梯次利用电池储能系统一致性维护方法研究

梯次利用电池储能系统与常规储能系统相比,面临更加困难的维护工作,需要研究高效的梯次利用电池储能系统维护方法 ,而维护工作的目的之一就是维护电池间的一致性。动力电池退役后应用于储能系统,相比传统新电池储能电站,电池一致性发散问题更为突出。随机抽取两组某纯电动公交车退役电池模组作为试验样本,测试电池模块剩余容量、欧姆内阻等参数,分析欧姆内阻的不一致性和SOC使用区间的不一致性对容量的影响。经分析,被测试退役电池在循环过程中,欧姆内阻没有明显增大趋势,容量的衰退主要由单体电池容量不一致性导致。然后提出一种基于抽样试验的梯次利用电池储能系统维护关键指标确定方法 ,并通过试验证明了该方法的有效性。通过数据分析,抽样电池模块在后期循环中,欧姆内阻一致性没有太大变化,但是SOC使用区间变化较大,尤其是高端SOC区间容量利用率随着循环次数的增加逐渐降低,影响了电池模块的可用容量,是维护中要重点关注的部分。     

Testing of the performance and energy-storage applied for retired LiFePO4 batteries

针对某电动公交车退役LiFePO₄动力电池,测试了电池的容量、直流内阻、常温下的储存性能,进而测试电池的倍率充放电性能、高低温特性和循环性能,分析了新旧电池相关参数的差异及变化规律;在此基础上,重组电池模组,测试其循环性能;最后集成了1MW·h梯次利用电池储能系统并参与风电平滑。结果显示,该动力电池容量衰退初始容量75%左右时,直流内阻只有小幅增加,电池常温下的储存性能、倍率性能、高低温性能下降不显著,电池单体和模块的循环性能良好,显示出该退役LiFePO₄电池具有较好的梯次利用价值。     

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。     

三元富镍锂离子电池不同充放电策略下的老化特性研究

在各种设备的日常使用过程中,伴随着设备老化一同到来,电池老化同样限制了设备主体的功能应用。文中针对三元高镍锂离子电池单体的老化特性进行实验测试,并通过混合脉冲功率性能测试法(HPPC)测量了电池处于不同老化阶段时的内阻值。基于锂离子电池长期充放电循环老化实验的测试数据,本文对其老化过程的容量衰减与内阻变化进行研究,并得出在2 C高倍率充电条件下,锂离子电池的容量衰减速率明显高于0.5 C与1 C倍率充电条件;荷电状态低于30%和高于60%的区间内,电池的内阻值偏大,且随着循环次数的增加,电池内阻值整体呈现上升趋势。     

Online detection method for incremental capacity internal resistance consistency

电池包单体内阻的不一致会导致短板单体的过充过放,诱发渐变性故障,加剧电池组的失效,安全检测成为市场需求。本文对不同老化程度的磷酸铁锂充电曲线进行分析之后,提出一种基于容量增量的内阻一致性在线检测方法：对充电数据进行分析得到容量增量峰的特征,进而表征单体之间的内阻差异,最后使用箱型图进行异常检测。使用已设计的电池检测系统对电池包进行在线检测与HPPC检测,验证对比发现：两者归一化的单体内阻分布存在较高的一致性,且容量增量在线检测方法成本低、操作简便,适用于大规模的商业电池进行内阻一致性检测,不会对工程效率以及电池组寿命产生影响。在线检测方法为锂离子电池全生命周期预防性安全检测提供方法指导。     

Low temperature thermal safety performance of soft packaged lithium iron phosphate battery

本文以剩余容量接近80%的软包磷酸铁锂电池为研究对象,研究其在-10 ℃低温充放电循环后的安全性能.对低温和常温循环后的电池进行热失控实验分析,同时解剖电池并测试电池材料的锂元素含量和热稳定性能.测试结果表明,电池低温循环过程中容量急剧衰减,低温循环后电池热失控温度明显降低,低温循环过程中电池负极析出了锂单质,电池材料的热稳定性也发生了变化.另外,还对低温循环后的电池进行了满电状态下的常温搁置实验,实验过程中电池全部产生胀气现象,通过进一步测试分析发现,气体以CO和H₂为主.与新电池对比发现,剩余容量接近80%的软包磷酸铁锂电池低温下充放电循环更容易产生锂枝晶,造成其电化学性能发生严重的不可逆衰退,热失控温度明显提前,因此剩余容量接近80%的磷酸铁锂电池应避免在低温下运行.     

