锂离子电池电化学仿真技术综述

锂离子电池是一个多尺度、多物理场的系统.在进行锂离子电池正向开发过程中需要考虑诸多电芯设计和工艺设计因素.在材料层面,有正负极的活性物质、导电剂、黏结剂、电解液的物理化学性能;在极片层面,有极片的孔隙率、涂层厚度、极片尺寸等因素;在电芯层面,有极片的叠片或者卷绕的方式、集群的排布方式等因素.因此需要花费大量的时间进行反复实验.利用电化学仿真的方法可以模拟电池内部发生的化学、物理过程,在理论阶段找出优化的设计方案,从而减少电池开发的时间.本文分析了近期锂离子电池电化学仿真技术在锂离子电池研究领域的应用,结合仿真实验的结果,综述了电化学模型的基本原理以及敏感性较高参数的辨识方法,介绍了锂离子电池电化学仿真技术在电池设计、电池工况状态模拟、电池热特性分析以及电池安全方面的应用.最后,展望了锂离子电池电化学仿真技术的发展方向.     

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。     

锂离子电池多尺度非均匀性概述

动力电池高续航、长循环、快速充电和高安全性等严苛的使用要求推动着锂离子电池技术的革新。然而,这也使得电池内部从颗粒材料到电芯各层级的均匀性问题变得突出,成为决定电池综合性能的关键因素。研究锂离子电池多尺度的非均匀性成因及改善策略,是目前电池制造与电池管理中亟待解决的重要问题。本概述系统地总结了锂离子电池材料颗粒、电极微结构、极片平面以及电芯单体的非均匀特征对电池电化学均匀性的影响以及在电池循环过程中的演化规律,并重点归纳出非均匀性通过内在的并联电学结构损伤电池性能的作用机制。最后,针对各尺度下的非均匀问题提出了具体的改善措施。     

储能钠硫电池的工程化研究进展与展望——提高电池安全性的材料与结构设计

钠硫电池作为一种重要的储能技术,已在全球储能市场拥有GW·h级的装机容量,然而其安全问题一直倍受关注,成为制约其产业大规模发展的一大要素.本文首先介绍储能钠硫电池的结构、工作原理及其工程化发展现状,再针对高温钠硫电池应用中存在的安全隐患问题,从电池的电芯层面到模组层面,提出提高钠硫电池安全性能的解决策略.着重综述了基于固体电解质增韧、降低固体电解质局部电流密度、增强封接材料的热机械稳定性、电芯外壳防腐蚀、电池保温箱热管理与火源阻隔等安全策略的材料和结构设计方面的研发进展,最后对高安全性钠硫电池未来在低温化和液流化的研发方向作出设想和展望.     

锂离子电池智能消防及其研究方法

锂离子电池是储能领域最具应用前景和市场价值的一类电化学器件,电池安全备受关注。研究电池热失控及智能消防对于提高储能系统安全性具有重要意义。本文对目前锂离子电池安全及智能消防方面的研究进行了梳理,现阶段的电池安全研究主要集中在本征安全、检测安全以及消防安全三个层面,但受限于该领域的研究起步较晚,依旧存在较多问题。我们结合锂离子电池安全研究现状,分析了电池热失控的过程及前后特点,指出了目前电池消防系统中存在的问题,并由此提出了电池智能消防系统的基本框架及其研究方法。通过将实际条件与实验条件结合分析,针对实验硬件和检测指标开展了讨论;重点聚焦研究平台中的电池燃烧载体的搭建与设计思路,并对热失控触发方式和喷淋系统的设计进行了总结与分析;同时提出了现有消防检测系统在锂电领域应用的局限性,详细介绍了锂离子电池智能消防中包括温度、电压、早期产气等重要预警指标的作用和其在研究中常用的采集及分析方式。     

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。     

基于温度变化率曲线的锂离子电池健康状态评估算法

锂离子电池技术的日益成熟为新能源发电和电动汽车等产业发展提供了重要支撑作用。锂离子电池采用有机电解液,发生故障后极易触发电池材料的放热副反应,导致电池热失控,最终可能演化成燃烧爆炸等重大事故。电池健康状态(State of health,SOH)是锂离子电池储能系统故障诊断和安全预警的重要参数,精确估计SOH是提升电池系统安全性的有效方法。提出一种基于温度变化率(DT)曲线的锂离子电池健康状态评估算法,充分提取反映电池健康状态的锂离子电池表面温度信息,以电池充电过程中的DT曲线的极大值点和两极值间的电压差作为电池SOH估计的特征量,进而搭建了基于反向传播(Back propagation,BP)神经网络的SOH估计模型。结合试验数据和仿真,测试结果最终表明,所提出的方法可有效提升锂离子电池SOH的估计精度。     

