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。     

超高功率密度锂离子电池放电性能及容量预估研究

研究一种以钛酸锂氧化物（LTO）为负极材料的锂离子电池，对电池在不同倍率下的性能以及温升情况进行研究，并对电池在66C(C为最大容量)的放电倍率下进行连续循环放电测试，通过实验可得：电池在66C状态下达到最大温升，最高温度51.72℃，达到最大温差25.65℃，其中最大产热率为739.97 W,66C放电倍率下电池放电深度仅为总电量的42%，随着循环次数以及放电倍率的增加，电池的内阻呈逐渐减小的趋势，最小为0.63 mΩ。最后根据电池在高倍率下的循环放电，对卡尔曼滤波算法进行改进，应用扩展卡尔曼滤波算法对电池的容量衰减进行预测，验证了此算法在高倍率放电情况下的适用程度，误差最大控制在0.05以内，达到了良好效果。     

Multi-stage capacity loss of lithium-ion batteries originating from the multi-slope nature of open circuit voltage curves

锂离子电池老化过程中的多阶段容量损失,即由大致成线性的容量损失阶段突然变为急速下降的容量损失阶段,引起了人们越来越多的关注。我们发现这种多阶段容量损失特征可以由锂离子电池开路电压曲线的多段斜率形状引起。电池老化过程中的内阻增加,给定放电规程下的放电截止电压落到电池开路电压曲线的不同斜率区间,导致了不同的容量损失速率。为了解释这一现象,我们首先以一个两阶段的示例演示了此过程,然后,建立了一个通用的模型来模拟电池老化过程中的容量多阶段衰减,该模型考虑了电池正负极的开路电压曲线与内阻,可以引入多种材料体系、多种老化机理。本研究为锂离子电池老化行为研究提供了新的视角,可为锂离子电池全生命周期使用提供帮助。     

锂离子电池低温充电老化建模及其充电策略优化CSCD

为了促进新能源汽车在寒冷地区的推广,对锂离子电池低温充电老化及其充电控制策略的研究具有重要意义。本工作基于大量低温充电实验数据,建立了多应力低温充电老化模型。以温度为主要影响因素,同时考虑充电截止电压和充电倍率及充电循环次数对电池老化的影响。引入衰退加速度因子,将多个充电应力相结合作用于整体模型,并对模型的估计精度进行了仿真测试。在此基础上引入遗传算法对充电控制策略进行优化,以充电电压为基准,将达到充电截止电压前的充电过程均分为多个充电阶段,将各阶段充电电流作为遗传算法的基因序列,以充电老化速率和充电时间作为优化目标,进行迭代优化。仿真结果表明所建立的低温充电老化模型具有较高的参数估计精度,充电控制策略能够有效较少电池老化并节约充电时间。通过设计的充电控制器对充电策略进行了实验测试,测试结果与仿真结果相同。对电池低温充电进行的实验,摸索了低温充电对电池寿命衰退影响的规律,实验数据、老化模型和充电策略优化方法有较为直接的参考价值。     

锂离子电池低温快速加热方法研究进展

锂离子电池的性能直接影响电动汽车的续航、安全性和可靠性.低温环境下,锂离子电池功率特性变差、循环寿命衰减、可用容量降低,同时面临低温充电难、充电易析锂等问题,这些因素阻碍了电动汽车的发展.低温加热技术是电池热管理系统的核心技术之一,是缓解动力电池在低温环境下性能衰减的关键.本文综述了包括内部自加热法、MPH加热法、自加...     

软包锂离子电池真空环境下循环性能特性

为研究飞行器和轨道空间站等低气压真空环境下,锂离子电池的循环安全性能。实验采用商用Li(NiCoMn)O2软包锂电池,在球舱近似真空压力下,进行0.5 C倍率循环充放电实验,并与常压环境下进行对比分析。研究发现：真空循环后,电池出现严重的大面积不可恢复形变和褶皱且厚度增加。随着循环次数增加,容量加速衰减,循环10次后容量低于80%。但恢复常压后,出现少部分容量的恢复;真空下扩大了充放电过程中的膨胀与收缩效应,加速了容量的衰减同时也造成部分容量的假性损失;电池周期性升温和降温速率加快,周期内温度不均匀性加剧,最大温差可达12.9℃,充放电的热稳定性和安全性变差,同时潜在的热灾害危害性变大。通过微分容量分析发现,低压真空环境下,所产生的活性锂的损耗和电极材料结构的损伤是降低电池循环充放性能的重要因素。     