集胞藻PCC-6803催化的光合微生物燃料电池性能研究

以集胞藻PCC-6803(Synechocystis PCC-6803)为阳极催化剂搭建直接利用太阳能的双室H-型光合微生物燃料电池(PMFC),通过极化曲线法、交流阻抗法、循环伏安法等电化学方法,开展电极面积比、质子交换膜、内阻等因素对光合微生物燃料电池产电的影响研究。试验结果显示:在PMFC运转过程中,其输出功率稳定,且达到的最大功率密度为72.3 mW/m2;阴阳极面积大小对PMFC产电性能没有显著影响,说明双室光合微生物燃料电池中,质子交换膜传递质子的速率较慢,限制了PMFC发电效能的提高。PMFC启动后,随着生物膜的增长,其欧姆内阻、极化内阻、总内阻都呈现下降的趋势,且欧姆内阻下降的速率小于极化内阻,从而使欧姆内阻占总内阻的比率变大,进一步说明质子交换膜传递质子的速率是限制PMFC发电的关键因素。     

高能量密度锂离子电池老化半经验模型北大核心CSCD

电池循环老化过程中容量会不断衰退,内阻也会逐渐增长,从而影响电池的使用寿命与性能表现。为建立电池容量衰退与内阻增长半经验模型,缩短探究电池老化特性所需的实验时间,采用具有高能量密度的21700锂离子电池,在0℃、23℃和40℃条件下结合1 C和2 C两种放电倍率组成了六种工况,对电池进行循环老化实验,分析温度等因素对电池容量衰退与内阻增长特性的影响规律。在结合Arrhenius方程建立电池容量衰退半经验模型时,额外引入了两个关于循环次数的幂函数和常数项,拓展了容量衰退半经验模型的适用性,使其能够适用于不同温度下表现出的不同容量衰减趋势。采用双指数函数累乘的公式形式建立了电池内阻增长的半经验模型,能够有效地预测内阻在不同工况下的增长规律。并利用交叉验证的方法证明了容量衰退与内阻增长半经验模型的准确性,能够用于预测电池在其他温度条件下的老化规律。最后利用建立的电池老化半经验模型,预测了该电池在15℃、30℃和45℃的容量与内阻变化情况,有助于更全面地了解电池的老化特性,并避免了大量重复实验,有利于提高研究效率。     

Performance of ceramic composite separators in lithium nickel cobalt manganese oxide/graphite lithium-ion batteries

陶瓷隔膜广泛应用在动力锂离子电池中,直接影响到电池的电性能。选取了6种商品化的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）/陶瓷复合膜和聚烯烃/陶瓷复合膜,研究了其表面形貌、接触角、透气度和吸液率。并选用这6种隔膜制作了容量为2 A·h的镍钴锰酸锂/石墨软包锂离子电池,考察电池的内阻、自放电、容量、阻抗、倍率性能、循环寿命和高温浮充。结果表明,使用涂覆的陶瓷颗粒直径较小且均匀（0.2～0.5 μm）,高吸液率（2.0 mg·cm^-2）,低透气度［72 s·（100 mL）^-1］和较小内阻（4.65 mΩ）的2号PET/陶瓷复合膜的锂离子电池综合性能最好,10C的高倍率下容量高达1 C的94.9%,5C的大倍率循环500次后容量保持率高达102%,65℃高温浮充1000 h后容量保持在初始的90.4%。     

基于锂电池温度特性的混合动力系统能量管理策略研究

为了提高重型串联式混合动力车辆的工作可靠性,从混合动力系统的组成架构入手,分析了系统的动力单元的特性和储能电池组的特性。而后基于Thevenin模型研究了电池组荷电状态和温度对电池的欧姆内阻和极化内阻的影响,由于电池温度对电池内阻有着显著地影响,提出了考虑电池温度特性的混合动力系统能量管理策略,即根据电池温度实时控制电池组的充电、放电电流,避免电池在极端温度下大倍率充放电引起的母线电压波动及电芯损坏等危害。实车道路测试对比了现有控制策略和所提出的控制策略,证明了基于电池温度的充放电功率控制策略的有效性。     

Measurements and application of thermal characteristics of soft-packed NCM lithium-ion power battery

