展的研究领域的技术现状和当前的研究空白。     

阻抗分析法在锂离子电池析锂阈值检测中的应用北大核心CSCD

本工作应用阻抗分析法对锂离子电池在不同温度及充电倍率下的析锂阈值进行检测。验证该方法可行性,与无损检测方法-弛豫电压分析法即dV/dt法进行对比分析。以电池充电过程中通过间歇式休眠获得的阻抗值作为分析数据,充电末期阻抗下降的拐点代表电池开始发生析锂,对应的电压及荷电态即为电池的析锂阈值。结果表明该阻抗分析法可以实现对电池析锂的无损检测,其结果与弛豫电压分析法一致,而且阻抗分析法不仅可准确判断电池是否发生析锂,而且可以测得电池开始发生析锂的阈值电压或荷电态,从而为充电制式优化提供依据。通过使用阻抗分析法对圆柱型三元电池、磷酸铁锂电池进行析锂阈值电压的检测,并结合不同温度和充电倍率对电池析锂边界进行了分析研究,结果表明对磷酸铁锂和镍钴铝三元电池来说,两种电池都在低温环境中极易发生析锂现象,而随温度的升高,电池发生析锂的阈值逐渐提高,析锂现象有所改善。而对镍钴铝三元电池,常温下增大倍率至0.6 C充电时,电池便开始发生析锂。说明以析锂阈值法对电池进行监测分析对后续电池充电策略的制定有着十分显著的作用。     

模拟仿真在锂离子电池热安全设计中的应用北大核心CSCD

随着锂离子电池的广泛使用,锂离子电池热安全问题日益突出。相比于成本高、破坏性大的实验方法,建模仿真因其经济、安全、快速等优势成为锂离子电池热安全研究的重要手段。本文从微观建模、单电池建模以及电池组建模三个尺度对最新的锂离子电池模型及其在热安全设计中的应用进行了综述。着重介绍了锂枝晶的生长调控和电解液的安全设计方面的模拟仿真、单电池模型与热方程耦合的应用以及锂离子电池组热模型在优化电池热管理系统方面的研究。最后总结了现有的锂离子电池热模型存在的缺陷,并对锂离子电池热模型未来的研究方法做出了展望。     

锂离子电池在新能源汽车中的设计及应用北大核心CSCD

随着新能源领域的不断发展,电动汽车逐渐成为新能源汽车的主体,其动力来源以锂离子电池较为普遍。因具有自放频率低、能量高、使用年限长等特点,锂离子电池逐渐成为了新能源汽车的首选。随着锂离子电池应用范围的不断扩大,出现了充电安全隐患、挤压碰撞致使损坏等一系列问题。锂离子电池的科学应用是目前研发新能源电池应首要关注和研究的重点,对新能源汽车领域的发展有着至关重要的作用。     

锂离子电池快充策略技术研究进展北大核心CSCD

电动汽车的普及是锂离子电池的主要需求来源之一。而电动汽车的充电性能是影响普及进程的一个重要的考量参数。在材料体系不变的情况下,取代传统恒流恒压充电策略的新型充电策略近10年内也吸引了很多研究者的关注。另外,新一代电池管理系统也对充电策略提出了更高的要求。本文阐述了各种优化的充电方法及其特点和应用。研究结果表明,与传统的恒流恒压充电策略相比,优化的充电方法可以减少充电时间,改善充电性能并有效延长电池寿命。最后,本文还提出了对未来优化充电策略的展望,希望未来在线辨识和实时更新的模型参数的方法或者通过在线的方法辨识特征信号带来更加强大的充电策略。     

基于火灾事故树模型的储能锂离子电池安全性检测方法与验证北大核心CSCD

规模化储能应用对锂离子电池提出了更高的安全性需求,充分挖掘储能用锂离子电池安全性检测技术对提升电池安全性能具有重要意义。GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》作为我国首个储能电池国家标准,其中规定的安全测试条款是否科学合理,检测方法是否可行亟待验证。本文基于储能锂电池安全事故触发因素,将火灾发生的必要因素通过火灾事故树原理层层分解。再利用布尔代数算法进行模拟,提出储能电池安全检测项目,与国家标准GB/T 36276—2018进行对比分析,验证了现行国家标准条款的科学合理性。最后基于试验平台,选用三元锂、钛酸锂、磷酸铁锂及锰酸锂等不同体系储能用锂离子电池开展了14种安全检测试验,对提出的测试项目进行试验验证。国内外首次验证了国家标准GB/T 36276—2018中安全测试条款的操作性和可行性,也为国家标准GB/T 36276新版本的修编提供了依据和数据支撑。     

