储能科学与技术

本期中英文目录

2023 (7): 0.

摘要 ( 95 )

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高能量密度磷酸铁锂正极设计

李淼, 于永利, 吴剑扬, 雷敏, 周恒辉

2023 (7): 2045-2058. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0248

摘要 ( 640 )

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PDF(6993KB) ( 663 )

磷酸铁锂(LiFePO₄)是锂离子动力和储能电池中应用最广泛的正极材料，为了满足市场对锂离子电池更高能量密度的要求，必须开发具有更高能量密度的LiFePO₄材料。根据能量密度的定义，本文从LiFePO₄的电压平台、粉体压实密度和质量比容量三个方面展开论述，通过电化学和材料学方面的机理分析，指出提高粉体压实密度和质量比容量是具有潜力的改进方向。结合研发经验、市场调研和国内外的研究成果，在提高材料粉体压实密度方面，本文总结了原料种类选择、烧结制度改善、大小颗粒级配这三类最有效的方法，具体介绍了制备LiFePO₄的磷酸铁路线，烧结制度伴随的杂质问题，以及大小颗粒级配的流程差异；在提高质量比容量方面，从LiFePO₄的本征特性出发，介绍了纳米化、碳包覆、元素掺杂、缺陷控制以及晶体择优取向五种策略，指出纳米化、碳包覆、元素掺杂是目前最有效的提高质量比容量的改性方法。上述方法都已经应用于市场上的LiFePO₄产品之中，其提高能量密度的有效性得到了国内多家电池厂的认证。目前LiFePO₄正极材料的能量密度还未被完全开发，仍需要继续开展材料改性的研究和生产工艺的优化。

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复合金属锂负极的定量模型新进展

李凌萱, 王子轩, 赵辰孜, 张睿, 卢洋, 黄佳琦, 陈爱兵, 张强

2023 (7): 2059-2078. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0462

摘要 ( 183 )

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PDF(9463KB) ( 175 )

锂金属具有极高的比容量和极低的氧化还原电极电势，是二次电池领域最核心的能源材料之一。然而，金属锂负极面临着体积膨胀和不均匀锂沉积等挑战。在金属锂负极中引入三维骨架构建复合锂负极，是缓解体积膨胀、调控锂沉积的有效方法。复合金属锂负极成分和结构复杂，影响电化学反应的因素强耦合。随着物理化学模型进步和计算水平的大规模提升，采用数值模型分析可以有效研究复合锂负极中的物理化学机制。本文首先总结了复合金属锂负极中发生的核心过程机理，回顾了物理化学模型的发展进程。随后介绍了复合锂负极表面电场、离子场等电化学传质过程的定量模型，综述了基于相场模型或有限元模型对锂沉积形貌动态演变机制分析和调控策略的进展，最后从力-电化学场的角度分析了复合锂负极在循环过程中的结构稳定性。这些定量模型工作揭示了锂负极的电化学原理，推动了复合锂负极的高效筛选和优化设计。

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储能锂离子电池多层级失效机理及分析技术综述

王怡, 陈学兵, 王愿习, 郑杰允, 刘啸嵩, 李泓

2023 (7): 2079-2094. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0295

摘要 ( 1095 )

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PDF(10041KB) ( 1156 )

锂离子电池电化学和安全性能与其材料、极片和电池各层级的特性密切相关，揭示储能锂离子电池多层级的失效机理，可为储能锂离子电池的设计优化、使用管控提供指导。本文以广泛应用的磷酸铁锂储能电池为例，从材料、极片、电池层级出发，分别综述了其常见的失效形式以及对应的失效机理与表征分析技术。在本文中多层级的失效包括正负极材料的结构、组成和表界面失效以及电解液和隔膜的失效；极片的析锂、孔隙率、剥离和非均匀极化失效；电池的产气和热失控失效。最后对未来储能失效分析技术进行展望，包含先进表征技术应用、标准化失效分析流程等方面，希望能为储能锂电池失效分析技术的发展起到积极的推动作用。

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电极界面微观结构对固态锂离子电池性能的影响

郝增辉, 刘训良, 孟缘, 孟楠, 温治

2023 (7): 2095-2104. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0097

摘要 ( 243 )

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PDF(4562KB) ( 239 )