锂离子电池的极化内阻是不可逆热测试的关键参数。为了更准确地计算极化内阻,针对三元软包锂离子动力电池,进行了HPPC测试、熵热系数测试、充放电温升测试,采用两种方法对极化内阻进行了计算,一种是通过电压变化量除以电流得到,另一种是通过建立二阶RC模型,结合HPPC测试工况辨识得到。根据两种方法得到的极化内阻,结合Bernardi生热速率模型公式对电池进行了1C充电和0.5C、1C、2C放电下的温度场仿真,并与红外热成像仪记录到的温度分布进行了对比。结果表明：根据二阶RC模型得到的极化内阻进行的仿真与实验数据吻合较好,说明利用二阶RC模型得到的极化内阻更加适用于电池持续充放电过程中的热分析。模型很好地模拟了电池不同充放电倍率下的温度场信息,对电池热分析及热管理可起到指导作用。     

电极结构对锂离子电容器电性能的影响

分别采用干法和湿法涂布工艺制备出活性炭正极和石墨负极,制作成066090型软包锂离子电容器(LIC)单体.采用恒流充放电嵌锂法对负极进行预锂化,理论嵌锂深度为85％.通过扫描电子显微镜(SEM)、剥离强度、电性能测试等表征方法,分析了干法和湿法涂布工艺对电极结构和形貌、黏结性能及电性能的影响.阐述了电极结构对软包LIC容量、内阻、耐久性、循环性能和低温性能的影响.结果表明,干法电极内有充分的黏结剂纤维结构,碳颗粒的接触紧密.干法电极的体积密度相比湿法涂布电极提高了8％以上,其剥离强度比湿法电极高50％以上.正极面密度/负极面密度为1时,在2.2～3.8 V的电压区间内,用干法电极组装的软包LIC的初始容量和内阻分别为645 F和25.5 mΩ,均高于用湿法电极组装的同类产品.用干法电极组装的软包LIC经1000 h耐久性测试后容量保持97％以上,经10万次循环充放电后容量保持88％,在-30℃下容量保持76％,均优于用湿法电极组装的同类产品.     

普鲁士蓝正极软包钠离子电池的滥用性能

以普鲁士蓝(PB)为正极,硬碳(HC)为负极,制作了软包PB/HC钠离子电池,研究了其滥用性能。该电池经过0 V过放电后,其充放电曲线和容量可完全恢复,并且内阻变化较小;即使经过-3.6 V的深度过放电,该电池仍可正常充放电。PB/HC电池还显示出优异的过充性能,经过20%、30%和40%过充后,电池的容量保持率分别可达97.9%、91.6%和88.6%,且20%过充电池的循环性能与未过充的电池相当。此外,PB/HC钠离子电池经过针刺、短路和加热实验后,不发生起火和爆炸,且经过短路实验后,电池没有出现显著的温升。以上结果表明,基于PB正极的钠离子电池显示出优异的耐滥用性能,在大规模储能中具有良好的应用前景。     

Failure mechanism of Li1+x(NCM)1-xO2 layered oxide cathode material during capacity degradation

镍钴锰三元层状氧化物（NCM）正极材料由于其优越的综合性能在动力/储能电池系统（ESS）领域得到广泛应用。虽然Ni含量的增加可提高三元材料的比容量及电池的能量密度,但相关电池体系的容量保持率和安全性将会变差。如何有效解决该矛盾是此类NCM电池所面临的关键问题。本文从NCM电池体系循环过程中常见的体相结构破坏和正极-电解液界面组成改变两方面失效现象出发,结合近年来国内外对NCM失效模式研究中所提出的新理论、方法、应用,从机械破坏、结构演变、电化学极化、化学副反应、正负极协同效应等多个角度对NCM材料的衰退机理提出见解,对指导电池用户合理制定充放电协议、缓解电动汽车（EV）里程焦虑乃至材料设计本身均有重要的指导及借鉴意义。     

二次利用磷酸铁锂动力电池并联特性研究

随着电动汽车的快速发展,未来将有大量的动力电池退役,这些淘汰下来的电池仍有可观的剩余容量和寿命,可以在静态储能等领域实现梯次利用。为了提高安全性和输出性能,淘汰下来的动力电池需要在筛选之后重新串、并联成组使用。以二次利用磷酸铁锂动力电池为研究对象,研究在单体电池内阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC不一致等情形下,电池组的并联特性,即并联电池组中各电池直流阻抗、电流不平衡度的变化情况。对于实现磷酸铁锂动力电池的梯次利用具有指导意义。     

