電池充放電的案例
鋰離子電池充放電循環期間的熱效應 ￥500
<p>熱管理對于電池安全性和確保其較長使用壽命來說至關重要。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十微米，但在電池片方向達數十厘米，且通常纏繞成 多層幾何。就實際使用的電池或電池組而言，幾何尺寸可能達到數厘米至數米 （對于 電動汽車的情況），可以由數以百計的單電池組成。使用全三維化學電池模型求解這些 幾何的計算量相當大。 但是，由于鋰離子電池各組件的熱導率相對于生成的熱量來說相當高，因此在許多情 況下我們可以假定電池的溫度分布相當均勻。此外，如果較小的溫度變化沒有對電池 的化學性質產生嚴重影響，則基于電池的平均溫度，使用集總模型來描述電池的化學 性質幾乎不會對其中具體的細節產生影響。 </p><p>本案例模擬充放電循環期間以及隨后松弛階段的鋰離子電池。集總電 池模型用于對電池單元化學性質進行建模，二維軸對稱模型用于對電池溫度進行建模。
展開 手機電池充、放電架構與工作流程講解
以上就是手機充放電架構及工作流程的介紹，需要說一句的是，手機的電量和電壓不是100%正相關關系，在要求不高的場合我們可以用電池電壓粗略估計電量，但是在手機這種對電量準確性要求高的場合，高精度體驗友好的電量計設計是非常重要的，因此需要結合電壓和電流對電量進行估計和擬合，比如有的電量計就用卡爾曼濾波估計電量，更簡單點的做法是對電流積分來和電壓互相補充來估計電量。此外，電池低電量時放電會特別快，不能讓用戶上一秒看手機還有15%的電，下一秒就突然變成1%了，甚至有的手機玩一玩游戲，電量反而蹦高了，這都是非常不友好的體驗。
我們看下實際充電曲線，上圖是某手機實測的充電曲線，黃色是usb電壓，藍色是usb電流，橙色是功率，大功率的持續時間只有1小段，該手機使用了更復雜的電池和充電架構設計：120W秒充技術，它采用的是兩顆電荷泵設計，將USB網絡的20V3A高電壓和高電流轉換為兩路10V6A電壓電流，最終匯合成10V12A的大電流輸入電池，實現120W高級秒充，為了實現10V12A電池充電，該手機使用雙串電池架構，雙電池串聯的特點是：總電壓升高、容量不變；雙電池并聯的特點是：總電壓不變，容量升高。由于電池串聯，總電壓加倍，在總電流相同的前提下，串聯設計將會帶來更快的充電功率。
以上就是手機充電放電架構和工作流程的介紹，然而筆者更期望的還是電池技術本身的進步，容量更大、更穩定、充電更快的電池才是根本。
展開 一文弄懂手機電池充/放電架構與工作流程
以上就是手機充放電架構及工作流程的介紹，需要說一句，手機的電量和電壓不是100%正相關關系，在要求不高的場合，我們可以用電池電壓粗略估計電量，但在手機這種對電量準確性要求高的場合，高精度體驗友好的電量計設計是非常重要的，因此需要結合電壓和電流對電量進行估計和擬合。
比如，有的電量計就用卡爾曼濾波估計電量，更簡單點的做法是對電流積分來和電壓互相補充來估計電量。
此外，電池低電量時放電會特別快，不能讓用戶上一秒看手機還有15%的電，下一秒就突然變成1%了，甚至有的手機玩一玩游戲，電量反而蹦高了，這都是非常不友好的體驗。
我們看下實際充電曲線，上圖是某手機實測的充電曲線，黃色是USB電壓，藍色是USB電流，橙色是功率，大功率的持續時間只有1小段，該手機使用了更復雜的電池和充電架構設計：120W秒充技術，它采用的是兩顆電荷泵設計，將USB網絡的20V3A高電壓和高電流轉換為兩路10V6A電壓電流，最終匯合成10V12A的大電流輸入電池，實現120W高級秒充。
