【微信公众号】AESA论文推荐第16期:电池老化分析与快速充电策略
发表时间:2021-07-14     阅读次数:     字体:【

☆本期分享导读:

本期论文推荐主题为电池老化分析与快速充电策略,共10篇。电池老化分析优秀论文包括:寿命预测(1)、电化学阻抗谱分析(2,6,7)、电池退化机理(3)、电池老化模式识别(4)、电池低温性能(5);电池快速充电策略优秀论文包括:电池多阶充电(8)、电池快速充电(9,10)。全部阅读预计用时15分钟,或按照对应标号阅读感兴趣的论文。更多优秀论文可回顾往期论文推荐。分享知识是一种美德,如果喜欢,请把推送分享给您的同学、学生和身边可能有需要的人。

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论文一:利用一种新的广义极限学习机方法进行锂离子电池的容量估计和循环寿命预测

【分类】寿命预测

【题目】The capacity estimation and cycle life prediction of lithium-ion batteries using a new broad extreme learning machine approach

【作者】Yanying Ma, Lifeng Wu, Yong Guan and Zhen Peng

【单位】Beijing Key Laboratory of Electronic System Reliability Technology, Capital Normal University, Beijing, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228581

【摘要】锂离子电池已成为许多电子设备的主要动力来源。准确的容量估计和循环寿命预测对于保证电子器件的可靠性具有重要意义。极限学习机(ELM)是一种学习速度快、泛化性能好的单隐层前馈神经网络。针对深度学习的不足和电池数据集不断增大的问题,本文引入广义学习(BL)的思想,提出了一种新的ELM模型:广义学习-极限学习机(BL-ELM)。首先构建ELM网络,对输入数据进行特征映射生成特征节点;其次对映射的特征进行增强操作,生成增强节点;然后将这两类节点合并为新的网络输入层,使模型能够快速、充分地从输入数据中获取有效的特征信息。最后利用不同的电池数据集进行了实验。结果表明,BL-ELM方法不仅能保证估计和预测的准确性,而且大大节省了时间。与其它算法的比较表明,该模型具有更高的有效性和竞争力。

【关键词】容量估计;循环寿命预测;锂离子电池;极限学习机;广义学习

【推荐理由】本文引入广义学习的思想,利用一种新的广义极限学习机方法进行锂离子电池的容量估计和寿命预测,并利用不同的电池数据集进行了实验。结果表明,该方法不仅能保证估计和预测的准确性,而且大大节省了时间,具有更高的有效性和竞争力。

【关键插图】

图1:BL-ELM的框架。

图2:B6电池容量估计结果。

图3:NE电池的循环寿命预测结果。


论文二:基于机器学习的电化学阻抗谱等效电路模型识别

【分类】电化学阻抗谱分析

【题目】Equivalent circuit model recognition of electrochemical impedance spectroscopy via machine learning

【作者】Shan Zhu, Xinyang Sun, Xiaoyang Gao et al.

【单位】School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300350, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113627

【摘要】电化学阻抗谱(EIS)是研究电化学系统的有效方法。EIS的解释是该技术最大的挑战,需要合理的建模。为了克服人工分析的主观性,本工作采用机器学习进行EIS模型识别。从文献中收集原始的EIS数据和它们的等效电路模型,并使用支持向量机(SVM)对这些数据进行分析。与其它机器学习算法相比,SVM在该数据库中取得了最好的综合性能。结果表明,优化后的支持向量机模型可以有效地求解出给定EIS频谱下最合适的等效电路模型。本研究显示了机器学习在电化学研究中的巨大潜力。

【关键词】机器学习;电化学阻抗谱;等效电路模型;模式识别;支持向量机

【推荐理由】本文从文献中收集原始的EIS数据和它们的等效电路模型,并建立数据库,并使用支持向量机(SVM)对这些数据进行分析。与其它机器学习算法相比,SVM在该数据库中取得了最好的综合性能。

【关键插图】

图1:不同模式的等效电路示例。

图2:(a)网格搜索惩罚系数“C”和伽马值的最优值 (b)各种机器学习策略的性能比较 (c)测试支持向量机的例子,原始数据(红色点)来自公共数据库中的18650商用电池,图中插入的饼图是对优化后的支持向量机的ESI等效电路模型的概率分析 (d) 图(c)中EIS的等效电路及各元件的拟合值(单位:Ω)。


论文三:结合差动电压分析和交流阻抗研究锂离子电池的退化机理

【分类】电池退化机理

【题目】Investigation of lithium-ion battery degradation mechanisms by combining differential voltage analysis and alternating current impedance

【作者】Jiangong Zhu, Mariyam Susana Dewi Darma, Michael Knapp et al.