基于SVD-SAE-GPR的锂离子电池RUL预测北大核心CSCD

锂离子电池是重要的储能手段之一,对其剩余使用寿命(RUL)进行预测具有非常重要的实际意义。本工作首先针对传统特征提取方法依赖参数设置且对于不同锂离子电池数据集适应性差的缺陷,将电池数据视作矩阵,并引入奇异值分解(SVD)从测量数据和包含更多退化信息的特征提取对象中提取潜在健康因子(HIs)。其次,潜在HIs的冗余和不足会影响RUL的预测,同时考虑到主成分分析(PCA)的缺点,使用Spearman相关分析和堆叠自编码器(SAE)处理HIs得到一个融合HI。在此基础上,利用高斯过程回归(GPR)算法构建了融合HI与容量之间的模型,得到了带有不确定性表达的最终预测结果。最后,通过NASA提供的四个老化电池数据验证了所提预测模型的可行性和有效性。并额外选取MIT电池数据集验证特征提取方法的适应性。实验结果表明,所提出的RUL预测框架具有较好的预测性能,SVD特征提取方法在避免参数设置的前提下具有较好的适应性。本工作提取的HI与经过PCA融合的HI、其他HI相比,预测精度有显著提高。     

基于拓扑滤波与改进Canny算子的锂离子电池电极缺陷检测北大核心CSCD

电极作为锂离子电池的重要组成部分,其质量直接关系到电池的电化学性能、安全性能及使用寿命。锂离子电池电极的生产环境复杂且缺陷形态多变,针对电极图像拍摄过程中易出现的亮度不均以及缺陷对比度低等问题,提出一种基于拓扑滤波与改进Canny算子的电极缺陷检测算法。首先采用基于拓扑学原理的滤波模板抑制图像背景噪声,针对图像整体灰度值过高的问题,应用灰度变换矫正图像灰度分布,增强图像对比度;其次考虑到背景细小纹理较多且边缘信息较弱,提出一种改进Canny算子,采用双边滤波降低图像噪声的同时有效避免边缘模糊,多尺度增强算法改善光照不均增强图像细节;应用四方向的Sobel算子计算梯度幅值和方向以获取更多的边缘信息,提升边缘定位的精确度;基于最大熵算法自适应确定高低阈值,避免边缘点判定的局限性,提高边缘连接的效果。实验研究结果证明相对于其他算法,该算法可以较好地保护边缘细节,精确完整地提取出缺陷轮廓,表现出更优越的准确率和抗噪性,具有一定的实用价值。     

高能量锂离子电池硅基负极黏结剂研究进展北大核心CSCD

硅材料具有较高的理论容量,被视为发展高能量锂离子电池的重要材料之一。但是硅在充放电循环中体积变化较大,会导致负极材料粉化,严重影响电池的电化学性能。黏结剂作为电极的重要组成部分,对于稳定负极结构,改善电池性能具有重要作用。总结归纳了合成类聚合物、生物类聚合物等硅基负极黏结剂的研究进展,合成类聚合物主要包括聚丙烯酸类、聚偏二氟乙烯类以及导电类黏结剂,生物类聚合物主要包括羧甲基纤维素类、海藻酸钠类以及其他生物类黏结剂。分析了选择硅基负极黏结剂的条件,包括要有极性官能团、具有一定的弹性和机械强度、化学稳定性高、最好具有一定的导电性等。极性基团可以与硅表面的羟基形成氢键,增强材料之间的黏结性能,为了更好地制约硅的体积膨胀,可以对其进行改性,使其具有一定的弹性和自愈能力;也可以选择一些导电物质,使黏结剂本身具有导电性能,可以提高电极内部导电网络的稳定性并提高活性物质的含量等。本文也为黏结剂的选择和发展提供了思路。     