锂离子电池热管理和安全性研究

温度是影响锂离子电池性能、寿命和安全性的重要因素,电池热管理系统能使电池的工作温度维持在适宜范围,保障电池安全、高效和长寿命使用。因此,电池热管理系统对动力和储能设备在不同工况和环境下的运行至关重要。本文介绍了锂离子电池热模型的发展和应用,对热管理和安全性的研究进行了归纳;总结了本课题组的相关工作进展;在此基础上,指出了锂离子电池热管理和安全性进一步的研究方向。     

基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究北大核心CSCD

在储能电池舱能量密度逐渐升高的背景下,热管理耗能占总辅助用电的比例逐渐增加。由于电芯间不均匀送风,温差会进一步拉大。为实现储能系统低能耗、低温差的目标,本工作提出了一种基于能量管理系统(EMS)计划曲线的热管理控制策略,并采用电芯温度对储能电池舱内空调进行集中控制。通过对容量为5.017 MWh的储能电池舱进行实验,研究该策略对电芯温差及空调耗电量的影响。研究结果表明,电芯本征不一致、模组风扇状态、空调状态对电芯温差均有影响,在现有集成情况下,空调启动对温差有负面作用。在相同的充放电功率下,相比于无控制策略的实验条件,电池堆1和电池堆2的电芯温差分别降低了0.9℃和1.4℃。此策略下,由于空调待机时无内循环风机功耗,空调日总耗能降低了62%。     

Recent progress on evolution of safety performance of lithium-ion battery during aging process

安全性是制约锂离子电池规模应用的重要技术问题。锂离子电池的安全性能不仅仅与材料体系、电芯设计相关,还会随着使用过程而发生变化。锂离子电池安全性能在全生命周期内的演变规律需要重点展开研究,以保障电池在使用过程中的安全性。本文对锂离子电池全生命周期安全性演变问题的国内外研究进展进行了综述,分析了国内外关于电池安全性能在循环老化和储存老化两种工况下的演变规律的研究,总结了电池老化衰减机理与安全性能变化之间的关系,指出负极析锂是影响电池全生命周期安全性能的重要因素,最后对锂离子电池全生命周期安全性演变研究进行了展望。     

锂离子电池储能安全监测技术发展

针对储能锂离子电池存在的安全问题,综述了电池热失控预防和安全监测方面的理论、实验成果和应用情况,指出储能锂离子电池在安全方面存在监测手段片面单一、监测方案不完整等问题,并指出预测储能行业将向“大数据”“智能化”方向发展,同时建议广大科研工作者应从储能系统的工作机理切入,向安全、经济、高效的方向深入研究。     

The review of thermal management technology for large-scale lithium-ion battery energy storage system

大容量锂离子电池储能系统对完善传统电网和高效利用新能源都具有非常重要的作用。为了实现大容量锂离子电池储能系统的高倍率化、长寿命化以及高安全性,高性能电池热管理系统的研发刻不容缓。本文总结了温度对锂离子电池性能的影响规律,综述了空冷、液冷、热管冷却、相变冷却这4种典型热管理技术的研究概况,分析了热管理技术在锂离子电池储能系统中的应用与研究状况。随着锂离子电池储能系统工作倍率的提高,产热量随之增大,对热管理系统的要求也越来越高。下一步的研究工作应围绕空冷系统优化、基于新型冷却介质的液冷系统、经济型热管及多目标优化设计这4方面展开。     

锂离子电池热失控多维信号演化及耦合机制研究综述

锂离子电池热失控问题是当前电化学储能电站安全的核心问题。准确详尽地掌握电池热失控过程是实现储能电站主动安全预警的前提。然而,锂离子电池是具有复杂非线性特性的电化学系统,其热失控过程将在多维物理场上表现出不同的信号特征,现有仅靠电压和温度等外特性信号的电池管理系统难以全面客观地监测电池的安全健康状态。因此,研究电池热失控过程中多维信号的演变及耦合机制具有重要意义。本文系统综述了锂离子电池热失控过程中的热、电、机械和气体四个维度的特征信号的演变规律,分析不同维度物理场信号之间的耦合特征,并展望基于多维传感信号融合的电池主动安全预警技术在储能电站的应用。     

储能锂离子电池关键材料研究进展

在现有商品化二次电池中,锂离子电池的比能量最高、循环性能最好,而且因其电极材料选择的多样性,作为储能电池具有广阔的应用前景。锂离子电池发展面临一些问题：比能量、比功率和循环寿命有待提升,安全性还没有可靠保证,制造成本过高,等等。针对这些问题,人们从电池材料选择、电池结构设计、电池制备装配与工艺、电池管理系统等方面探索解决方案。本文结合作者所在研究团队开展的工作,介绍锂离子电池关键材料（正极、负极和电解质）的研究进展。     