【单位】Institute for Applied Materials (IAM), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76344, Eggenstein-Leopoldshafen, Germany

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227575

【摘要】容量为2.5 Ah的18650型电池分别在25°C和0°C下循环,在25°C时使用两种充电协议(恒流和恒流-恒压充电)。差分电压分析(dV/dQ)和交流(AC)阻抗分析主要用于定量研究电池老化机理。dV/dQ表明,阴极活性物质损耗和锂离子损失(LLI)是主要的老化因素。从扫描电镜(SEM)图像中可以观察到老化电池的阴极颗粒中明显的微裂纹。利用高分辨率中子粉末原位衍射法,确定了所选老化电池在充满电状态下的晶体结构参数。当电池容量衰减到20%以下时,欧姆电阻和固体电解质界面(SEI)电阻明显增加。在循环过程中,电荷转移电阻和瓦博格阻抗系数(W.eff)不断增加。通过相关分析来分析材料损耗、LLI与阻抗增加之间的关系,电荷转移电阻的增加与阴极活性物质损耗和LLI有关,且在不同的循环方案下,LLI和W.eff之间存在函数关系。

【关键词】锂离子电池;老化机理;差分电压分析;阻抗;中子粉末衍射;相关分析

【推荐理由】本文应用差分电压分析和交流阻抗谱定量研究电池老化机理,并通过扫描电镜观察电池内部微观结构,通过相关分析探明阻抗增加与锂离子损失之间的关系。

【关键插图】

图1:应用dV/dQ的电池老化因子,虚线为趋势线,绿线为表示LLI的突然减少,误差条表示两个独立测量单体的标准差。

图2:循环中电池的阻抗结果,(a)电池的典型奈奎斯特阻抗谱(b)辨识的等效电路参数R0 (c)辨识的等效电路参数R1 (d)辨识的等效电路参数R2 (e)辨识的等效电路参数W.eff。

图3:热力学老化变量和动力学变量间的相关性。


论文四:应用机器学习从阻抗谱中识别锂离子电池老化模式

【分类】电池老化模式识别

【题目】Identifying degradation patterns of lithium ion batteries from impedance spectroscopy using machine learning

【作者】Yunwei Zhang, Qiaochu Tang, Yao Zhang, Jiabin Wang et al.

【单位】Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Cambridge, CB3 0HE, UK

【下载地址】https://doi.org/10.1038/s41467-020-15235-7

【摘要】预测锂离子电池的健康状况和剩余使用寿命是一个尚未解决的挑战,它限制了电子产品和电动汽车等技术。在这里,我们通过将电化学阻抗谱(EIS)与高斯过程机器学习方法相结合,建立了一个精确的电池预测系统。EIS谱是一种实时、无创、信息丰富的测量方法,目前在电池诊断中尚未得到充分利用。在不同的健康状态、荷电状态和温度下,我们收集了超过20,000个商用锂离子电池的EIS,这是我们已知的同类数据中最大的数据集。高斯过程模型将整个光谱作为输入,无需进一步的特征工程,并自动确定哪些光谱特征预测老化。即使不完全了解电池过去的工作条件,我们的模型也可以准确预测剩余使用寿命。结果证明了EIS信号在电池管理系统中的价值。

【推荐理由】本文为结合电化学阻抗谱和高斯过程,直接将整个光谱作为输入来预测电池老化,无需进一步的特征工程,即使不完全了解电池过去的工作条件,也可以准确预测剩余使用寿命。

【关键插图】

图1:剩余使用寿命的预测。(a)到(d)为25C05–25C08测试单体在25℃下的循环寿命预测。这四个测试单体的寿命终点(EoL)分别为150、120、30和38,即当容量降至其初始80%以下时的循环次数。测试的交流阻抗谱在电压状态Ⅴ(完全充电后静置15分钟)。

