電池退化
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-09-30
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制造性能優(yōu)良的鋰離子電池，需要同時解決各種問題，比如保持電池的導電能力，確保電池多次循環(huán)后的安全性。據(jù)外媒報道，在一項新發(fā)現(xiàn)中，美國能源部阿貢國家實驗室的科學家們，通過氧化化學氣相沉積技術(shù)，研發(fā)一種新的正極涂層，幫助解決鋰離子電池的這些潛在問題。
在這項研究中，阿貢的研究人員?Khalil Amine及其同事，從鎳錳鈷(NMC)正極材料中提取粒子，用一種叫做PEDOT的含硫聚合物，將其包裹起來。當電池充放電時，這種聚合物為正極提供保護層，使其免受電池電解質(zhì)的傷害。傳統(tǒng)涂層對正極粒子表面的保護只有微米大小，內(nèi)部容易開裂。PEDOT涂層與之不同，它能夠穿透正極粒子的內(nèi)部，增加額外屏蔽層。此外，PEDOT雖然阻止電池和電解質(zhì)之間發(fā)生化學反應，但能保證必要的鋰離子和電子傳輸，這是電池運行所需要的。
該研究的第一作者、阿貢化學家Guiliang Xu表示：“這種涂層對于電池的所有工作過程和化學過程都是有益的；同時，能有助于防止或抑制所有導致電池退化或故障的反應。”
在很大程度上，這種涂層還能防止另一導致電池正極失活的反應。在此類反應中，正極材料轉(zhuǎn)變成另外一種尖晶石結(jié)構(gòu)。另外，PEDOT材料具有阻止氧釋放的能力，氧釋放是NMC正極材料高壓降解的主要原因。Amine說，“PEDOT涂層能夠抑制充電過程中的氧氣釋放，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，提高安全性。”
研究人員認為，通過使用這種涂層，NMC電池可以在更高電壓下運行，進而增加能量輸出，提高使用壽命。電池科學家可能擴大在高鎳NMC電池上應用該類涂層。
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（圖源：阿貢官網(wǎng)）
蓋世汽車訊?制造性能優(yōu)良的鋰離子電池，需要同時解決各種問題，比如保持電池的導電能力，確保電池多次循環(huán)后的安全性。
展開 來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池由于比其他電池類型具有更高的優(yōu)勢，例如高能量密度、低自放電率、重量輕、零記憶效應和長生命周期，因此在汽車行業(yè)中變得無處不在。然而，鋰電池在一個狹窄的溫度范圍內(nèi)工作最佳：15–40°C。在低于此范圍的溫度下，電解質(zhì)中的離子電導率會顯著降低，從而導致功率輸出降低、鋰電鍍和隨后的電池退化，而在更高的溫度下，加速的放熱反應會導致電池材料腐蝕、整體電池退化，并在 80°C 以上的溫度下導致熱失控。除了將溫度保持在一個狹窄的工作范圍內(nèi)，保持電池單元或模塊內(nèi)的最大溫差較低也很重要；<5°C 的值是電池內(nèi)推薦的最大溫差。
目前，大多數(shù)關(guān)于電池冷卻設(shè)計和優(yōu)化的研究工作都集中在圓柱形和棱柱形電池上。最近，袋形電池因其比圓柱形電池更高的能量密度而受到關(guān)注。目前，已經(jīng)提出了各種用于冷卻鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)：空氣冷卻、間接液體冷卻、直接液體或浸沒冷卻、使用相變材料、熱管以及涉及兩種或多種這些方法組合的混合方法進行被動冷卻。然而，就電動汽車的商業(yè)應用而言，只有風冷和液冷已大規(guī)模實施，其他還處于研究階段。由于其高熱容量，液體冷卻仍然是迄今為止最有效和研究最多的系統(tǒng)；因此，當前的研究趨勢是尋找改進液冷板設(shè)計的方法，以實現(xiàn)更好、更具成本效益的熱控制。
02
成果掠影
近期，路易斯維爾大學機械工程系Sam Park教授團隊提出了一種電動汽車快速充電循環(huán)下鋰離子軟包電池的優(yōu)化冷卻和熱分析方法。
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視頻
1.電池退化的科學解釋 - 電動汽車電池技術(shù)解釋
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主要內(nèi)容：簡化并解釋鋰離子電池退化的復雜主題以及與電動汽車的具體關(guān)系...
2.淺談動力電池技術(shù)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
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主要內(nèi)容：產(chǎn)業(yè)分析淺談動力電池技術(shù)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)...
