基于电化学机理模型的锂离子电池早期内短路电热特征研究

锂离子电池的内短路故障是诱发其热失控的主要原因之一,早期内短路特征研究能够为电池管理系统的故障诊断和安全预警提供支撑,对提高电动汽车的安全性具有重要意义。构建了锂离子电池内短路电化学机理模型,实现了不同内短路阻值下的锂枝晶内短路故障模拟。结果表明,由锂枝晶导致的电池内短路产热98%以上来源于正负极产生的焦耳热,早期内短路过程中正负极集流体表面的温升小于1.5 K,不显著的外部热特征无法用于早期内短路故障诊断。与正常电池相比,内短路故障将使得电池充电速度变慢,放电速度变快,端电压异常下降,上述电特征可以为构建早期内短路故障诊断方法提供依据。     

聚合物锂离子电池负极电化学性能研究

制备了聚合物锂离子电池用负极 ,对其首次充放电效率、比容量、不同放电倍率下放电性能进行了测试 .首次充放电容量分别为 340 m A· h·g- 1和 310 m A·h· g- l,库仑效率可达 91% .以锂锰氧为正极组装了聚合物锂离子电池 ,通过测试表明制备的聚合物锂离子电池具有较好的循环性和大电流放电能力 .所制负极可应用于聚合物锂离子电池中 .     

锂离子电池电化学建模及其简化方法

通用的锂离子电池精确电化学模型———准二维模型存在两个主要的数值问题: 状态量过多,计算复杂,导致难以实时应用。为此,搭建了电池的一维模型,用 Laplace 变换将模型转化到频域求解,将固相锂离子的径向扩散表示为无维度的导纳形式,通过降维解决了状态量过多的问题。针对超越方程,使用 Padé 近似做进一步化简以降低计算复杂度,设计了基于 Laplace 变换和 Padé 近似的锂离子电池简化一维模型。通过分析模型的复杂度,并采用不同放电电流工况验证该模型,比较了该模型与精确模型的浓度分布与端电压。实验结果验证了该模型的误差维持在 40 mV 以内,在降低计算复杂度的同时保持了较高的精度。     

3类锂离子电池多孔电极模型比较研究及电池正向设计应用

锂离子电池的电极由活性物质、黏结剂、导电剂等多种固相材料及灌注其孔隙间的液态电解质组成。通过优化电极的微观多孔结构可提高电池内部锂离子与电子两类主要载流子的有效传输速率,从而有效提升电池能量密度、功率密度。基于多孔电极模型的正向设计方法正逐渐取代传统的试错方法被广泛应用于产业界,但以往的模型难以在计算量与性能预测精度上取得平衡。该文提出了扩展均相多孔电极模型,该模型可以有效地在计算负荷与性能预测精度上实现较好的平衡。比较了3类锂离子电池多孔电极模型——经典准二维均相模型、作者团队开发的非均相模型、该文提出的扩展均相多孔电极模型在计算时间以及电极结构描述精度上的差异,并就不同研发场景下的模型选择给出了具体建议。利用扩展均相多孔电极模型分析了一例电池正向设计的典型问题,即负极活性颗粒粒径选择及其对电池性能的影响,结果发现:提高负极颗粒粒径分布集中度、降低颗粒粒径大小可有效改善电池内部离子在电解液以及活性颗粒内部的有效传输速率,可使得电池在不同倍率条件下的放电容量提升25%(低倍率)至100%(高倍率)。     

锂离子电池电化学阻抗谱可靠性评价方法

锂离子电池电化学阻抗谱的可靠性是影响阻抗应用的关键,当电池处于非稳态时,利用阻抗谱解析得到的阻抗成分将无法与电池状态形成对应关系,进而导致不能正确估计电池状态.为了对电化学阻抗谱可靠性进行评价,引入了近似满足Kramers-Kroing变换关系的修正K-K电路,并基于此电路设计了评价方法,定义了拟合优度作为电化学阻抗谱可靠性表征量.最后通过实验证明了该方法对于准稳态和非稳态下的电化学阻抗谱有良好的辨识能力,为检验阻抗谱的有效性提供了有力手段.     

基于电化学-热耦合模型的21700型锂离子电池充放电过程热行为分析

锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、输出功率大、可承受较宽充放电倍率等特点,已成为电动汽车领域电池开发的研究热点.锂离子电池在循环过程中的热行为对其性能、循环寿命和安全性有着较大的影响.本文基于21700圆柱形锂离子电池建立电化学-热耦合模型,并通过实验验证模型的精确性.分析了充电过程中的热行为,包含温度和产热分布.结果表明,充电过程中的温升主要受恒流充电过程的影响,电池平均温度和总产热均呈先上升后下降的趋势,且电池不可逆热占比高于可逆热.通过对比充放电过程的温度分布和产热变化可知,恒流充电过程中的产热和温度均大于恒流放电过程,充电过程具有温度提升时间短、变化速度快、产热峰值高等特点.     