锂离子电池电解液痕量水污染的超声表象北大核心CSCD

锂离子电池电解液痕量水污染是导致电池产气和快速失效的重要原因,而过去对痕量水污染电芯缺乏无损检测分析技术。本工作基于超声无损成像技术对微量产气副反应的敏感性,对不同水含量电解液商用NCM523/AG软包电池化成、静置、循环过程中的产气行为进行了超声透射扫描成像,并结合EIS/SEM和充放电特性对其老化和失效机制进行了分析。结果表明痕量水的存在会造成电解液的损耗,加速气体生成,增加界面阻抗和极化电压,造成库仑效率降低和可逆容量衰减,加快电池失效过程。本研究对电池生产过程质量控制以及使用过程的失效机理分析具有指导意义。     

基于正交试验的锂离子电池热失控仿真北大核心CSCD

锂离子电池热失控是由多种因素耦合而导致的结果,得到影响锂离子电池热失控影响因素的重要性程度对于提高电池安全性具有极大意义。对此,针对针刺导致的锂离子电池热失控,利用COMSOL软件仿真分析了不同针刺位置、速度、直径、SOC(state of charge)对锂离子电池单体针刺热失控影响,得到对单体电池热失控影响的重要因素。基于单体针刺热失控仿真结果,以4个锂离子电池单体组成的模组为研究对象,利用单因素仿真试验分析不同钢针直径R、电池SOC以及针刺电池个数N对电池模组热扩散影响;基于此,本文分析了针刺电池个数N、钢针直径R及电池SOC耦合作用热失控的正交试验。结果表明:相对于针刺位置、针刺速度对电池单体热失控影响,电池SOC和针刺直径R对电池单体热失控影响较为显著,且针刺直径R越小,单体电池热失控越剧烈;电池SOC越大,热失控时电池温度分布越不均匀;针刺直径R越大,模组热扩散需要时间越长;当SOC在100%~85%范围内时,模组内各电池单体的热失控最高温度变化较为明显;针刺电池个数N越大,模组热失控越剧烈,但位于模组中间位置的电池热失控最高温度有所降低。针刺电池个数N、SOC、针刺直径R对电池模组热失控温度和扩散时间的影响程度主次顺序为:N>R>SOC*R>SOC*N>N*R>SOC,其中,针刺电池个数N对电池模组热扩散影响最显著,且不同因素间的交互作用不容忽视。本工作为提高电池的安全性及电池设计提供了参考依据。     

锂离子电池加速循环测试研究北大核心CSCD

以圆型21700 4.8 Ah电池为测试样本,采用零和脉冲法进行加速循环测试研究。以所筛选的10%SOC作为最优的荷电态测试区间,对3种不同正负极材料组成的实验电池进行7天的加速循环测试,以基准电池参数为对比,综合多种参数对电池循环性能优劣进行分析评价。通过对电池加速循环前后的容量保持率分析,即可获得与常规循环测试一致的测评结果:负极二元化电池的放电容量保持率最高,为99.75%,其次是基准方案电池,为99.43%,而正极二元化电池的放电容量保持率最低,为96.33%。此外,通过对电池在加速循环过程中的直流内阻和极化电压增长率的分析,正极二元化电池的增长率远高于其他两种电池。进一步通过对电池瞬时及弛豫阻抗的拆解分析,可知导致正极二元化电池循环较差的原因主要是其正极及负极上均发生了大量的副反应,由于界面膜增厚及沉积物增多导致固相扩散阻抗增大,因此弛豫阻抗增长率达40%。通过对循环后电池进行EIS测试及正负极的物性分析发现,正极二元化电池的扩散阻抗显著较高,且其正极二次颗粒碎裂程度较高,此结果可初步解释正极二元化电池在加速循环中因正极碎裂引发副反应导致固相扩散阻抗增长率较高的现象。该加速循环测试方法以实际循环制式为依据,不引入额外的温度及倍率等应力影响因素,通过对各种测试参数的综合分析,达到定性判断实验电池循环性能优劣的目的,不仅可以大大缩短电池循环测评周期,同时可以为电池循环衰减原因分析提供依据。     