3. 電動汽車鋰離子電池原理和它存在的問題
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主要內(nèi)容：鋰離子電池的原理、鋰離子電池存在的問題、鋰離子電池的性狀...
4. 汽車電池的工作原理-基本工作原理
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主要內(nèi)容：什么是鉛酸電池、汽車電池的使用、電力基礎(chǔ)、汽車電池是如何工作的、測試汽車電池...
5.
展開 量子傳感器可以為電池提供某種智能，通過監(jiān)測其健康狀況，減少最易造成磨損的電池負載。
Kruger表示：“目前，電池監(jiān)控解決方案主要集中在測量電池的電壓，從而明確顯示電池內(nèi)部剩余的電荷。在隨后的許多次充放電循環(huán)中，通過測量這些電壓，可以在電池退化時監(jiān)控充電容量。這些測量對監(jiān)測電池的健康狀態(tài)很有用，但并不能充分顯示電池的內(nèi)部狀態(tài)。通過正在開發(fā)的量子系統(tǒng)，可以測量電池產(chǎn)生的磁場，從而推斷流經(jīng)電池的電流。這個系統(tǒng)就像一個‘磁性攝像機’，能夠窺視電池內(nèi)部。”
該研究小組的目標是開發(fā)小型、低功耗、便攜設(shè)備。這些設(shè)備不需要基礎(chǔ)設(shè)施，運行成本最低，因此適合經(jīng)濟生產(chǎn)。研究人員還將與CDO2、Magnetic Shields Ltd和QinetiQ密切合作，以實現(xiàn)其目標。Magnetic Shields Ltd公司將提供所需的磁性無噪音環(huán)境，使傳感器技術(shù)在測試時達到前所未有的靈敏度。
目前最大的挑戰(zhàn)在于提高電池容量。Kruger表示：“從技術(shù)上講，傳感器不僅對電池的磁場敏感，而且對所有鐵磁性物質(zhì)的磁場都敏感。我們所做的大部分工作都是關(guān)于傳感器設(shè)計，以及如何使其免受外部磁源的影響，比如過濾掉汽車電動機產(chǎn)生的磁場。”
-END-
展開 蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，美國能源部SLAC國家加速器實驗室（ SLAC National Accelerator Laboratory）和斯坦福大學（Stanford University ）的研究人員，可能已找到部分恢復可充電鋰電池性能的方法，有望提高電動汽車的續(xù)航里程。
（圖片來源：AZOM）
在鋰電池循環(huán)過程中，所積聚的小島狀非活性鋰會與電極斷開，從而降低電池的電荷存儲的能力。然而，研究小組發(fā)現(xiàn)，可以讓這些“死”鋰，像蠕蟲一樣向其中一個電極蠕動，直到二者重新連接，從而部分逆轉(zhuǎn)不需要的過程。
測試顯示，額外增加這一步驟，能夠減緩測試電池退化，使電池壽命增長近30%。研究人員正在探討，如何通過超快放電步驟，恢復鋰離子電池的損耗容量。
失去連接
相對于目前電動汽車使用的鋰離子電池，現(xiàn)在大量研究正在尋找方法，以制造重量更輕、壽命更長、具有更高安全性和更快充電速度的可充電電池。研究人員尤其關(guān)注開發(fā)鋰金屬電池，以在單位體積或重量上存儲更多的能量。在電動汽車中使用新一代電池，可以增加單次充電里程數(shù)，并且所占用的后備箱空間可能更少。
在這兩類電池中，帶正電荷的鋰離子均在電極之間來回穿梭。隨著時間的推移，一些金屬鋰不再具有電化學活性，從而形成孤立的鋰島，無法與電極連接。這會導致容量損失，對于鋰金屬技術(shù)和快速充電鋰離子電池，這一問題尤為嚴重。
在此項研究中，研究人員證明，通過調(diào)動和恢復孤立的鋰，可以延長電池壽命。
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電池退化的最新內(nèi)容
盡管在較高溫度下電池能更高效地提供電能，但長時間暴露在高溫下，可能會導致電池的性能提前退化。需要穩(wěn)健地控制電池溫度在既能有效工作又不影響耐用性的范圍內(nèi)。