为了研究固态电解质(SE)孔隙率、裂纹形式以及界面接触面积对于固态电池(SLIB)的影响，利用电阻网络方法对固态电解质(SE)微观结构建模，对SLIB采用一维电化学耦合接触面积模型，建立了一维电化学与二维固态电解质电阻网络模型，并基于该物理模型进行了电化学阻抗谱(EIS)仿真分析。通过不同几何模型来表示电解质缺陷和裂纹，用电阻网络模型计算得到离子电导率，将不同的电解质电导率输入到电池模型中，预测微观结构对于电池容量以及阻抗的影响。研究结果表明，在0°～90°范围内，裂纹角度越小，对SE的电导率影响越小；为了更方便对比裂纹形状对电导率的影响，保持裂纹面积保持不变，随着裂纹长度的生长，电导率损失逐渐上升，到达极值点后，随裂纹长度增加，电导率损失开始下降；裂纹无量纲长度小于0.25时，三角形裂纹造成的电导率损失低于矩形缺陷和椭圆形缺陷；而无量纲长度大于0.25时，三角形缺陷的影响超过矩形缺陷和椭圆形缺陷；随孔隙率增加，SE电导率快速下降，近似呈线性关系。电解质缺陷导致电池的放电电压有所下降，在EIS仿真中体现为体相电阻增加。界面接触面积的损失对于电池容量的损失更为显著，且小倍率放电时，接触面积损失对于容量损失的影响显著低于大倍率放电时。不同接触面积(1.0、0.4)下，比容量下降60.08%，而在大倍率(50 C)时， γ =1.0、0.4时，比容量下降81.95%；倍率较小时，界面面积损失的影响相对较小。界面接触面积损失导致电荷转移阻抗增加， γ 从1变化至0.2时，电荷转移阻抗增加25倍，接触面积每损失0.1，电荷转移阻抗平均增加118.60 Ω。与电解质缺陷相比，界面接触面积损失导致的阻抗增加更为明显。在实际应用中，界面接触面积大于0.7，电池才能保证高容量性能。研究仿真了导致SLIB阻抗增加的电解质与界面接触因素，丰富了相关研究。

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石墨负极界面SEI膜与锂离子电池热失控

张佳怡, 翁素婷, 王兆翔, 王雪锋

2023 (7): 2105-2118. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0253

摘要 ( 636 )

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PDF(12794KB) ( 532 )

随着商用锂离子电池（LIBs）的蓬勃发展，其安全性的欠缺成为日益凸显且亟待解决的问题。作为LIBs事故的重要形式之一，热失控过程与石墨负极固体电解质界面(SEI)膜密切相关。因此，深入了解和精准调控SEI膜的性质成为提高LIBs安全性的前提和重要途径。本文首先对SEI膜的组分、结构，以及形成原理进行了简要介绍，尤其强调了SEI膜在热失控过程中所起的关键作用。其次，探讨了热失控过程中与SEI膜相关的不安全因素及其机理。对SEI膜的分解、锂化石墨的热解、可燃气体的释放、锂沉积、正极过渡金属(TM)对SEI膜的影响几个过程的分析表明，需要同时提高SEI膜自身的热稳定性和Li⁺在其中的传输能力，才能有效提高电池的安全性能。依据材料的结构和成分、性质、性能之间的决定性关系，对SEI膜的改性进行了广泛研究。调控电解液组分或在负极电极内引入添加剂进而对SEI膜进行原位调控，以及构筑无机或有机组分的人工SEI膜均能够有效调控SEI膜的特性。最后，展望了未来SEI膜的相关研究和调控方向，为提高LIBs的安全性提供了理论依据和实验指导。

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锂离子电池产气机制及基于电解液的抑制策略

徐冲, 徐宁, 蒋志敏, 李中凯, 胡洋, 严红, 马国强

2023 (7): 2119-2133. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0212

摘要 ( 1491 )

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PDF(13368KB) ( 1282 )

便携式设备、电动汽车和储能设施的快速发展对锂离子电池的成本、充电倍率、使用寿命和安全性等提出了更高要求。然而，锂离子电池在循环和存储过程中会产气，造成电池体积膨胀、极片/隔膜错位以及电池极化增加，是导致电池寿命衰减甚至引发安全问题的重要原因。本文从锂离子电池产气种类出发，总结了锂离子电池中H₂、O₂、烯烃、烷烃、CO₂和CO 6类主要气体的产生机制以及电池温度、电压窗口、电极材料等因素对气体产生的影响，并讨论了这些气体产生与电池性能变化和电池安全之间的关系。此外，本文基于电解液视角提出了抑制策略，主要围绕提升电解液稳定性和构建稳固的电极/电解液界面两个维度展开。清除电池中的活性氧、痕量水和氢氟酸，降低溶剂中环状碳酸酯含量以及使用氟代溶剂均可以有效提升电解液稳定性，使用各类功能添加剂调控电极/电解液界面组分可以有效提升电池界面稳定性，最终达到抑制产气的效果。最后，本文提出了目前针对电池产气仍需解决的问题，为后续深入探究电池产气机理以及开发更有效的产气抑制策略进行了展望。