锂离子电池硅基负极循环过程中的膨胀应力北大核心CSCD

研究硅基负极在充放电及循环过程中的膨胀对开发下一代高比能锂离子动力电池具有重要意义。本工作采用商业化的SiO_(x)/Graphite为负极匹配高比能镍钴锰酸锂[Li(Ni_(0.8)Mn_(0.1)Co_(0.1))O_(2),NCM811]正极,组装了60 Ah大软包电池,并对其进行循环膨胀应力、应力增长机理与膨胀应力的改善等方面的研究。结果表明SiO_(x)材料的构成为3~5 nm Si颗粒分散在无定形的SiO_(2)内部,首次充放电比容量为1840.9/1380 mAh/g,库仑效率为75%。大软包电池单次充放电膨胀应力的变化为7320 N,约为石墨负极的4倍。工作温度越高容量衰减越快,衰减到70%SOH时,25、45和60℃对应的循环次数分别为980、850和500次,对应的最大膨胀应力分别为25107、25490、23667 N。此外,机理分析发现电池循环膨胀应力的增长和容量衰减之间为线性相关,CP(cross section polisher)-SEM分析发现膨胀应力的增加主要来自于SiO_(x)颗粒表面的破裂及副反应导致的SEI(solid electrolyte interphase)增厚。通过测定缓冲垫压缩曲线的方法筛选了合适的聚氨酯类缓冲垫,验证对循环无影响,但可以显著改善膨胀应力的增加,膨胀应力降低50%,这些结果将为更好地应用高比容量的硅基负极材料奠定基础。     

锂离子电池储能集装箱爆炸危害数值模拟北大核心CSCD

随着电化学储能的规模化发展,以锂离子电池为能量载体的电化学储能电站火灾燃爆事故时有发生,成为制约其安全健康发展的主要瓶颈。储能集装箱本身的安全措施及摆放间距对于燃爆的发展及扩散有着重要的影响。本工作通过改变点火位置和泄压板强度来探究不同的冲击波压力和火焰传播速度变化对储能集装箱安全的影响,发现当着火点位于近进风百叶窗一侧时,冲击波压力升高,火焰传播速度增大,分别可达41.28 kPa和557.0 m/s。泄压板对储能集装箱安全设计至关重要,且仅在进风百叶窗处设置泄压板且将开启压力设置为30 kPa时,计算区域内已发展为爆轰,对周边安全造成较为严重的影响。此外,研究结果表明,单个储能舱发生燃爆后,在短边间距达到10 m时将会对周边造成的影响最小。该研究可为储能电站锂离子电池火灾事故预警、集装箱结构和防爆设计提供参考。     

锂离子电池单颗粒动力学表征方法综述北大核心CSCD

传统的电池材料性能测试方法将材料制成半电池或全电池,并根据电池性能(如能量密度、倍率性能、体积形变等)反推材料性能,如实际克容量、平衡电势、扩散系数、离子/电子电导、交换电流密度、体积膨胀率等。该方法存在以下两方面问题:第一,误差显著:电池含有多种材料,单体性能测试结果受到不同材料各自热/动力学过程的混合影响,不能反映单一材料性能;第二,浪费巨大:电池单体容量远超单个粉体颗粒容量,以单体为对象进行材料性能测试将浪费大量物料、电能、时间。综合比较不同尺度电池研究对象后,本工作认为直接对单个颗粒开展电化学测试既剥离了电极中非活性物质及孔隙的影响,又保留了材料缺陷、微观结构等特性,是目前表征材料动力学性能的理想方案。本工作围绕锂离子电池单颗粒动力学表征方法,梳理了单颗粒尺度测试技术,并在测试体系、测试对象、对象可选择性、嵌锂态控制、外部应力等方面综合比较了各种方法。基于此,从材料性能表征与材料参数获取两方面论述了基于接触式单颗粒微电极和连接式单颗粒微电极的动力学表征方法。最后,综述了单颗粒动力学表征方法与其他材料表征方法的联用案例以及发展方向。     