过充循环老化电池产热特性

锂离子电池凭借其良好的性能,在新能源汽车的发展过程中备受青睐,但电池成组后因为电池的不一致性等原因会造成部分电池出现过充电现象,长期循环会影响电池的性能和寿命。本工作对某锂离子电池分别进行了4.3 V、4.4 V和4.5 V的过充循环试验,通过对新电池及过充循环后的电池进行开路电压温度系数测试、混合功率脉冲测试和等温量热测试获得了电池的熵热系数、等效直流内阻和产热功率及产热量,并利用Bernadi产热模型计算了电池的可逆热和不可逆热,综合分析过充循环对电池充放电产热特性的影响。结果表明,高的过充电压对电池性能影响更加明显,与新电池相比,4.3 V、4.4 V过充循环后的电池内阻增加并不明显,4.5 V过充循环后电池内阻最大增加了42.41%;过充循环后的电池熵热系数曲线波动更加明显且幅度随着循环电压的增大而增大;相比于放电,过充循环对电池的充电产热特性影响更明显;在电池产热的热源中,过充循环会先对可逆热产生影响,且随着过充电压的升高,可逆热占比呈现出增大的趋势。     

采用阳极预锂化技术的锂离子电池高倍率老化容量衰减机理研究

通过阳极预锂化技术,可以补充锂离子电池在化成以及后续循环过程中活性锂的损失,由此提高锂离子电池的能量密度以及循环寿命.然而阳极预锂化后锂离子电池衰减机理如何变化,一直没有明确的研究结论.本文研究了经阳极预锂化的石墨-磷酸铁锂电池在高倍率老化过程中,充放电电位、电池容量、电池健康状态(SOH)、电化学阻抗等的演变过程,并...     

Nitrogen doped secondary particle graphite anode for high capacity and high rate Li ion battery

本研究采用低成本易量产的方法制备了二次粒子黏接的石墨负极材料,并对其进行了氮掺杂,制备出具备高比容量和高倍率特性的锂离子电池负极材料。在扣式电池测试中,该材料表现出359.8 mA·h/g的可逆容量,组装的软包装全电池最小比能量可达230 W·h/kg,体积能量密度可达650 W·h/L。该软包装电池具备良好的3 C快速充电能力,充电容量可以在10 min内达到额定容量的51%,30 min即可充满电量,表现出极好的快速充电特性。在室温下进行3 C倍率充电和1 C倍率放电的循环测试中,循环1000次循环后容量保持率依然超过88%的初始容量,循环厚度膨胀率为10.1%,可满足大多数电子设备和电动汽车的需求。     

基于WOA-XGBoost的锂离子电池剩余使用寿命预测北大核心CSCD

使用早期数据准确预测电池剩余使用寿命(RUL)可以加速电池的改进和优化。然而电池退化过程是非线性的,且在早期阶段容量衰减可忽略不计,使得RUL预测具有挑战性。为解决这一问题,本工作使用电池早期循环数据,并构建WOA算法和XGBoost算法的混合预测模型预测RUL。文章首先对电池实验数据进行预处理,观察放电电压-容量退化曲线和容量增量曲线的变化,选取与实际容量状态相关性较高的潜在特征,并将其时间序列数据作为XGBoost预测模型的输入,然后采用WOA算法对模型进行参数优化。最后使用由丰田研究所提供的84个在多步充电和恒流放电条件下的锂离子电池数据进行验证,结果表明所提出模型仅使用前100个周期循环数据即可对整个电池寿命预测,测试误差低于4%。     

基于CiteSpace的锂离子电池用低温电解液知识图谱分析

锂离子电池(LIBs)在低温条件下会出现阻抗增大、嵌入/脱嵌锂不平衡、循环效率降低、容量衰减等现象,导致充电比放电更加困难,严重影响了LIBs的低温性能,其中对LIBs低温性能影响最大的是电解液.电解液在低温下黏度变大,与电极材料和隔膜之间的相容性变差,导致离子电导率降低,电荷转移电阻增大,最终导致电池性能下降.本文基...     

结合高斯过程回归与特征选择的锂离子电池容量估计方法

由于锂离子电池本身复杂的老化特性,准确预测电池的健康状态和剩余寿命是一个尚未解决的挑战,这限制了消费电子、电动汽车和电网储能等技术的发展.电池的老化机制复杂且相互耦合,难以采用基于模型的方法进行准确的建模.本工作提出了一种基于数据驱动的锂离子电池容量估计方法,通过分析电池的电压-放电容量曲线随循环老化的演变模式,提取具有电化学意义的特征,采用高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)对电池的容量进行预测.该模型的输入特征可以在线获取,不需要对电池进行完整的充放电循环即可估计容量.在钴酸锂电池和磷酸铁锂电池数据集上分别进行了实验验证,结果表明该方法具有较好的泛化能力,对不同类型的电池均能实现准确的容量估计.将本文的方法与阻抗谱作为输入的GPR模型进行对比试验,结果表明该特征能获得更好的估计精度.这一结果说明了合适的特征选择能显著影响锂离子电池的数据驱动模型性能,为电池的状态预测与诊断提供了参考.     