基于电化学模型的锂离子电池健康状态估算

针对电动汽车锂离子电池健康状态在线估算问题,提出了一种基于伪二维模型参数的估算方法. 该方法通过拆解同类估算目标电池,以扫描电镜测量电池结构参数,利用遗传算法辨识其他未知电化学模型参数,建立一种新的基于化学计量比的电池正极容量计算法则,估算电池健康状态. 同时考虑老化对电池正极化学计量比的影响,进一步提高健康状态估算精度. 采用电池老化数据集验证该方法的有效性,结果表明所提出的估算方法能在短时动态工况下实现电池健康状态的准确在线估算.      

锂离子电池系统建模仿真

动力电池测试是动力电池研究的基础,而建立和选择合适准确的电池模型对于电池管理系统开发具有重要意义.为了解决电动汽车仿真时电池模型选取的问题,分别系统的建立了Thevenin模型,Gassing模型以及AVL电池模型,其中,Thevenin模型和AVL电池模型实质上分别为一阶等效电路模型和三阶等效电路模型,而Gassing模型是一种半机理半经验模型.三种模型在非极限工况下,都具有较高的精度,Thevenin模型和AVL电池能够更加准确地描述电池极化环节,AVL电池模型和Gassing模型在剧烈变化工况下误差很小,而Gassing模型能够很好地描述电池在极限工况下的动态特性,且可以反映出温度与内阻的动态变化.     

锂离子电池浓差极化及放电特性分析

针对锂离子电池内部浓差极化及其影响因素,对典型的NCM/C系锂离子电池进行试验获得关键性能参数,利用COMSOL软件建立电化学模型并试验验证其准确性,基于模型开展电池放电过程中固、液相浓差极化特性及其主要因素对电池放电性能影响的仿真研究.结果表明:电池在放电过程中,单独改变负极粒径对负极固相浓差极化的影响更加明显,等比变化范围内负极引起的固相浓差变化幅度约是正极的136.05％;改变正极厚度更易加剧液相浓差极化,等量变化范围内正极引起的液相浓差变化幅度约是负极的199.01％;正极厚度对电压平台和电池容量影响显著,负极粒径影响电压平台而对容量几乎无影响;相比两者,正极厚度是同时影响电池浓差极化和放电性能的关键因素.     

关于锂离子电池Thevenin模型的仿真研究

针对动力电池组运行时,内部的系统参数会随着环境因素和荷电状态(state-of-charge,SOC)发生动态改变,提出一种参数变化的Thevenin等效电路模型;从荷电状态是影响锂电池各参数特性的主要因素出发,将传统Thevenin模型中模拟各模块使用的不变参数用随着SOC变化的动态变量来表示; HPPC获取模型参数,电池仿真端电压基本上跟实际端电压波形吻合,且趋势大致相同;实验结果表明:在正常工作状态下,建立的模型可以有效地反应电池内部的工作特性,有着良好的精度。     

锂离子电池的热效应分析

以26650型圆柱形磷酸铁锂离子电池为原型,建立电化学-热耦合模型。研究放电倍率对电池热行为的影响。结果表明:低倍率下电池处于吸热状态,电池内部温度反而低于外部;高倍率下电池一直是放热状态,内部温度一直高于外部。为了控制高倍率放电过程中电池模块的温度,比较讨论风冷散热和相变材料散热系统,最终发现具有0.01 m/s的微胶囊型相变材料散热系统降温效果最为显著,电池模块温度被控制在50℃以下。     

软包装锂离子电池性能研究

研究了以塑料包装取代金属外壳所实现的新型软包装锂离子电池的电化学性能.从软包装锂离子电池的倍率放电性能、电池的高低温放电能力和充放电循环稳定性等方面的研究表明,软包装锂离子电池具有良好电化学性能.软包装锂离子电池既不同于金属外壳锂离子电池,也不同于聚合物锂离子电池,是锂离子电池的一种新型设计.     