图2:曲线显示了电池在35℃和45℃下估计容量(红色)和测量容量(蓝色),循环温度不是模型的输入,两个交流阻抗谱都是在状态V下收集的(完全充电后静置15分钟)。ARD表明在35℃和45℃时,EIS-容量高斯回归过程模型将最大权重分配给第91个特征,相应的频率为17.80Hz,无关特征的权重接近于零。


论文五:电化学储能技术的低温性能评价

【分类】电池低温性能

【题目】Low temperature performance evaluation of electrochemical energy storage technologies

【作者】A. Fly, I. Kirkpatrick, R. Chen

【单位】Department of Aeronautical and Automotive Engineering, Loughborough University, United Kingdom

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116750

【摘要】电池和超级电容等电化学储能系统的性能较多地受到工作温度的影响。在低温(< 0℃)下,容量和功率的降低对电动汽车、无人驾驶飞机、航天器和固定式储能装置等的应用产生显著影响。本文对9个不同的商用电化学电池的放电行为进行了评估,代表了各种锂离子、镍金属氢化物、铅酸和超级电容技术。在+20℃至70℃的温度范围内,通过等效电路分析比较放电容量、能量、最大功率和阻抗谱。结果表明,尽管随着温度降低性能损失最大,但由于容量和工作电压较高,测试的锂离子电池提供的能量和功率密度最高直到-30℃。在较低的温度下,铅酸电池提供最高的能量密度,超级电容提供最高的功率密度。本文还介绍了一种新的简化经验方法,用于确定锂离子电池的最佳预热温度,以获得包括热效率在内的最大净能量输出,这种新方法可用于评估电动汽车不同冷启动热管理策略的效益,还证明了测试的锂离子电池的温度可以通过一系列电极材料在低温下的阻抗相变来准确预测。

【关键词】电池;超级电容;锂离子;低温;加热;电动车辆

【推荐理由】本文主要评估了电池及超级电容的低温性能,选取9个电池通过等效电路分析比较其放电容量、能量、最大功率和阻抗谱,并介绍一种确定锂离子电池最佳预热温度的方法。

【关键插图】

图1:索尼VTC6电池在100%荷电状态下电化学阻抗谱的温度依赖性,(a)奈奎斯特图,(b)放大的奈奎斯特图,(c)0℃以上的拟合电路,(d)0℃及以下的拟合电路。

图2:温度对拟合等效电路元件参数的影响,(a)R1,(b)瓦博格系数,(c)(T/σ)2,(d)R2(0℃及以上)。


论文六:编辑的选择——综述——多孔电极的阻抗响应:理论框架、物理模型和应用

【分类】电化学阻抗谱分析

【题目】Editors’ Choice—Review—Impedance Response of Porous Electrodes: Theoretical Framework, Physical Models and Applications

【作者】Jun Huang, Yu Gao, Jin Luo, Shangshang Wang et al.

【单位】College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, People’s Republic of China

【下载地址】https://doi.org/10.1149/1945-7111/abc655

【摘要】多孔电极在电化学装置中较为普遍。电化学阻抗谱(EIS)作为一种非侵入性的原位表征工具,广泛用于研究多孔电极中的多相(电子、离子、气体)传输和耦合界面反应。EIS数据的解释需要模型和拟合,这在很大程度上决定了可能获得信息的类型和数量,从而决定了EIS方法的有效性。这篇综述集中在基于物理的模型上,因为与电路模型相比,这种模型使得我们对多孔电极的理解更基本,因此更可靠、信息更丰富。读者可以一览多孔电极理论的悠久历史,特别是其阻抗变量,熟悉著名的德勒维模型和一般理论框架,追溯德勒维模型在三个方向上的扩展历程,即结合新的物理化学过程、处理新的结构效应以及考虑高阶。随后,本文介绍了为锂离子电池和聚合物电解质燃料电池开发的大量阻抗模型,展望了多孔电极阻抗建模的现存及新兴的问题。在介绍理论模型时,我们采用“动手”的方法,提供大量的数学细节,甚至在某些情况下提供计算代码。这种方法不仅使读者能够理解模型的假设和适用性,而且使他们熟悉阻抗建模中涉及的数学方法,这对开发他们自己的模型具有指导意义。