為了實現10V12A電池充電，該手機使用雙串電池架構，雙電池串聯的特點是：總電壓升高、容量不變；雙電池并聯的特點是：總電壓不變，容量升高。由于電池串聯，總電壓加倍，在總電流相同的前提下，串聯設計將會帶來更快的充電功率。
以上就是手機充電、放電架構和工作流程的介紹，然而筆者更期望的還是電池技術本身的進步，容量更大、更穩定、充電更快的電池才是根本。
展開 “COMSOL多物理場耦合仿真技術與應用-鋰離子電池”篇
“COMSOL多物理場耦合仿真技術與應用-鋰離子電池”
1. COMSOL 仿真基礎
1.1 數值仿真基本要素及其在 COMSOL 中的對應
1.1.1 模型參數與變量
1.1.2 物理場添加及電解條件設置
1.1.3 模型構建與網格劃分
1.1.4 求解器類型與設置
1.1.5 后處理及數據分析
1.2 COMSOL 中鋰離子電池接口介紹
1.2.1 電池基本物理過程及控制方程
1.2.2 常用電池邊界條件及初始條件
1.2.3 常用電池電極材料參數設置
2. 鋰離子電池 P2D 模型
2.1 P2D 模型的理解與分析
2.2 COMSOL 中電池 P2D 模型構建
2.2.1 模型參數輸入
2.2.2 模型構建及模型材料設置
2.2.3 電池物理方程及參數設置
2.2.4 網格劃分與求解器設置
2.3 電池典型充放電過程仿真及后處理技巧
3. 鋰離子電池電化學-熱耦合模型
3.1 P2D 電化學模型與電池熱模型耦合
3.2 電池集總參數模型及其與電池熱模型耦合
3.3 兩種電池電(化學)-熱耦合模型的區別及應用場景
3.4 圓柱形或方形鋰離子電池建模及仿真演示 (二選一)
4. 鋰離子電池衰退模型及仿真
4.1 COMSOL 中電池充放電循環仿真
4.1.1 電池充放電循環邊界條件設置
4.1.2 電池加速衰退設置
4.1.3 電池充放電循環仿真后處理技巧
4.2 鋰離子電池常見衰退現象及其數學描述
4.2.1 負極 SEI 膜增厚過程仿真
4.2.2 活性鋰損失計算
4.3 鋰離子電池衰退模型構建及仿真演示
5.
展開 
1充一次電能跑1000公里！這個新發明的電池牛逼了～
來源：快科技 癮工廠
當前制約著電動車發展的主要因素，就是動力電池。雖然鋰離子電池具有較高的能量密度，但對于車用電力電池來說，鋰電池還存在著一定的短板。
為此，日本某公司也開始另辟蹊徑，研發氟離子固態電池，能夠以更小的體積，承載更大的電池容量。
日前，據外媒報道，豐田和京都大學（Kyoto University）研究人員正在聯合開發新一代電池技術。其正在研究的新型氟離子電池，單位重量的能量大約是傳統鋰離子電池的7倍，可以讓電動汽車一次充電行駛1000公里。
并且，該研發團隊已經開發出了一種，基于氟的可充電固態電池原型。該電池原型具有更高理論上的能量密度，這能夠使其續航時間比當前的鋰離子電池長7倍。
此外，研究人員用固體電解質，來代替鋰離子電池中通常使用的液體電解質。這種固態電池最大的優勢就是不會著火，工程師們可以著力增加電池的充放電效率，而不用擔心電池過熱或起火自燃。
氟離子電池也面臨著不小的挑戰，就是其智能在高溫下工作，只有固態電解質被充分加熱時，氟離子才會向極化電極移動，而這可能會導致電池電極膨脹。
不過，京都大學和豐田研究小組稱，他們已經找到了一種防止電極膨脹的方法，即用鈷、鎳和銅的合金制造電極。但是，實際情況還需后續驗證。
雖然當前，人們對于氟離子電池的希望越來越大，但是它們暫時還不會進入市場。鋰離子電池的原型在1985年被開發出來，但是直到1991年才開始商業化。
展開 COMSOL電池充放電循環如何設置擱置時間？
設置擱置時間后出現錯誤，無法實現循環