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长寿命循环的磷酸铁锂电池及材料、工艺

张贵萍, 闫筱炎, 王兵, 姚培新, 胡昌杰, 刘奕哲, 李纾黎, 薛建军

2023 (7): 2134-2140. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0381

摘要 ( 894 )

HTML ( 159 )

PDF(1606KB) ( 714 )

利用预锂化技术以及预锂化材料(也称为补锂剂、预锂化添加剂)的富锂优势，将预锂化材料添加在磷酸铁锂(LFP)电池正极极片中，研制了磷酸铁锂方形铝壳51 Ah全电池，以及软包7 Ah全电池，并进行了循环寿命方面的测试和研究。利用以往经验分析了正极、负极等主材(比如磷酸铁锂、石墨、电解液配比、集流体、隔膜)到辅料(正、负极黏合剂，导电剂等)以及预锂化材料的特性和对电池寿命的影响，以化学反应方程式的形式分析了已经工业化的几种预锂化材料的补锂机理以及补锂容量值。试验结果表明，添加预锂化材料的7 Ah电池循环寿命在9000周，而没有添加预锂化材料的7 Ah电池的循环寿命在5300周，添加预锂化材料的7 Ah电池的循环性能明显优于未添加预锂化材料的电池，循环寿命提高了50%左右；能量效率方面：添加预锂化材料的7 Ah电池的常温25 ℃，0.2 C能量转化效率为96.74%，0.5 C能量转化效率为94.80%，1 C能量转化效率为92.67%，均高于未添加预锂化材料的7 Ah电池的能量转化效率。本研究有助于推动预锂化技术以及预锂化材料在磷酸铁锂长循环新型储能电池中的应用，为长寿命磷酸铁锂电池的设计研发提供实验依据。

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锂离子电池多物理场多尺度变形理论模型与计算方法

吴宜琨, 何杰, 杨乐, 宋维力, 陈浩森

2023 (7): 2141-2154. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0301

摘要 ( 444 )

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PDF(9296KB) ( 362 )

锂离子电池具有高能量密度、高工作电压、低自放电率以及可快充等优点，广泛应用于国防工业与人类生活各个领域。经过国内电池行业的努力，中国已经毫无疑问成为能源电池大国，然而由于能源电池计算模型与设计软件的缺乏，使得在新型电池的研发中仍以经验为主，亟需定量化的理论模型与算法实现。锂离子电池系统具有复杂的多物理场耦合特性以及时间、空间上的多尺度特性，以新一代高能量密度锂离子电池为例，由于电极活性颗粒膨胀变形带来的多场耦合机理不清、电池系统的时空跨尺度关联不易、不具备设计软件等难题使得该类材料较难实现大规模应用。本文聚焦力/电/电化学耦合下锂离子电池颗粒/极片/单体跨尺度变形理论模型与算法实现，系统地综述了：①锂离子电池多场耦合变形理论研究现状；②锂离子电池多场耦合数值模拟研究现状；③锂离子电池跨尺度数值仿真研究现状；④锂离子电池界面力化耦合理论研究现状。

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锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化

刘书琴, 王小燕, 张振东, 段振霞

2023 (7): 2155-2165. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0152

摘要 ( 404 )

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PDF(9116KB) ( 347 )

为了设计一款新的锂离子电池组液冷式热管理系统，建立了锂离子电池组热管理系统试验台架以及该系统耦合电动汽车动力学的一维仿真模型。首先，以试验结果验证了仿真模型的准确性。其次，研究了系统配置参数对电池温度的影响机理；最后，以电池温度不超过32 ℃和最低的系统功耗作为优化目标，建立多目标优化模型对系统的配置参数进行了优化。结果表明：试验与仿真结果的误差在3.0%内。较高的流量、较低的入口温度、较低的冷却液浓度会降低电池温度，而延迟冷却干预可以降低20%左右的系统功耗，采用响应面法结合MOGA-Ⅱ算法进行多目标优化后，在1.0 C放电倍率时，最高电池温度为30.83 ℃，并且可进一步将系统功耗降低至2750 W。这说明优化得到的系统最优配置参数方案较好地平衡了电池温度与系统功耗，试验与仿真结合的设计方法为电动汽车锂离子电池组的热管理系统设计提供了参考。

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锂离子电池快速充电研究进展

杲齐新, 赵景腾, 李国兴

2023 (7): 2166-2184. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0287

摘要 ( 775 )

HTML ( 191 )

PDF(12552KB) ( 687 )