低碳旅游:新能源电池在旅游业中的应用北大核心CSCD

近年来,随着城市建设力度与生活水平的不断提高,人类对能源的需求不断增加,这不但造成了严重的能源短缺问题,而且给自然生态环境保护带来了巨大压力。为进一步减少社会发展对传统不可再生能源的依赖与消耗,研究人员在新能源的开发与应用方面投入了大量的时间与精力,设计、提出并生产了多种新能源设备和新能源供能工具,这在一定程度上缓解了日益严重的能源问题。     

聚焦离子束显微镜技术在锂离子电池领域的研究进展北大核心CSCD

电极材料作为锂离子电池的关键结构组成部分,其结构稳定性直接决定着锂离子电池的电化学性能。由于电极材料具有对空气、水分敏感,不耐电子束辐照等特性,且在充放电过程中,电极本身及其所处化学环境不断变化,表征其微观组织形貌和结构具有挑战性。聚焦离子束-扫描电子显微镜作为重要的微纳米尺度精细加工设备,是制备透射样品的重要手段,已广泛应用于半导体、生物等领域。本文通过对近年来相关文献的探讨,综述了聚焦离子束基于锂离子电池领域的解决方案,着重阐述了聚焦离子束在三维重构、冷冻加工、构建单颗粒电池方面的最新进展,采用三维重构技术可以获取电极材料中的孔隙网络、多相结构、体积变化等三维特征信息,进行定量评估,建立微观结构模型对电池性能进行预测。基于冷冻加工技术,将液态电解质、Li金属等束流敏感材料冷冻,保持其原始形貌和化学性质,可以有效表征Li金属阳极以及固液界面的本征信息。构建单颗粒微型电池可以实现原位观察单粒子循环过程中的微观结构演化,避免黏结剂、导电添加物等对材料本征性能的影响,确定电极材料的内在特性。本文详细介绍了聚焦离子束在这3个方面的加工过程,并分析加工过程中存在的不足,提出目前面临的主要挑战。本文从锂离子电池材料特性和聚焦离子束实验方法出发,为该领域科研人员提供便利。     

锂离子电池电极微结构的分形建模及热-化耦合北大核心CSCD

锂离子电池电极是决定电池性能优劣的关键因素,在多孔电极理论基础上引入分形理论,重构电极的微结构,考虑结构参数以及温度对有效扩散系数的影响,推导出锂离子在固、液相中有效扩散系数的理论模型,对其影响因素进行分析;建立热-化耦合模型,分析热模型与电化学模型之间的关系;模拟放电过程,探究不同固、液相有效扩散系数对放电性能的影响。结果表明,液相中锂离子的有效扩散系数随面积分形维数、孔隙度以及温度增大而增大,随迂曲分形维数增大而减小;固相有效扩散系数随面积分形维数增大而减小;在相对高倍率放电的情况下,改变负极颗粒粒径大小及分布,使得电极微观结构发生变化,从而使锂离子在固、液相中有效扩散系数发生变化,进一步影响了电池的最大放电容量。本工作为锂离子电池电极的制造提供了基础理论参考。     

基于锂离子嵌入模型的NCM811电池性能北大核心CSCD

本工作以NCM811电池为主要研究目标,探究在正常工作情况下的电池性能。具体包括不同环境温度与放电倍率下的放电性能,以及初次循环与第2000次循环时的电池容量变化,得到电池的电压曲线,并将结果与NCM523电池以及NCA电池进行对比。同时,由于NCM811电池存在热安全问题,因此,探究了其在热失控情况下自身的电压与温升情况,总结了其温度传递规律,并与实验结果进行对照。基于上述结果得到:电池在正常工作情况下,NCM811电池在倍率充放电性能上表现优异,在大倍率充放电时电池容量保存较好,NCM523电池与NCA电池均表现出电池容量衰减;在电池的循环老化方面,与NCM523电池相同,NCM811电池也表现出明显的容量衰减,NCA电池容量几乎不发生变化;在高低温放电方面,电池在低温时的产热均高于高温时的产热,在相同的环境温度下,NCM811电池温升最为明显,存在较大的热安全隐患,NCM523电池与NCA电池升温较为平缓;在电池发生热失控时,电池电压突降至0 V,温度短时间内升至1200 K左右,仅在发生热失控的部分,温度随时间变化明显,其余部分温度趋于恒定。与实验过程相比,仿真过程热失控触发时间较晚,温度升高较快,电池最高温度较低。