梯次利用锂电池内阻一致性评估指标

目前国内外对电池健康状态的评估参数主要集中在电压方面,对电池单体内阻一致性虽有研究,但并没有对评估单体电池内阻变化规律相关参数有效性进行分析。以某电动公交车充换电站退役电池为研究对象,在储能工况下以1/3C恒电流对5个电池单体进行1000次全区间循环性能测试,每完成100次循环分别对其剩余容量、50%SOC充放电欧姆内阻及0%SOC极化内阻进行辨识,通过所得试验数据对其容量衰退和内阻变化规律进行分析。结果表明,初始容量越相近则其容量衰退一致性较好,且80%以上剩余容量率的电池单体,其初始容量越高,衰减越慢,容量保持率越好。随着循环次数增多,充放电欧姆内阻不论是增长趋势还是增长幅度均无明显差异。在300次循环之前变化比较平稳,波动性较小,内阻一致性也较好;300次循环之后波动幅度较大且呈山峰状,500次和800次循环内阻一致性最差。通过容量与内阻的相关性分析,发现0%SOC放电极化内阻与容量保持率的相关性最高,且均值的相关性要优于极差、标准差和离散度,适用于电池内阻一致性评估。     

快速充电锂离子电池研究进展

电池产业发展的重要方向之一是提高锂离子电池快速充电能力。然而,快速充电电池经常遭受容量和功率性能衰减。快充电池开发涉及多尺度问题,因此要从原子层面到电池水平进行充分考虑。从现有的文献资料出发,概括总结了开发具有快充性能电池的一些关键要素。这些要素包括提高正极材料锂离子迁移速度、加快锂离子嵌入负极材料的速度、提高电解液离子导电性、选择快充型隔膜、提高电极离子和电子导电性以及充电策略的选择。     

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。     

锂离子电池不同服役工况下失效研究进展

锂离子电池在长期服役时极易出现失效现象,包括内阻增大、容量衰减、析锂、产气等,其失效过程难以监测,容易导致锂离子电池的安全性、可靠性和使用寿命严重降低。通过研究搁置、长循环及浮充等不同服役工况下电池的失效原因,了解电池失效机制,可以快速监测电池的健康状态和服役寿命。本文对不同服役工况下电池失效的相关研究进行探讨,综述了在不同温度、电压和荷电状态等条件下服役时,锂离子电池内部正极、负极、隔膜和电解液的失效机理,着重介绍了电池在不同电压和温度下的搁置性能、搁置下的失效模型、长循环后正负极结构的变化、高温浮充后的失效机制及产气机理。同时也有针对性地提出了锂电负极材料、隔膜、电解液及正极材料等相关要素的优化方案。综合分析表明电极中活性锂的损失、活性物质的损失、颗粒的破裂、过渡金属的溶出、固体电解质界面膜（SEI）分解等都会引起锂离子电池的失效。减小颗粒粒径、加入电解液成膜添加剂以及优化隔膜的穿透性等,有望降低锂离子电池在长期服役过程中的失效速率,确保锂离子电池安全稳定运行。     

基于实时内阻测试的锂电池自适应电流充电策略

为降低电动汽车锂离子电池的充电损耗,提出了一种基于实时内阻测试的锂电池自适应电流充电策略。针对该充电策略中电池的实时内阻测试和最优电流集的求解问题,提出了一种电化学阻抗谱(EIS)检测法和随机进化算法。通过在MATLAB/Simulink中进行仿真实验,验证了算法的可行性。在不改变充电时间的情况下,文章所提出的充电策略比传统的恒流充电方法的减损效果更加显著。     

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。     

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。     

Influence of cycling on the heat-release and thermal runaway of the lithium ion battery under adiabatic condition

随着锂离子电池能量、寿命的提升,对安全性需求也越来越高,温度对电池的寿命和安全有着重要影响。以钴酸锂/中间相碳微球体系电池为研究对象,采用加速量热仪研究了不同工作电流、不同循环老化周期电池的产热特性和热失控行为,电池的发热量随着充放电倍率的增加而增大。通过比较不同循环老化周期电池的产热速率,发现容量衰减速度与直流内阻、产热量之间存在很强的关联性。从热失控行为研究发现,自放热起始温度为105.4℃,随后发生连续自放热,直到温度达到149.7℃热失控起始温度,发生内短路,最终导致电池热失控。循环后电池的热失控过程中自放热和热失控起始温度稍有变化,热失控时间大大缩短。