具有高能量密度的可充电锂离子电池作为电动汽车的动力之源备受关注，然而，在高倍率充电时引发的镀锂、机械效应和放热等一系列问题会导致电池容量和功率的衰减。为了解决上述问题，需要合理地设计有利于锂离子快速传输的电极材料和电解质。本文综述了锂离子电池快充技术的发展现状，首先介绍了快充锂离子电池的理化基础，为实现优异的锂离子电池快充性能提供了理论指导；其次介绍了在高充电倍率下锂离子电池的性能衰减机制；最后着重从电极材料和电解质角度总结了实现高能量密度锂离子电池快充性能的研究策略。基于对最新进展的系统理解和分析，本综述可为设计具有优异倍率性能的快充锂离子电池提供指导。

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基于相场模型的锂电池电极浆料稳定涂布窗口分析

陈育新, 杨家沐, 练成, 刘洪来

2023 (7): 2185-2193. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0300

摘要 ( 436 )

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极片涂布是锂离子电池极片制造的关键工艺之一，涂布质量决定了极片结构的均匀度，进而影响电池的性能和寿命。针对电极浆料涂布质量控制问题，选取狭缝涂布模头和集流体组成的局部区域为研究对象，建立了相场-流场耦合的多物理场模型。基于该模型模拟了电极浆料的流动以及电极涂层形成，并根据涂布质量确定了稳定的涂布窗口，通过与实验结果的对比验证了仿真模型的可靠性。以拓宽涂布窗口、实现高速稳定涂布为目标对涂布模头的主要尺寸进行优化。结果表明，浆料流量过大或过小将导致气泡混入或上游溢出，涂布过程无法达到稳定；模头的主要几何尺寸对稳定涂布窗口有一定影响，但仅通过对其简单增减无法将涂布窗口拓宽；对上游模头、下游模头进行非对称式调整，改变上下游流动阻力的相对大小，可以将浆料流量上限提高约40%。通过数值模拟对狭缝涂布过程中的浆料流动进行了分析，为锂电池电极浆料涂布工艺参数的优化提供了参考。

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储能模组失效分析及结构优化研究

马丽娅, 郭宝辉

2023 (7): 2194-2201. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0326

摘要 ( 397 )

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PDF(5955KB) ( 335 )

目前行业内通过对锂电池模组循环特性的研究，确定影响模组循环性能的主要因素是模组膨胀力。经研究，发现了储能模组循环衰减特性的失效机理，并且通过改善储能模组结构能够大幅度减小模组膨胀力的增大和延长模组的循环寿命。首先，从失效机理上准确识别因果关系和相关关系；其次，提供一种电芯间泡棉尺寸及粘接位置的确定方法，从而优化储能模组结构设计。最后，以磷酸铁锂280 Ah电芯1并8串(1P8S)储能模组为研究对象，堆叠1并8串(1P8S)常规储能模组1-1、1并8串(1P8S)优化储能模组2-1进行对比实验。通过在环境温度25 ℃，循环制式为阶梯充电/0.5 C (140 A)放电的条件下进行模组循环测试。结果表明，优化储能模组2-1在充电末端的平均压差降低了24%，在放电末端的平均压差降低了37.7%；优化储能模组2-1在充电末端的平均温差降低了约5 ℃，在放电末端的平均温差降低了约6 ℃。且优化储能模组2-1的容量保持率曲线亦优于常规储能模组1-1。

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基于多频点阻抗的梯次利用电池分选技术研究

范茂松, 耿萌萌, 赵光金, 杨凯, 王放放, 刘皓

2023 (7): 2202-2210. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0333

摘要 ( 188 )

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PDF(2586KB) ( 136 )

退役电池在梯次利用前需要经过重新的分选，使得其能够满足应用场景对电池性能的要求，目前梯次利用电池分选成本较高，成为限制其规模化应用的技术瓶颈。为降低分选环节成本，提升电池梯次利用的技术经济性，本工作首先通过研究梯次利用电池不同状态的交流阻抗特性，提取了表征电池状态的特征频点，建立了基于多频点的梯次利用SOH评估模型；然后，对于新型号的梯次利用电池，通过测试少量样本的交流阻抗和SOH数据，对模型进行优化；最后，采用开路电压、多频点阻抗和估算容量作为参量进行梯次利用电池分选，并与传统分选方法进行了对比。实验结果表明，优化后的模型对新型号电池SOH评估的最大误差在3%以内，平均绝对百分误差(MAPE)为1.93%，与未优化模型相比，评估误差显著降低；采用本工作方法分选电池组的循环性能与传统方法非常接近，验证了该分选方法的有效性；同时，该方法可大幅缩短梯次利用电池分选时间，具有良好的工程应用价值。