蓄電池充放電試驗培訓課件
蓄電池充放電試驗培訓課件
Nano Letters：法蘭西公學院應用液體電化學技術在電鏡原位研究Na-O2電池中NaO2形成機
Na-O2二次電池因具有理論能量密度高（1100 Wh/kg）和儲量豐富等特點，有潛力成為下一代綠色大規模能源存儲器件。然而，Na-O2電池研究仍處于初級階段，復雜的反應機理及低循環穩定性是Na-O2電池面臨的主要挑戰。目前，研究者們通過改善電解液、電極結構等途徑來提升鈉氧電池的性能，但是針對其反應機理及失效機制的研究比較少，尤其是原位監測電池的充放電過程。反應機理與失效機制的研究對于鈉氧電池的進一步研發起著至關重要的作用。原位透射電鏡技術的發展為此研究的深入開展創造了新的契機。
【成果簡介】
近日，法蘭西公學院Alexis Grimaud研究助理（通訊作者）、Arnaud Demortie?re助研（共同通訊）和Jean-Marie Tarascon教授等研究人員應用原位透射電鏡液體樣品桿技術（Protochips公司）及快速成像技術，首次報道了Na-O2電池充放電過程中NaO2立方體生長演變過程的原位觀測，并提出了其生長過程受限于NaO2（溶劑）?NaO2（固體）之間的平衡和可溶性產物的質量傳輸。同時，通過對電池充電過程的原位監測，闡明了溶劑化-去溶劑化平衡導致過氧化鈉溶解的機理。最后，他們發現，隨著鈉氧電池充放電的進行，過氧化鈉立方體表面逐漸形成一層殼層，鈍化電極表面，阻止了氧氣參與氧化還原反應以及過氧化鈉的進一步形核，進而降低了電池的充電效率及循環穩定性。該研究揭示了Na-O2電池中過氧化鈉的生長-溶解機理以及電池失效的機制，對于Na-O2電池的進一步研發提供了一定的理論基礎。
展開 研究人員開發新型錳基正極材料 使鋰電池充放電次數翻倍
即使充放電次數增加一倍，也能保持90%的容量。這一發現為開發低成本、高效的鋰離子電池錳基正極材料提供了啟示。
（圖片來源：香港城市大學）
開發錳基正極材料的技術瓶頸：容量保持率低
目前，鋰離子電池使用的正極材料大多含有鈷和鎳，這兩種元素儲量不豐富，而且在開采過程中易污染環境。因此，科學家們正在尋找替代型正極材料，例如錳。
在領先錳基候選材料中，LiMnO2成本較低，更環保，而且理論容量更大。但是，這種材料在充放電循環中穩定性差，可能發生顆粒破碎、結構迅速退化和嚴重的錳溶解，導致電池容量大幅下降，并影響耐久性，使其在商業化鋰離子電池中的應用受到阻礙。
需要克服姜-泰勒畸變
香港城大物理學系助理教授劉奇博士指出，錳基材料結構不穩定的主要原因，在于原子結構中發生的姜-泰勒畸變（Jahn-Teller distortion）。在電池放電時，LiMnO2中的Mn-O鍵被拉長，稱為姜-泰勒畸變。由于Mn3+ 的電子軌道存在長程共線軌道有序性，因此產生了很強的協同姜-泰勒畸變，很容易使原子結構變形。
研究團隊將界面工程應用于原子結構，以解決這一問題。通過擾亂長程共線軌道有序性，防止出現大規模的姜-泰勒畸變。
通過界面工程提高結構穩定性
該團隊通過原位電化學轉換尖晶石Mn3O4納米墻陣列，制備了尖晶石層狀（異質結構）LiMnO2。
展開 基于comsol的電芯電化學充放電膨脹分析
一般來說，這樣的建模需要包含兩部分：1）電化學模型，模擬活性物質在充放電過程中的反應機理；2）機械模型，模擬活性物質在嵌鋰后的形變情況。這種膨脹是可逆的。
此次采用comsol軟件的鋰電池模塊和力學模塊，設計了一套從微觀到宏觀的鋰電池電化學膨脹分析路線。
一、微觀模型建立。
此次構建的是一個NMC電芯隨機顆粒分布的微觀模型，求解充放電過程中電芯膨脹變化。
