Progress reports and prospect of stretchable electrochemical energy storage devices

随着人类社会的进步,人们对可穿戴电子设备的需求日益增强,其中电子皮肤、可植入传感器等新型便携式器件也对储能单元的可拉伸性提出了越来越高的要求。本综述介绍了制备可拉伸式锂离子电池或超级电容器的策略,并对其进行了简单评述;在此基础上概括地介绍了可拉伸式电化学储能器件中常用的电解质及其优缺点,以及可拉伸式储能器件的集成方案。最后,针对性地总结可拉伸储能器件制备过程中仍面临的挑战与未来可能的发展方向。     

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。     

Overview of research on thermal safety of lithium-ion batteries

随着锂离子电池在生活和工作中的普及,锂离子电池的安全事故逐年增加,锂离子电池的安全研究逐渐引起学术界的关注。研究锂离子电池的热安全性,可以有效分析锂离子电池发生起火和爆炸的内在原因,指导锂离子电池安全性研究的开展。本文介绍了锂离子电池工作过程中产热的来源和影响因素,以及锂离子电池热失控发生时的内部反应和反应对应的温度,并对电池热失控时的热特性参数进行了总结。     

合金型负极预锂化技术研究进展

负极是锂离子电池的关键组件,实现高容量合金型负极在锂离子电池中的应用可大幅提升锂离子电池的能量密度.然而目前合金型负极存在严重的低首圈库仑效率问题,致使大量活性锂在循环初期被不可逆消耗,制约了其在提升锂离子电池能量密度方面发挥优势.预锂化技术被认为是解决合金型负极锂损失问题的有效方案,主要分为负极预锂化与正极预锂化.本...     

储能用锂离子电池管理系统研究

锂离子电池因其性能优异在高电压大容量的储能系统得到了广泛的应用。锂离子电池管理系统是延长电池循环寿命,维护电池安全运行的关键。针对储能用锂离子电池的特性,该文讨论了储能用锂离子电池管理系统的结构,重点介绍了电池管理系统的主要功能,特别是单体电池数据采集功能、电池状态估计功能和均衡管理功能,并分析了状态估计和均衡管理方法的优缺点,对其实现策略进行了评价。     

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。     

锂离子电池基础科学问题(XV)——总结和展望

自摇椅式可充放锂电池概念由Armand M等人在1972年提出,锂离子电池的基础研究历经43年,在材料体系、电化学反应机理、热力学、动力学、结构演化、表界面反应、安全性、力学行为等方面不断取得更为深入广泛的认识,并最终推动锂离子电池技术发展和成功实现了商业化。锂离子电池面临着电池性能需要全面提升、应用领域需进一步拓宽的强劲需求,因此要求基础研究能够提供创新的、更好的技术解决方案,对锂离子电池材料复杂的构效关系能精确认识,对于电池在制造和服役过程中的失效机制有全面的理解,对各种控制策略的效果能提供可靠的科学依据。同时,锂离子电池的发展也在促进着固态电化学、固态离子学、能源材料、能源物理、纳米科学等交叉基础学科的发展。作为"锂离子电池基础科学问题"讲座的最后一篇文章,本文对锂离子电池基础研究的科学问题,存在的难点、发展趋势进行了总结。     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries (XV) ——Summary and outlook

自摇椅式可充放锂电池概念由Armand M等人在1972年提出,锂离子电池的基础研究历经43年,在材料体系、电化学反应机理、热力学、动力学、结构演化、表界面反应、安全性、力学行为等方面不断取得更为深入广泛的认识,并最终推动锂离子电池技术发展和成功实现了商业化。锂离子电池面临着电池性能需要全面提升、应用领域需进一步拓宽的强劲需求,因此要求基础研究能够提供创新的、更好的技术解决方案,对锂离子电池材料复杂的构效关系能精确认识,对于电池在制造和服役过程中的失效机制有全面的理解,对各种控制策略的效果能提供可靠的科学依据。同时,锂离子电池的发展也在促进着固态电化学、固态离子学、能源材料、能源物理、纳米科学等交叉基础学科的发展。作为“锂离子电池基础科学问题”讲座的最后一篇文章,本文对锂离子电池基础研究的科学问题,存在的难点、发展趋势进行了总结。     