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基于视觉特征的动力电池组综合健康评估及分筛方法

陈智伟, 张维戈, 张珺玮, 张言茹

2023 (7): 2211-2219. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0286

摘要 ( 133 )

HTML ( 38 )

PDF(7649KB) ( 116 )

随着电动汽车领域的快速发展，海量电池系统的健康监管和性能评估成为有待解决的关键技术之一。本工作搭建了电池组等效电路模型，依托单体不一致型参数的正交组合模拟多种电池组健康状态，通过模型仿真生成电池组样本数据集。搭建了卷积神经网络模型，以电池组局部充电电压曲线图像为输入，提取能够反映电池组健康状态的形态学特征，对电池组进行快速分类。选用整组可用容量、可用能量、容量利用率和能量利用率四个参数指标，通过层次分析法分配各参数权重，提出一种综合考虑电池组性能表征的健康度评价指标，依据评价指标实现电池组分筛。在仿真生成的数据集上对分类模型进行了训练和测试，结果表明，所构建的电池组分类模型在测试集上能够达到97%以上的准确率。通过分类任务混淆矩阵的一系列模型评价指标，进一步验证了该方法的有效性。本工作提出的基于视觉特征提取的电池组健康状态综合评估和分筛方法有助于推动对电池性能评估的研究，为电池系统的健康监管提供新的理论依据。

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多尺度分解下GRU-MLR组合的锂电池剩余使用寿命预测方法

武明虎, 岳程鹏, 张凡, 李俊晓, 黄伟, 胡胜, 唐靓

2023 (7): 2220-2228. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0298

摘要 ( 128 )

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PDF(2408KB) ( 108 )

准确预测锂电池的剩余使用寿命(remaining useful life，RUL)可以及时了解电池内部的性能退化情况，降低电池的使用风险并为日常维护提供可靠的理论依据。为了提高预测结果的准确性和稳定性，提出了一种基于集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)、门控循环单元网络(gated recurrent unit，GRU)和多元线性回归(multiple linear regression，MLR)相结合的锂电池RUL预测模型。该模型首先采用EEMD算法将锂电池容量数据分解为若干个高频分量和低频分量，以此减少容量数据中的噪声干扰，然后针对各个分量的特点，分别利用GRU和MLR网络基于获得的高频和低频序列建立预测子模型，最后叠加融合各个子模型的预测值得到锂电池的RUL结果，通过使用NASA和Oxford提供的锂电池公开数据，并采用不同的预测起点与其他单一模型和组合模型进行对比。实验结果表明，EEMD-GRU-MLR预测模型能够提供准确的RUL结果，相比于LSTM、GRU和EEMD-GRU预测模型，最大平均绝对误差分别降低了0.0311、0.0234、0.0182，最大均方根误差分别降低了0.0235、0.0153、0.0098，证明了本模型具有较好的锂电池RUL预测能力。

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融合自注意力机制与门控循环单元网络的宽工况锂离子电池SOC估计

管鸿盛, 钱诚, 徐炳辉, 孙博, 任羿

2023 (7): 2229-2237. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0292

摘要 ( 139 )

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准确估计宽工况条件下的锂离子电池荷电状态(SOC)对于电动汽车的运行安全性和可靠性至关重要，是电池管理系统最重要的任务之一。本工作充分利用门控循环单元(GRU)神经网络短时处理能力与注意力机制(SAM)长时序特征提取能力，提出了一种融合SAM与GRU的神经网络模型学习锂离子电池可测参数(电压、电流)与其SOC的非线性映射关系，实现了高精度的SOC估计，从而解决锂离子电池SOC的长序列相关特征难以有效表征问题。通过北京公交动态应力测试(BBDST)数据的验证表明，与传统GRU网络相比，本文提出的SAM-GRU神经网络模型对于不同放电倍率、环境温度以及放电倍率-环境温度混合工况下工作的锂离子电池均取得了更准确的SOC估计，估计精度提升分别不小于26%、25%和11%。

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面向变工况条件的锂离子电池寿命退化预测方法

张宇波, 王有元, 黄洞宁, 王子懿, 陈伟根

2023 (7): 2238-2245. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0233

摘要 ( 259 )

