低温环境下锂离子电池析锂特性及其影响研究

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在锂离子电池的使用场景中,低温充电会对电池造成很大负面影响。一方面是低温充电会造成负极析锂,电池容量快速衰退,增加了使用成本;另一方面,低温充电造成的析锂会形成锂枝晶,如果锂枝晶刺穿隔膜会造成电池内短路,严重时会引发热失控的问题,危机人身和财产安全。本文围绕锂离子电池的低温析锂特性展开研究,主要分为两个部分,第一部分是析锂的无损检测方法,第二部分是低温析锂下电池模型参数的变化及后续常温老化的影响。研究内容如下:(1)对锂离子电池的不同温度应力下的性能变化进行研究,特别是低温特性。在搭建的实验平台上完成了电池特性测试实验,分析了低温环境对锂离子电池充电容量、电压曲线、开路电压、库伦效率和能量效率的影响。(2)分析了低温充电时析锂现象的产生机制,研究了两种无损的析锂检测方法,第一种是基于电压弛豫曲线的无损析锂检测法,并对其温度、倍率影响进行分析,得出电压弛豫曲线检测法的适用范围。第二种是基于微分曲线的析锂检测方法,并对传统微分曲线的绘制方法进行改进,获得精度更高的微分曲线以分析电池析锂后的状态变化。(3)设计了低温SOC区间应力实验以研究析锂的区间依赖性,利用微分曲线的特征参数,分析不同区间低温析锂的差异,实验结果表明,在负20度环境下,活性锂离子的损失是容量损失的主要原因,且析锂量呈现SOC区间分布特性,低SOC区间析锂量最大,高SOC区间析锂量最小。析锂产生的同时也伴随着电极活性材料的损失,低SOC区间容量损失中电极活性材料造成的容量损失占比最大,高区间电极活性材料损失比例最小。(4)为分析低温环境下电池在不同SOC区间循环发生析锂后的等效电路模型和电化学模型参数变化,分别搭建了等效电路模型和电化学模型,针对等效电路模型编写了一套模型参数自动辨识程序以快速方便的完成模型参数辨识。针对电化学模型参数多且强非线性的问题,设计了基于模拟退火算法的参数辨识方法,通过辨识得到的两种模型参数变化分析析锂后的电池状态变化。(5)研究了低温析锂电池的后续常温老化情况,并与未经低温析锂的电池老化情况进行对比分析。发现低温高SOC区间造成的析锂中可逆析锂占比更少,且会造成后续常温容量衰退速率增加。经历过低温析锂的电池后续常温老化中,电极材料的损失比例比未析锂电池的更高。
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