基于光学显微镜的锂离子电池材料老化衰减原位研究进展

先进锂离子电池的发展需要更高性能的电池材料或更优化的电池结构,深入了解电池材料的老化衰减机理是提高电池性能的前提。原位光学显微镜方法具有操作简便、原位反应池模拟环境真实,以及从介观到宏观的大范围尺度进行表征的特点,是目前最适合开展原位研究的表征方法。本文综述了原位光学显微镜方法在锂离子电池材料老化衰减方面的研究进展,介绍了原位光学显微镜方法中原位反应池的典型结构,阐述了该方法应用于锂离子浓度及其分布、析锂、电池材料体积膨胀与开裂和应力应变演化等方面的研究进展。最后,提出了原位光学显微镜方法在光学显微镜分辨率、原位反应池功能性、多表征方法联用以及先进图像处理和分析方法等方面的未来关注方向。     

钛酸锂基锂离子电池及其健康状态研究进展

锂离子电池的高功率密度和高能量密度等特性使其成为电动汽车能源和新能源电网储能的重要载体。功率性能和安全特性是锂离子电池发展的两个主要挑战。钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂材料因具有良好的结构稳定性、安全性能、长循环寿命、高功率特性和高低温放电性能,被认为是锂电池负极材料的良好备选。综述了以钛酸锂材料为负极的锂离子电池的相关工作,介绍了钛酸锂材料的结构、电化学特性、制备方法和作为电池负极材料面临的主要问题,重点介绍了钛酸锂负极电池的全电池性能和健康状态研究等方面。     

锂离子电池热安全防控技术的研究进展

在众多储能技术中,锂离子电池以其能量密度大、能量转换效率高、循环寿命长、应用范围广、对环境友好等优势,成为当前最具应用前景的电力系统电池储能技术之一。但现有锂离子电池体系无法从本质上保证其安全性,在使用过程中具有发生热失控乃至燃烧、爆炸等安全事故的风险。本文就锂离子电池的热失控机理、电池本体的安全设计、安全预警、电池组热失控起火的阻燃装置以及消防安全的研究进展进行了综述。     

锂离子电池成组及一致性管理研究现状与展望

归纳和总结锂离子电池和电池组模型、电池成组和电池一致性优化控制的研究方法和存在的问题。同时,对电池一致性管理研究趋势进行展望。提出应根据储能系统实际运行工况和电池成组方式,充分考虑电池连接方式、极柱引出位置、连接件阻抗等,优化电池组模型,提高模型精度。并根据模拟和实验结果,优化电池成组方式和控制策略,解决制约储能产业发展的电池组技术瓶颈。     

锂离子电池储能系统安全技术发展现状

我国正大力推动建设以新能源为主体的新型电力系统,作为支撑可再生能源普及的关键技术,储能产业得以高速发展,锂离子电池储能市场也进入加速发展期。然而,在高速发展的同时,近年来国内外发生的多起储能系统火灾事故,也引发了大众对锂电池储能系统安全的关注。锂离子电池储能系统运行的主要风险分为起火爆炸风险、有毒有害化学物泄漏风险和电击风险,其中起火爆炸是锂离子电池储能系统的主要风险,主要致因则是电池的热失控。防范电池的热失控问题,应从电池安全、储能系统、运行维护和事故后消防等几方面提升安全防控技术。从生命周期看,锂离子储能系统的关键安全技术包括电池单体安全、箱体热管理、主动预警监测、被动监控预警、高效消防手段等。鉴于锂离子电化学储能系统的安全运行和安全隐患正逐渐成为制约产业规模化发展的瓶颈,建议有关部门要完善政策体系,提高产业规划科学性,进一步健全新型储能安全生产法律法规;加快标准体系构建,建立储能系统建设及运维的指引标准,指导储能系统安全体系建立;强化消防安全技术攻关,加快关键部件转化应用。     

纳米石墨化碳在锂离子电池中的应用进展

纳米石墨化碳因其优异的导电、导热及力学性能近年来备受重视,并在锂离子电池体系中得到广泛运用。纳米石墨化碳具有的优异电学性能及纳米尺度结构特征使其在解决锂离子电池中高导电性、导热性、充放电过程中的柔性及结构稳定性等方面发挥了重要作用。本文综述了近年来纳米石墨化碳在锂离子电池应用中的最新进展和研究热点,包括纳米石墨化碳在锂离子电池中直接充当高容量负极材料,纳米石墨化碳作为高性能骨架材料为电极提供导电及力学网络,与硅、金属氧化物等高容量电极材料复合形成同轴、核壳等结构的高容量电极材料甚至柔性电极等。如何进一步认识纳米石墨化碳储锂机制,发展其精确可控制备科学和工程技术,进而在三维尺度上构建高效的锂离子电池电极材料结构仍是未来的重点研究方向。