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准确地预测锂离子电池寿命退化对保障电动汽车及电化学储能系统的安全可靠运行具有重要意义。然而，面向变工况条件的锂离子电池寿命预测仍具有较大的挑战。本文提出了一种新型特征矩阵的建立方法以及基于深度卷积神经网络的电池寿命预测方法。首先，以容量衰减来定义电池寿命退化，根据变工况公开数据集的特点，结合历史容量信息、循环次数信息和工况信息建立了多维度特征参量矩阵。然后，以特征参量矩阵为输入，待预测电池容量为输出，构建了一步预测的映射关系。为获取该映射关系，采用了具有强非线性能力的深度学习方法，通过空洞卷积模块、残差模块和回归模块的叠加建立了空洞残差回归网络(dilated residual regression network，DRRN)。进一步地，在训练所构建的网络时使用贝叶斯优化(Bayesian optimization，BO)寻找最佳的超参数组合，使模型达到最优效果。实验结果表明，相比于目前常用于电池剩余寿命预测的粒子滤波算法和长短时记忆神经网络算法，所提方法至少可减少相对均方根误差42.8%，具有明显优势。在不同的预测起点下，证明了所提方法具有较鲁棒的预测能力。

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基于气压信号突变探测的液冷型磷酸铁锂电池模组热失控预警研究

马敬轩, 宋宇航, 石爽, 吕娜伟, 尹康涌, 王桂荣, 杜开源, 金阳

2023 (7): 2246-2255. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0315

摘要 ( 185 )

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近年来，储能技术正在快速发展，但热安全问题一直是限制其大规模推广的要素之一。液冷型磷酸铁锂电池模组因其优异的电化学性能和热管理功能得到了广泛应用，但仍无法杜绝滥用导致的热失控失火，需要早期预警技术的介入以保障储能系统正常运行。本工作利用嵌入式气压传感器与磷酸铁锂电池液冷模组热管理系统的配合，实时探测电池安全阀开启时引起的气压突变，实现液冷模组热失控早期预警。搭建液冷模组热失控实验平台与Fluent流体仿真平台研究液冷模组单体电池过充热失控现象，验证气压预警成效并分析过充过程中随着电池内部劣化程度的发展模组内气压信号的波动情况及分布特征。结果表明，在空间体积为0.18 m3的液冷模组中采用1 C倍率对13 Ah磷酸铁锂单体电池过充时，电池安全阀开启瞬间发生超200 Pa的气压突变，平均约304 s后达到热失控最高温；为进一步优化气压传感器选型及布置，研究了液冷模组前面板上各位置气压信号具体变化情况，得到气压传感器采集频率等参数的合适选择范围和最佳安装位置。本项目研究成果为气压传感器在液冷模组中的应用及安全防护提供了理论和数据支撑。

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电动汽车锂离子电池系统热失控气体毒害及爆炸特性研究

陈钦佩, 王学辉, 米文忠

2023 (7): 2256-2262. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0294

摘要 ( 345 )

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本工作开展了全尺寸电动汽车锂离子电池系统热失控火灾气体成分及燃爆特性研究，搭建了全尺寸电动汽车火灾试验平台，设计了一种气体采集装置，利用红外傅里叶光谱分析仪、爆炸极限测试仪对毒害气体成分特征、燃爆特性进行了测量，分析了电动汽车火灾的气体释放过程，根据热失控特征将电池舱内气体释放分为四个阶段，分析了四个阶段的气体成分特征。第一阶段释放的主要为电解液蒸气；第二阶段主要为氢气；第三阶段出现了大量的二氧化硫气体，浓度达到10906.4 ppm (1 ppm=0.0001%)，并分析了二氧化硫的产生机理；第四阶段驾驶舱内燃烧初期会产生氰化氢气体，最高浓度为120.4 ppm，分析驾驶舱内各种毒害气体的主要来源。测量了不同阶段电池舱内气体的爆炸极限，电池舱释放气体的爆炸极限在4.83%～73.77%。计算了各阶段的爆炸危险性，表明电池舱热失控的第二阶段爆炸危险性最大。分析了电池舱释放的混合气体爆炸特征变化规律，发现惰性气体含量主要影响混合物的爆炸下限，氢气主要影响混合物的爆炸上限。

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环境压力对锂电池热失控产气及爆炸风险的影响

张青松, 包防卫, 牛江昊

2023 (7): 2263-2270. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0192

摘要 ( 343 )

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PDF(2085KB) ( 236 )