電芯充放電下的膨脹變化 。
其中負極最大位移隨電壓變化如下：
另外我們針對微觀部分 分別求解其力學性能。
二、多層電芯原位膨脹仿真分析
多層電芯膨脹變化曲線圖。
三、模組膨脹，在前面兩步求解的基礎上，轉入abaqus進行模組求解。
通過從微觀到宏觀的逐層遞進，完成鋰電池電化學充放電膨脹的分析，以上模型僅供參考。
有興趣的可以加我交流，謝謝 。
展開 設計一款動力電池包，怎樣看待電芯的充電能力和自放電特性？
具體的，歐姆內阻由電池內部導電部件的固有內阻構成，是一個比較穩定的組成部分，除了溫度變化帶來的影響，不會有太明顯的變化。極化內阻直接受到充電電流的影響。
極化內阻包括濃差極化和電化學極化兩個部分。極化現象主要包含兩部分，一種是由于電池電極表面生成各種的膜，比如氧化膜、鈍化膜和吸附膜等，離子在穿過的時候產生一定的阻抗特性，同時由于電極界面與電解液界面之間形成一定的雙電層電容，這種現象整體以電壓變化的形式表現出來，即電化學極化電壓；另一種是由于離子在充放電過程中，通過表面膜后進入電解液或者固相電極材料內部，然后在外電勢和濃差作用下，進行對流擴散現象，對外表現出來的電壓變化現象稱為濃差極化電壓。
溫度對極化電阻的影響。在低溫條件下，影響電池充放電特性的主要因素是電化學的極化特性，隨著實驗進行，濃差擴散阻抗逐漸表現出來；而在高溫條件下，反應物的活性得到大幅提高，加快了電化學反應速率，使得電化學阻抗現象變弱，濃差極化成為充電阻抗的主要組成部分。
不同SOC階段對極化電阻的影響。當 SOC處兩極端時，極化阻抗值明顯高于其他 SOC 狀態下的數值，產生的結果相同，但是產生的原理具有差異性：當 SOC 處于低端時，正極具有較高的鋰離子濃度，內部的鋰離子要經過較長的固相擴散途徑來源源不斷地提供相應倍率的離子流，脫出的路徑比較長，造成阻抗值大；而當 SOC 處于高端時，情況與低端正好相反，交流阻抗主要受限于負極的固相擴散系數和路徑的大小；當 SOC 處于之間位置時，正好介于上述兩種情況，鋰離子的嵌入和遷出的路徑都比較短，相對容易實現，表現出來的阻抗值較小，具有較強的嵌入和遷出能力，可以實現在較短的時間內，進行高倍率的電流充放電。
一種磷酸鐵鋰電池不同 SOC 下的電池伯德圖
充電模式的影響。
展開 
固態電池全電池測試
來源：能源學人
對于鋰電池系統來說，其主要挑戰是電極界面處碳酸鋰的形成。雖然固態電解質能夠有效避免碳酸鋰的形成，但其仍然容易因暴露于水蒸氣和二氧化碳中，而形成Li2CO3。據報道，在高充電電位下，微量的Li2CO3可以發生分解，并使電解質/陰極界面發生退化。鑒于此，美國科羅拉多大學的Adam Holewinski等人，利用Operando電化學質譜（EC-MS），在3.8 V充電電位下，通過確定CO2和O2的釋放，實時監測Li7La3Zr2O12（LLZO）固態電解質在陰極界面處的漏氣行為。研究發現，氣體逸出與陰極界面電阻的大幅增加有關。這為LLZO電解質在陰極界面處發生Li2CO3電化學分解，提供了最直接的證據。碳酸鋰分解機制的研究，對電池充放電和安全性至關重要。
【詳細內容】
如圖 1 所示，在初始循環期間，第一次循環的充電容量較大，隨后放電容量隨之降低。除了容量的初始損失外，電池的庫侖效率隨著循環數逐漸增加。雖然先前的報告，大容量LLZO全電池第一次循環的高充電容量和隨后容量衰減，與燒結過程中形成的有機鋰化合物有關，然而，這些化合物從未被報道過。
圖1. LMO|LLZO|Li電池的初始充放電曲線和循環庫倫效率。