面向電池設(shè)計的達索系統(tǒng)完整解決方案：
為了讓電池正常發(fā)揮相應功能，多物理場仿真是重要的，包括電化學反應、熱-電行為、熱結(jié)構(gòu)分析等。此外，這些解決方案還能仿真跌落與抗穿刺、電池膨脹、整體安全和熱管理。
在低于此范圍的溫度下，電解質(zhì)中的離子電導率會顯著降低，從而導致功率輸出降低、鋰電鍍和隨后的電池退化，而在更高的溫度下，加速的放熱反應會導致電池材料腐蝕、整體電池退化，并在 80°C 以上的溫度下導致熱失控。除了將溫度保持在一個狹窄的工作范圍內(nèi)，保持電池單元或模塊內(nèi)的最大溫差較低也很重要；<5°C 的值是電池內(nèi)推薦的最大溫差。
較低的溫度可能導致電池退化，而較高的溫度可能引發(fā)熱失控，從而造成安全隱患。
當前，對BTMS的研究根據(jù)冷卻方式主要分為風冷、液冷、相變材料（PCM）冷卻等三大類。風冷具有結(jié)構(gòu)簡單、易于封裝、維護成本低、能耗低等特點。雖然提供相對較低的熱交換能力，但該冷卻系統(tǒng)在 LIB 系統(tǒng)中得到了很好的采用，對在較高電流速率下進行快速充電和放電操作的要求不高。
，退化模型
6、連接體研究分析
6.1燃料電池活化設(shè)置方法
6.2傳質(zhì)-導電-電化學多場耦合方法
6.3傳熱-傳質(zhì)-動量-導電-電化學多場耦合
6.4連接體優(yōu)化與設(shè)計
實例操作：連接體優(yōu)化模型、新型連接體模型
7、積碳研究
7.1 燃料電池邊界設(shè)置
7.2 傳質(zhì)-導電-電化學多場耦合方法
7.3 甲烷內(nèi)重整反應設(shè)置
7.4 甲醇內(nèi)重整反應設(shè)置
7.5積碳分析
實例操作：甲烷積碳模型，甲醇積碳模型
7
、退化模型
6、連接體研究分析
6.1 燃料電池活化設(shè)置方法
6.2 傳質(zhì)-導電-電化學多場耦合方法
6.3傳熱-傳質(zhì)-動量-導電-電化學多場耦合
6.4 連接體優(yōu)化與設(shè)計
Long 等利用改進的自回歸(AR)模型對鋰離子電池退化容量進行跟蹤，在模型定階時采用粒子群算法，實現(xiàn)對電池的壽命預測，結(jié)果具有較高的精度。
高溫通常會加快電池的 退化速度，縮短電池的使用壽命，因此功率較高的應用可能需要主動式冷卻。熱管理 的另一個方面是需要避免單個電池或電池組中出現(xiàn)較大的溫度梯度，因為這樣可能會 導致電流密度和老化程度不均勻。 鋰離子電池因其不同的長度尺度和幾何的復雜性，需要考慮上述幾點。形成電池單元 的各層在層法向的尺寸通常為數(shù)十微米，但在電池片方向達數(shù)十厘米，且通常纏繞成 多層幾何。
此外，利用數(shù)字孿生體進行設(shè)計改進，可以在衛(wèi)星關(guān)鍵部件上進行測試，如評估衛(wèi)星電池組退化情況等。
?在第二階段，通過整個衛(wèi)星群及其環(huán)境的數(shù)字孿生體提供連接、安全服務。由于對衛(wèi)星及環(huán)境進行了建模，可以模擬碰撞的情況，因此使得評估威脅成為可能。此外，擁有整個星座的數(shù)字孿生體之后，可以有效的補償單個衛(wèi)星的故障。
?第三階段為多領(lǐng)域的整合，其特點是資源的有效分配，對終端用戶表現(xiàn)為無縫集成。
3D架構(gòu)電極，可減輕體積膨脹造成的電池退化
三維電極可以發(fā)揮作用的一個不太為人所知的途徑是緩解轉(zhuǎn)換電極（如Li、Ag、Si和S）的大體積膨脹造成的退化。我們概述了兩種策略，按有效長度尺度分類，以緩解這些變形，這些策略是由3D打印技術(shù)實現(xiàn)的。
第一個策略是通過3D打印在微米尺度上構(gòu)建改變體積的電極或其相鄰的部件，如集電器和電解質(zhì)。
一些領(lǐng)先的參與者有一種電池化學，它特別容易受到重復循環(huán)快速充電的影響，這實際上加速了電池組的退化。
我能做的最好的類比是十項全能運動員——我們不只是為了短跑、跨欄、鐵餅投擲或跳遠，我們還在研究電池單元內(nèi)的圓角能力。