Study on the characteristics of second life LiFePO4 batteries

随着电动汽车的快速发展,未来将有大量的动力电池退役,这些淘汰下来的电池仍有可观的剩余容量和寿命,可以在静态储能等领域实现梯次利用。为了提高安全性和输出性能,淘汰下来的动力电池需要在筛选之后重新串、并联成组使用。以二次利用磷酸铁锂动力电池为研究对象,研究在单体电池内阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC不一致等情形下,电池组的并联特性,即并联电池组中各电池直流阻抗、电流不平衡度的变化情况。对于实现磷酸铁锂动力电池的梯次利用具有指导意义。     

全钒液流电池健康状态(SOH)特性北大核心CSCD

电池系统健康状态(SOH)特性的准确掌握和评估对于提高电池储能系统的可调度特性和运行的经济性具有重要意义,是新型储能系统大规模应用非常重要的一个指标。本研究基于自主开发的全钒液流电池系统测试平台,模拟全钒液流电池系统实际运行工况开展了近2年的充放电实验。本文对全钒液流电池测试平台2年内的容量、能量效率,平均价态及电池内阻变化进行了总结和分析。实验数据表明,在本研究运行工况下全钒液流电池系统年度SOH降低幅度大约为4%,能量效率保持基本稳定。分析发现,平均价态变化使得放电末期浓差极化内阻快速增加是导致全钒液流电池系统容量衰减的主要原因,同时全钒液流电池系统SOH表现出与其他固态电池非常明显的差异性,即全钒液流电池的SOH是可100%恢复的。     

基于产线大数据的锂离子电池一致性动态特性分选方法

随着锂离子电池生产规模的迅速扩大,电池制造商急需高精度高效率的电池分选方法,增强电池成组后的一致性,从而提升电池组寿命、安全性和能量密度。基于容量和内阻等特性的传统分选技术可以满足成组后的静态一致性需求,但无法保证同组电池的动态一致性。因此,综合考虑电池在整个充放电过程中的性能,基于充放电电压曲线动态特性的分组方法是下一代分选技术的发展方向。本文基于电池产线大数据,从电池分容阶段的电压曲线提取关键动态特征,形成了基于K-means聚类的电池分选方法。此外,本文还从电池分容后的回充阶段提取了用于评估电池性能一致性的指标,并设计了一个以指标标准差为核心的电池一致性评价方法。与传统的电池分选方法相比较,本文方法分选后的电池综合性能一致性提高了15.65%。     

喷雾干燥法制备石墨烯包覆富锂锰基材料Li1.22Mn0.52Ni0.26O2及其电化学性质

本工作采用喷雾干燥法制备了小片径石墨烯包覆的Li1.22Mn0.52Ni0.26O2富锂锰基材料(G-LNMO),系统研究了包覆前后材料的晶体结构、微观形貌及电化学性质.扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)结果表明,该方法实现了石墨烯对富锂锰基材料(LNMO)的均匀包覆.充放电测试表明,石墨烯包覆后将LNMO材料在0.1 C和1 C倍率下的放电容量分别从199.8 mA·h/g和87.1 mA·h/g提升至220.2 mA·h/g和117.6 mA·h/g.在0.5 C倍率下经过100次循环后,G-LNMO材料的容量保持率为88％,相比于LNMO材料提升了17％.电池充放电曲线及电化学阻抗分析显示,石墨烯包覆能够显著提升电极动力学,降低电池在充放电过程中的极化,减缓电极/电解液界面副反应的发生,进而提升材料的循环稳定性和倍率性能.     

高功率锂离子电池软/硬复合碳负极材料CSCD

为了满足储能市场对高功率电池的需求,开发具有高功率性能的锂离子电池负极材料成为必然发展趋势。本文通过湿式合成法将软碳和硬碳的前驱体进行复合,开发了一种新型的复合碳锂离子电池负极材料。考察了其克比容量、库仑效率、倍率性能以及循环稳定性。用X射线粉末衍射(XRD)、拉曼、扫描电镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)对所制备的复合碳材料的结构和表面形貌进行表征。结果表明,该复合碳材料同时具有软碳和硬碳的优点,且性能优于机械混合碳,在保持高比容量和高效率的前提下,倍率性能尤为突出,其2C容量可达154 m A·h/g,且2C/0.2C的容量保持率为64.2%;同时0.2C克比容量为240 m A·h/g,库仑效率为82%。经过5C充放电后,恢复0.2C小电流充放电后,容量保持率达99.8%,循环稳定性很好。XRD、拉曼以及透射电子显微镜的表征结果均表明软、硬碳在复合过程中不只是简单机械共混而是具有协同效应。