为研究航空变压环境下锂离子电池热失控所释放气体种类及其安全性，采用自主搭建密闭式变压实验舱开展相关实验，在不同压力环境下(101 kPa、70 kPa、30 kPa)对100%荷电状态(SOC)三元锂离子电池热失控特性进行研究，记录锂电池在热失控过程中的温度及密闭实验舱的压力变化，比较不同压力环境下的热失控特征。把得到的热失控原位气体分别通入气相色谱-质谱联用仪和自主搭建的锂电池爆炸极限测试平台，对锂电池热失控产气分别进行成分分析及爆炸风险分析。研究结果表明：随着环境压力的降低，电池越早触发热失控，其产生高温和气体冲击的危险性也随之降低。不同压力环境下产生的气体成分及含量也有所不同，随着环境压力的降低，CO₂含量减少，而不饱和烃C₄H₈、C₄H₆、C₅H₁₀等气体含量增加，而这也正是低压环境下爆炸风险更大的原因。锂离子电池热失控气体爆炸上下限范围随压力降低而增大，从而造成更大的风险。研究结果可为锂离子电池在航空领域安全性研究提供理论依据，为电池的安全防控提供数据参考。

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多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析

宗磊, 陈龙, 朱峰, 刘国刚, 孙亚青, 董海书

2023 (7): 2271-2281. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0235

摘要 ( 199 )

HTML ( 27 )

PDF(6016KB) ( 140 )

动力电池系统安全特征参数的一致性是决定车辆安全性和可靠性的主要因素，为了研究动力电池参数在全生命周期下的阈值边界和产生原因，本工作开展了临退役车辆电池系统的云端数据分析、高低温充放电测试以及单体的极端条件测试，重点以电压极差和温度极差作为参数阈值的评价指标。结果表明，车辆在实际使用中压差阈值会随使用时间而逐步增加，且驾驶过程中的大电流放电是导致压差较大的主要原因。在实测工况中，充电与放电的压差阈值均要显著大于云端数据，原因是实验中所测试的SOC范围更低。电池系统的温差阈值与环境温度关系密切，在低温下的单次充放电中并未表现出最大温差，但是在冬季的连续驾驶-充电过程会导致温差的持续上升。在新旧单体的过温测试中，旧电池的开路电压直接降为0 V，内阻和厚度出现大幅增加，说明旧电芯抵御极端工况的能力显著降低。本研究针对不同场景下的安全特征参数测试及分析结果，可为动力电池系统一致性分析与预警策略开发提供参考。

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锂离子电池储能安全评价研究进展

李晋, 王青松, 孔得朋, 王晓冬, 俞振华, 乐艳飞, 黄鑫炎, 胡振恺, 吴候福, 方华斌, 曹伟, 张少禹, 卓萍, 陈晔, 李紫婷, 梅文昕, 张越, 赵丽香, 唐亮, 黄宗侯, 陈篪, 刘彦辉, 储玉喜, 许晓元, 张晋, 李贻恺, 冯蓉, 杨标, 户波, 杨晓滢

2023 (7): 2282-2301. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0252

摘要 ( 1088 )

HTML ( 179 )

PDF(5701KB) ( 778 )

本文针对目前锂离子电池储能安全评价研究进展进行了综述，梳理了锂离子电池储能安全评价相关标准现状，从电池本征安全、储能故障及事故统计、热失控机理及火蔓延机制等方面总结了锂离子电池储能安全评价相关理论的研究进展，分析了从锂离子电池单体到储能系统的安全评价数值模拟技术，系统介绍了电池单体到储能系统的安全测试评价技术以及锂离子电池储能电站安全评价技术的现状。研究结果表明，随着电池技术的不断迭代，储能系统结构的不断升级，储能的安全评价将愈发复杂，现有的评价技术和标准有待进一步提升和完善。未来，需要根据储能电池本质安全、电气与消防安全等技术的发展及时调整与更新安全评价指标，结合仿真、实验手段的进步，明确安全指标阈值，并充分考虑储能系统投运后容量衰减、老化过程伴随的安全性能演变，构建覆盖多体系、多场景、多要素，融合动静态指标的安全性能等级评价体系，发展涵盖“单体-模组-簇-系统-电站”层层分级的储能系统安全性能等级评价技术。同时，制定国际适用的储能系统安全性能等级评价标准，为全球储能安全提供中国方案。

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锂离子电池电化学模型发展与应用

昝文达, 张睿, 丁飞

2023 (7): 2302-2318. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0296

摘要 ( 558 )

HTML ( 94 )

PDF(12028KB) ( 568 )

锂离子电池是一个复杂的多尺度、多物理场系统。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，预测电池行为，为优化电池系统设计提供理论支撑，从而减少电池开发的时间和成本。本文通过对相关文献的探讨，总结了电化学模型及其衍生模型，包括单颗粒模型、准二维模型、三维模型以及介观尺度模型，并介绍了几种重要的电化学模型参数的获取方法。对于电化学模型的不同使用场景，本文总结了电化学模型在锂离子电池内部温度与应力分析、寿命仿真和微观结构设计中的应用。介绍了利用模型研究电池内部锂离子浓度、电势和电化学反应速率的分布；归纳了利用耦合多物理场电化学模型模拟电池内部温度和应力分布，并预测电池运行期间的退化；总结了通过介观尺度电化学模型研究微观结构、参数对电池性能的影响，并为电极结构设计提供指导。综合分析表明，电化学模型在电池内部机理分析上有着很大的优势。最后，本文展望了锂离子电池电化学模型的发展方向。