使用工况对锂离子电池电化学性能的影响

[目的]锂离子电池储能技术在近年来得到快速发展和广泛应用,但在实际应用中发现具体使用工况对锂离子电池储能的实际使用寿命和盈利能力有着巨大影响,文章旨在研究使用工况对于锂离子电池电化学性能的影响,为今后的锂离子电池储能项目建设提供参考。[方法]测试并分析工作荷电区间、放电倍率、工作温度对锂离子电池实际工作性能的影响。[结果]充放电荷电区间、使用倍率、工作温度都会对锂离子电池的实际工作性能产生巨大影响。一方面,适当调节充放电荷电区间会明显提高电池的使用寿命;另一方面,目前调频储能项目常用的2 C配置方式会明显降低锂离子电池的使用寿命,而将倍率降低至1 C配置虽然会增加初始投资,但有望获得更低的周期度电成本。此外,温度控制对锂离子电池的使用寿命也极为重要,即使是个位数的温度差异也有可能造成长期使用后显著的电池不一致性。[结论]锂离子电池储能具有响应速度快、调节精度高、配置灵活等优点,随着“碳达峰、碳中和”工作的深入和电力市场的逐步建设,锂离子电池储能将会在提高电能质量方面发挥重要作用。注重使用工况对于锂离子电池性能的影响将会进一步提高锂离子电池储能的使用效能。要根据实际应用需求实际设计电池的...     

基于外特性方法的锂离子电池析锂及可逆锂回嵌定量分析北大核心CSCD

锂离子电池因其高能量密度、高循环寿命等优势被广泛应用,然而由析锂导致的电池可用锂离子损失,会降低电池自产热温度,严重影响锂离子电池的寿命与安全,锂回嵌可部分缓解析锂对电池的影响。本文基于锂离子电池低温运行实验数据,分别采用差分电压法(DVA)、开路电压法(VRP)和DVA-VRP联合法对电池的析锂及可逆锂回嵌进行定量分析,并结合电化学模型对析锂量计算结果进行了验证。研究发现,DVA特征值随着电池的老化向容量减少方向移动,VRP的特征电压平台向时间减少的方向移动,且这两种方法的析锂特征值呈线性关系,拟合直线随搁置时间的增加向原点平移。VRP结合仿真可准确预测可逆锂,缺点是耗时较长;DVA法在电池运行初期对可逆锂的预测与VRP-仿真法相差不大,但随着电池的老化,预测误差逐步增大。DVA-VRP联合法在保留VRP准确度的前提下,弥补了DVA和VRP误差大、时间成本高的不足,可在较短时间内实现对电池可逆锂的初步预测,为锂离子电池的安全评估提供了重要参考。     

高性能锂离子电池电极材料研究

锂离子电池具有电压高、比能量高、自放电率低、循环性能好等优点,正成为化学电源研究领域的热点。综述锂离子电池的原理和结构,分析高性能锂离子电池正极材料和负极材料的研究特点,并对锂离子电池的研究方向进行了展望。     

Research progress on capacitive lithium-ion battery

锂离子电池具有高的能量密度,而超级电容器则以高功率密度和长循环寿命为突出优势。电容型锂离子电池是在锂离子电池的正极中加入部分电容炭材料,在不显著降低能量密度的情况下,大幅度改善锂离子电池的功率特性和循环寿命,从而实现电容与电池技术的融合。本文综述了国内外近年来在电容型锂离子电池领域的最新研究进展,介绍了主要的电容型锂离子电池体系及其性能特点,并对其未来发展方向进行了展望。     

Overview of the modeling of lithium-ion batteries

简述了锂离子电池等效电路模型和电化学模型的研究进展。由于具有耗时短、技术开发效率高等优点,仿真模型被广泛应用于锂离子电池衰减机制分析、状态诊断及寿命预测。锂离子电池仿真模型主要包括等效电路模型和电化学机理模型。等效电路模型主要应用于锂离子电池荷电状态诊断。电化学机理模型主要应用于锂离子电池衰减机制分析和健康状态诊断,并为寿命预测提供技术支持。等效电路模型的结构过于单一,在锂离子电池寿命后期适用性降低。电化学机理模型结构复杂,计算量大,在线性应用能力较差。总结了现阶段常用的锂离子电池等效电路模型和电化学模型的建模原理及模型结构,阐述了每种模型在电池研究中的具体应用,并分析了其各自的优势及局限性。通过以上分析,并结合最新的建模理论,对建立具有高精度、高适用性锂离子电池仿真模型的研究方向进行了展望。     

基于无线传感器节点的能量管理系统

研制了光伏-温差混合能源与无线传感器节点集成的能量管理系统.该能量管理系统采用了低功耗的能量策略和智能化的控制方法,并运用了超低压升压技术实现了能量的充分利用.通过实验得到了超级电容器和锂离子电池的充电曲线,并研究了能量管理系统的效率.实验表明能量管理系统在4d内可将锂离子电池充满,充满后的锂离子电池可在无光照的情况下保证无线传感器节点连续工作7d.     