【推荐理由】本文主要介绍基于物理的电化学阻抗谱模型,系统地介绍了多孔电极理论、大量的阻抗模型及当前存在的问题,提供了大量的数学细节及相关的计算代码,对于开发相应的模型具有指导意义。

【关键插图】

图1:锂金属阳极的双层结构和电化学过程,以及基于方程式的模拟电化学阻抗谱。

图2:极限情况1-6的典型阻抗谱,Ztot为总正极阻抗,Zgdl为GDL中的氧传输阻抗,Zccl为CCL中的氧传输阻抗,Zp+ct为与质子传导耦合电荷转移阻抗,Zp+e+ct为与质子和电子传导耦合电荷转移阻抗。


论文七:锂离子电池日历寿命和循环寿命期间容量和阻抗的相关性

【分类】电化学阻抗谱分析

【题目】Correlation between capacity and impedance of lithium-ion cells during calendar and cycle life

【作者】Simon F. Schuster, Martin J. Brand, Christian Campestrini etal.

【单位】Institute for Electrical Energy Storage Technology, Technische Universit?t München, Arcisstra?e 21, 80333 Munich, Germany

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.11.096

【摘要】传统的容量测量技术耗时且昂贵,但是了解电池的容量是必要的,例如为电池组组装选择最匹配的电池,或者决定老化电池组的单个单元是否值得重复使用,因此一种获得实际容量的快速简单的方法具有很大的技术和经济意义。本文分析和评价了锂离子电池在日历寿命和循环寿命期间的容量和阻抗之间的相关性,以及其是否可以作为容量快速测试的基础。因此新电池、在实验室老化的电池以及来自两种相同电动汽车的电池产生一组广泛的数据。这项工作的结果表明了基于相关性的容量快速测试的可行性。然而,因为观测到相关行为与运行和储存条件之间的强相关性,容量和阻抗之间所需功能相关性的参数化必须使用类似于实际使用的实验室老化数据来完成,特别是高温带来的强烈偏差,这可能与固体电解质界面的层状结构有关。

【关键词】相关性;健康状态;快速测试;老化;第二寿命;阻抗

【推荐理由】本文主要分析和评价了锂离子电池在日历寿命和循环寿命期间的容量和阻抗之间的相关性,以及其是否可以作为容量快速测试的基础,表明了基于相关性的容量快速测试的可行性。

【关键插图】

图1:来自BEV1和BEV2的新电池和老化电池的容量与Rzc(a)和Rpl+ct(b)的散点图。

图2:实验室不同运行条件下的老化电池容量与Rzc(a)和Rpl+ct(b)的散点图及相应的线性回归线。


论文八:基于田口法的锂离子电池多阶恒流充电方法

【分类】电池多阶充电

【题目】Optimization of multi-stage constant current charging pattern based on Taguchi method for Li-Ion battery

【作者】Li Jiang,Yong Li,Yuduo Huang,Jiaqi Yu,Xuebo Qiao,Yixiao Wang,Chun Huang,Yijia Cao.

【单位】College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114148

【摘要】由于锂离子电池特性的复杂性,其充电性能需要进一步提高。在本文中,基于田口方法为五阶恒流充电策略搜索最佳充电模式。同时将充电容量、效率和时间作为质量函数进行分析,并揭示了每个阶段的充电电流对每个质量函数的影响。这种通用方法为选择最佳电流提供了合理的基础,通过合理地更新每个阶段的电流,可以搜索更宽的范围,以使实验结果更具代表性。与CCCV方法相比,所获得的充电模式将充电效率提高了0.6-0.9%,并且电池的充电温升降低了约2℃。

【关键词】锂离子电池;充电策略;多阶恒流;正交阵列;田口法

【推荐理由】多阶恒流充电方法是研究最为广泛的优化充电方法之一,之前多阶恒流充电多使用基于模型的多目标优化法进行优化电流的大小。该文献使用田口方法不需要建立电池模型,降低了实验成本,揭示了充电电流的影响选择最佳模式,在不减少充电时间和容量的情况下提高了充电效率。