动力锂离子电池电路建模与仿真

以锂离子电池为研究对象,分析了多种电池等效电路模型的优缺点,最终选取分数阶等效电路模型进行研究,但由于模型中涉及分数阶电路,不便于计算处理,从而提出对其进行降阶处理的方法,采用改进分数阶的电路模型来确定动力锂离子电池的传递函数,并且求解出这个分数阶电路模型的阶跃电流响应解析解.最后,对由R1∥CPE1,R2∥CPE2和Zw∞分数阶电路构成的电路模型进行降阶处理.时域仿真表明,在0. 1～10. 0s时间范围内,降阶模型近似解和分数阶模型的解析解非常逼近,电路一阶降阶模型相对误差低于10. 0%,而其中的二阶降阶模型相对误差更是低于2. 0%.给出的分数阶电路降阶模型不仅可以降低运算的复杂性,同时在精度上能满足工程应用控制的要求.     

氧化亚铁硫杆菌浸出废旧锂离子电池中钴酸锂的电化学行为

采用自制的粉末微电极,运用开路电位法、循环伏安法、线性扫描伏安法和Tafel法,通过有无氧化亚铁硫杆菌作用来对比研究钴酸锂细菌浸出过程的电化学行为。实验结果表明:在细菌的作用下,钴酸锂在较低电位条件下就能被氧化,在溶液中的腐蚀点电位为0.420 V、致钝电位为0.776 V、钝化电位为0.802 V。无菌条件下,由于钴酸锂氧化电流小,不产生钝化膜。钴酸锂细菌浸出阳极氧化过程的反应具有不可逆性,且反应速度受吸附电化学反应及扩散步骤混合控制。细菌在无菌和有菌条件下的氧化速率分别为1.544和1.634μA/cm2,细菌的加入使电子在钴酸锂电极、溶液界面之间的迁移阻力减小。     

纳米材料在锂离子电池中的研究进展

锂离子电池的核心是选择高能储锂电极材料,纳米材料以其独特的物理化学性能应用作为锂离子电池电极材料,具有减小极化,增大充放电电流密度,提高放电容量和循环稳定性等优点,有利于高性能、高容量和高功率电池的发展。纳米电极材料具有非常广阔的应用前景,但目前已有的研究基本处于实验开发阶段,且主要集中在制备方法上,其微观结构和电化学性能沿需进一步研究探讨。     

锂离子电池炭负极的结构与特性及其电化学性能

通过计算边缘碳原子及表面碳原子含量计算,研究边缘碳及表面碳原子含量对炭材料的电化学性能的作用机理。导出炭材料的结构与物理特性对炭材料的嵌锂性能的影响。通过对不同形貌、粒径、比表面积及有序程度的人造石墨、中间相炭微球及热解炭的电化学性能的研究,验证该机理的正确性。应用这一机理分析对人造石墨进行热处理改性,以及在人造石墨表面包覆无定形炭的改性作用。研究结果表明:边缘碳及表面碳原子的含量对固体-电解质中间相(SEI)膜的形成以及SEI膜的均匀、稳定性具有重要的作用,从而影响炭材料的首次不可逆容量及循环性能。     

锂离子电池研究文献分析

通过对1994年至2002年已公开发表的以锂离子电池为篇名的文献数据的疏理,从锂离子电池研究的年代分布、研究机构及人员分布、研究内容(课题、领域)分布、研究论文流向分布四个方面,分析了近10年锂离子电池研究状况及研究发展趋势。     

基于电化学机理模型的锂离子电池参数辨识及SOC估计

采用Fisher信息矩阵进行参数可辨识性分析,解决了参数的辨识问题,进而提出了基于简化电化学机理模型SP2D(simple pseudo-two-dimensional)的SOC(电池电量)在线估计方法。实验表明,该SOC估计方法较基于等效电路模型(一阶RC模型)的SOC估计方法,可将SOC估计的平均误差减小近30%,而在电池放电中后期更可减小达60%,有效解决了在电池全工作范围内的SOC高精度估计问题。     

4 V级锂离子电池用橄榄石型LiMnPO4的电化学性能

对反应物与中间产物进行球磨, 采用固相反应法在600 ℃合成了掺碳的橄榄石型LiMnPO4. 通过XRD表征样品的晶体结构, 采用SEM观察样品的微观形貌, 利用电化学手段测试样品的充放电性能, 并对样品进行交流阻抗和扩散系数的测定. 研究结果表明, 得到的样品物相较纯, 粒径小(100～200 nm)且分布均匀, 首次放电容量接近100 mA·h·g-1, 但样品循环容量衰减快, 大电流放电性能较差. 通过对样品的交流阻抗测试发现, 电化学反应阻抗随放电的进行而不断增大, 说明材料的荷电量越高, 界面电化学反应速度越快. 扩散系数的测量结果表明, 充电态和放电态的扩散系数分别1.2×10-12和5×10-13 cm2·s-1, 表明晶格中锂离子的浓度越高, 越容易脱出.