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退役动力电池梯次利用技术及工程应用概述

赵光金, 李博文, 胡玉霞, 董锐锋, 王放放

2023 (7): 2319-2332. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0288

摘要 ( 459 )

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PDF(1590KB) ( 379 )

近些年，随着新能源产业蓬勃发展，动力电池也将迎来大规模退役潮。动力电池的梯次利用不仅可以充分发挥电池价值降低电池成本，同时也能削弱退役动力电池对土壤和环境造成的威胁，缓解传统储能系统成本高、收益低等问题。目前，传统分容定容一致性的筛选技术效率低、成本高，难以适应多场景的梯次利用动力电池一致性的筛选需求，数据分析在筛选过程中没有发挥必要的作用，快速高效的电池筛选技术成为退役电池规模化应用的关键技术之一。此外，现有梯次利用技术无法解决一致性差等问题，重组电池梯次运行衰减较快，且老化规律难以预判，存在较大的安全隐患，退役动力电池梯次利用在一致性管理、动态安全监测及调控等技术在规模化应用中仍需实现突破。虽然梯次利用电池储能系统示范应用已初具成效，但仍面临系统高安全性和经济性等技术难题。本文通过对近期相关文献的探讨，综述了退役动力电池的分选、评估、筛选、检测、重组、均衡以及安全等关键技术的研究现状，并对退役动力电池梯次利用相关的产业政策以及国家行业标准进行梳理，有望为退役动力电池大规模梯次利用提供参考。

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锂电池百篇论文点评（2023.4.1—2023.5.31）

乔荣涵, 朱璟, 申晓宇, 岑官骏, 郝峻丰, 季洪祥, 田孟羽, 金周, 詹元杰, 武怿达, 闫勇, 贲留斌, 俞海龙, 刘燕燕, 黄学杰

2023 (7): 2333-2348. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0425

摘要 ( 410 )

HTML ( 91 )

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该文是一篇近两个月的锂电池文献评述，以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science 从2023年4月1日至2023年5月31日上线的锂电池研究论文，共有3612篇，选择其中100篇加以评论。正极材料的研究集中于钴酸锂、尖晶石结构LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料的表面包覆和掺杂改性，以及其在长循环中的结构演变等。硅基复合负极材料的研究包括材料制备和对电极结构的优化以缓冲体积变化，并重点关注了功能性黏结剂的应用和界面的改性。金属锂负极的研究集中于金属锂的表面修饰。固态电解质的研究主要包括对硫化物固态电解质、氯化物固态电解质、聚合物固态电解质和复合固态电解质的结构设计以及相关性能研究。其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配的研究，以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多关注层状氧化物正极材料在硫化物、氧化物固态电池中的应用。锂硫电池的研究重点是提高硫正极的活性，抑制“穿梭”效应。电池技术方面的研究还包括干法等电极制备技术。测试技术涵盖了锂沉积和正极中锂离子输运等方面。理论模拟工作涉及电解液的物理性质模拟，界面问题工作侧重于固态电池中电极界面的稳定性研究。

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在极端运行环境下的新型能源建设项目的解决方案

王宏建, 赖永春, 苏先进, 曾春保, 许林毅

2023 (7): 2349-2354. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0380

摘要 ( 138 )

HTML ( 27 )

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新型能源建设项目存在能源供应单一、用电管理简单、运行环境严苛、运行维护困难等问题，本文主要针对高原、极寒、海岛、沙漠等多种极端运行环境场景，提出了不同的解决方案。同时，针对传统风冷储能系统电量不均衡、电芯温差大、能量密度低等问题，提出液冷储能系统解决方案，可为相关项目的方案设计和运行维护提供建设性意见。

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计算机技术在锂离子电池检测中的应用研究进展

郝浩淼

2023 (7): 2355-2356.

摘要 ( 74 )

HTML ( 38 )

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锂离子电池储能产品的电气安全设计分析

周俊玲

2023 (7): 2357-2358.

摘要 ( 115 )

HTML ( 73 )

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锂电池电动汽车储能系统及控制策略研究

梁巍

2023 (7): 2359-2360.

摘要 ( 63 )

HTML ( 48 )

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