【关键插图】

图1:正交试验每个电流水平的信噪比和充电容量、充电时间、充电效率的平均值。可以通过曲线的变化判断每阶段电流的大小对充电容量、充电时间和充电效率的优化作用大小,如第一阶段的电流可以优化充电容量和效率,第五阶段的电流可以优化充电时间。

图2:CCCV、田口法(模式1)、遗传算法(模式2)充电对比。


论文九:全温度下锂离子电池快速充电

【分类】电池快速充电

【题目】Fast charging of lithium-ion batteries at all temperatures

【作者】Xiaoguang Yang, Guangsheng Zhang, Shanhai Ge, Chaoyang Wang

【单位】Electrochemical Engine Center, Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802

【下载地址】https://doi.org/10.1073/pnas.1807115115

【摘要】快速充电是使电动汽车成为主流的关键推动因素。由于析锂的风险,目前的电动汽车都无法在低温环境下快速充电。实现快速充电受到了锂离子电池本身的特性阻碍:提高低温快速充电能力通常会牺牲电池的耐用性。在这里,我们提出了一种可控的电池结构来打破这种权衡并实现无析锂(Li plating free,LPF)的快速充电。此外,LPF电池产生了独立于环境温度的统一充电方式,为没有温度限制的电池材料开发提供了平台。我们展示了一个9.5 Ah 170 Wh/kg的LPF电池,即使在-50℃(超出电池运行限制)下,也可以在15分钟内充电至80%的充电状态。进一步,电池可以在0℃下以3.5C充电倍率充电,在循环4500个循环后容量损失小于20%,这比传统的电池增强了90%,相当于在这种极端条件下即在冻结温度下3.5C或15分钟快速充电,电动汽车有超过12年和280000英里的寿命。

【关键词】锂离子电池;快速充电;温度无关;无析锂;快速加热

【推荐理由】本文针对低温快充析锂问题,提出了全温度下的快速充电方法,并且充电方式与环境温度无关。该团队后续发表了非对称温度调制的速热充电方法,本篇论文对电池结构、充电方法等有更细致的讲述,可以帮助读者了解理论基础。

【关键插图】

图1:独立于环境温度的统一充电方法。(A)LPF电池在不同环境温度下的电压曲线。在所有的测试中,电池经过3.15 V的快速加热,直到表面温度达到>20℃,休息10 s,然后以3.5 C的恒流充电,然后以4.2V的恒压充电,直到SOC达到80%。(B)加热时间和总时间,说明消除了环境温度对充电时间的限制。(C)电流通过镍箔。(D)电池表面温度在快速加热阶段的演变。

图2:环境温度对电池老化影响的范式转移。(A)LPF电池在0℃下以3.5C充电与传统电池的循环寿命比较。(B)A中四个电池的老化速率与温度的倒数。(C)文献中下一代高能量电池(厚电极)的老化率。


论文十:电动汽车锂离子电池快速充电技术的关键见解

【分类】电池快速充电

【题目】Critical Insights Into Fast Charging Techniques for Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles

【作者】Kamala Kumari Duru, Chanakya Karra, et al.

【单位】Department of Electronics and Communication Engineering, School of Engineering and Applied Sciences, SRM University-AP (Amaravati), Neerukonda, India

【下载地址】https://doi.org/10.1109/TDMR.2021.3051840

【摘要】本文的目的是介绍用于电动汽车锂离子电池的各种快速充电技术。对恒流、恒压、恒流恒压、多阶恒流、可变电流、脉冲充电等各种充电协议进行了详细的评述,并从其基本概念的更广阔的角度对其建模/仿真进行了说明。其中,恒流恒压充电方式在充电时间、充电效率和电池寿命等方面被认为是其他充电协议的基准。对上述各种充电方式进行了比较,并根据商业和社会需求提出了未来快速充电技术设计和开发的可能研究方向。

【关键词】电池;电解质;正极;负极;热稳定性;协议;锂离子电池

【推荐理由】本文从电池机理阐述了影响电池快充的因素,并详细介绍了常用的快速充电方法,以及现有充电技术的缺点和未来充电技术的发展方向,有助于读者对锂离子快速充电研究的入门学习。

【关键插图】

图1:影响LIB快速充电的因素。

图2:电动汽车中锂离子电池快速充电策略优化步骤。

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