基于ResNet-Bi-LSTM-Attention的锂离子电池剩余使用寿命预测北大核心CSCD

锂离子电池剩余使用寿命(RUL)预测是锂离子电池研究的一个重要方向,通过对RUL的准确预测,可以降低锂离子电池出现事故的概率。针对锂离子电池RUL的准确预测,该研究提出一种综合残差神经网络(ResNet)和双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)的优势,并且加入注意力机制(Attention)的锂离子电池RUL预测模型。首先选取能够表现电池寿命的特征参数作为输入量,利用ResNet提取输入数据的隐含特征信息,然后利用Bi-LSTM对时间序列信息进行预测,并且结合注意力机制对预测结果进行权重分配,得到最终的锂离子电池的RUL预测结果。通过美国马里兰大学(CALCE)提供的开源数据集进行锂离子电池RUL预测试验,并与现有的预测模型进行对比试验,对比模型的预测结果,试验结果表明提出的ResNet-Bi-LSTM-Attention模型能够准确地进行锂离子电池RUL预测,各项误差都比较低,具有较好的精度和准确性。最后使用美国航空航天局(NASA)提供的锂离子电池开源数据集进行泛化性实验,证明了ResNet-Bi-LSTM-Attention模型在不同电池RUL预测中具有良好的准确性,可以被广泛使用。     

全固态锂离子电池关键材料研究进展

全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本上解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。为了实现大容量化和长寿命,从而推进全固态锂离子电池的实用化,电池关键材料的开发和性能的优化刻不容缓,主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。本文以全固态锂离子电池关键材料为出发点,综述了不同类型的固态电解质和正负极材料性能特征以及电极/电解质界面性能的调控和优化方法等,阐述了未来全固态锂离子电池关键材料的发展方向以及界面问题的解决思路,为探索全固态锂离子电池产业化前景奠定基础。     

电化学阻抗谱识别不同化学体系退役动力锂离子电池北大核心CSCD

退役动力锂离子电池梯次利用可充分提高动力电池的经济性,然而目前动力电池标识信息混乱、电池荷电状态差异和工作电压重叠均导致无法直接或依据开路电压准确分辨磷酸铁锂动力电池与镍钴锰三元动力电池。为此,基于动力锂离子电池的结构和等效电路,建立了容量与动力电池界面电容、反应电阻、韦伯阻抗和液相电阻的对应关系,通过分析动力电池容量对电化学阻抗实部和虚部的影响探讨了利用阻抗法快速识别退役动力锂离子电池化学体系的可能性。结果表明电化学阻抗实部与虚部的比值与电池容量无关,据此可利用该比值随频率的变化差异快速识别不同化学体系的动力锂离子电池,从而避免依据充放电判断电池化学体系的低效率。此外,软包装磷酸铁锂和镍钴锰三元电池的测试结果也表明10 Ah、12.5 Ah和50 Ah的磷酸铁锂电池阻抗虚部与实部比值随交流信号频率的变化基本相同,但与镍钴锰三元电池明显不同,初步验证了该方法的有效性。     

锂离子电池及其材料热失控毒物研究

本文阐述了锂离子电池常规安全性问题和热失控引发燃烧爆炸泄漏毒物的非常规安全性问题,探讨了锂离子电池泄露物的毒性及其对人体和环境的危害,以电动车用锂离子电池为例分析了城市交通和环境将面临的继发问题和压力,定量对比了10 A·h软包装的磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料锂离子电池热失控燃烧释放的代表性毒物之一的CO浓度,提出了锂离子电池热失控毒物安全性问题的不可回避性。     

基于正弦函数的液冷板上流体流向对锂离子电池散热性能的影响北大核心CSCD

锂离子电池的散热性能与液冷板上流道的形状、液流流向、液流入口温度、液流入口流速和放电倍率等有关。本工作以电池最高温度、温差、温度标准差及压降为评价指标,设计了一种正弦函数液冷板流道,运用COMSOL有限元软件分析正弦流道频率与振幅对锂离子电池散热性能的影响并探讨不同放电倍率、不同入口温度和不同入口流速条件下流体流向对锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性的影响。结果表明:低频率和低振幅的正弦函数流道有利于电池的散热;改变流体流向有利于改善锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性;随着交错流次数的增加,锂离子电池的最高温度和温差均减小;高放电倍率下流体流向对锂离子电池散热性能的影响更大;液流入口温度为25℃时,改变流体流向锂离子电池的散热效果最佳。     

Research progress of high rate Li-ion battery materials

电动汽车行业迅速发展,高倍率的锂离子电池是其关键,因此需要不断开发适用高倍率充放电的电池材料。本文简要综述了高倍率锂离子电池正极材料、负极材料、隔膜和电解液方面的研究进展,并对高倍率锂离子电池材料发展进行了展望。