圖2A、B為在4V和2V的初始充電和放電截止值，以400 mV間隔采集的EIS圖譜。當保持在4 V以下時，EIS響應的主要特征與在任一循環方向上的各個電壓下保持一致的幅度和形狀，但與擴散機制相關的電阻略有增加。相比之下，當截止電壓增加時，與陰極界面電荷轉移相關的中頻阻抗電弧增長到更大的電阻。圖2C、D顯示，在4.6 V的高充電截止電壓和放電至2 V之間的PR-EIS光譜。EIS的明顯變化在4.3-4.4 V左右表現出來。雖然開始電壓相對較高，但可以注意到CO2的釋放，且在高電壓下釋放更明顯。
圖2.
展開 研發PEDOT涂層 保護電池正極-阿貢實驗室（轉載）
制造性能優良的鋰離子電池，需要同時解決各種問題，比如保持電池的導電能力，確保電池多次循環后的安全性。據外媒報道，在一項新發現中，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，研發一種新的正極涂層，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的傷害。傳統涂層對正極粒子表面的保護只有微米大小，內部容易開裂。PEDOT涂層與之不同，它能夠穿透正極粒子的內部，增加額外屏蔽層。此外，PEDOT雖然阻止電池和電解質之間發生化學反應，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，正極材料轉變成另外一種尖晶石結構。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，使結構更加穩定，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。
更多
（圖源：阿貢官網）
蓋世汽車訊?制造性能優良的鋰離子電池，需要同時解決各種問題，比如保持電池的導電能力，確保電池多次循環后的安全性。
展開 研究發現電池熱失控原因在于材料表面
鋰電池已經被廣泛應用在手機、電腦和汽車上，成為了不可或缺的部件。不過，鋰電池卻也會因熱失控而自燃自爆。研究人員一直都在尋找電池過熱的原因和解決辦法，最近美國得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員有了新的發現，鋰離子電池過熱根源并不在材料內部，而在于材料表面，提高材料穩定性才能打造高容量且安全的電池。
電池在充放電時，電池材料也在不斷衰退，所釋放的能量也會使電池熱量提升。材料科學與工程教授Kyeongjae Cho博士表示，“只有電池陰極材料的表面才是問題所在，電池內部沒有問題。”鋰電池主要由正極、負極、隔膜和電解質組成，鋰離子則通過電解質在電極兩端游移，在電池充放電時，電池表面材料會釋放氧氣，進而產生金屬鎳粉塵。但鋰離子的傳輸通道被鎳粉塵堵塞時，導致電池容量就會快速下降，隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的幾率也會增加。
Kyeongjae Cho博士稱，可以在電池材料表面添加氧化物涂層，重新建構電池的結構，這也是保障鋰電池安全的方法之一。此舉可將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以經受住更長的充電時間。但問題是，研究與實驗所耗費時間會相當長。
展開 電池+石墨烯 未來電動車充5分鐘跑300公里
業內公認對于石墨烯投入研究資金的是三星，申報大量專利，不僅將石墨烯應用在顯示屏上，而且進行石墨烯電池的研發。國內則是先進行模式搭建，建立企業，再找尋下游市場。
來自中國經濟信息社發布的《2016-2017中國石墨烯發展年度報告》顯示2016年以來，中國石墨烯企業爆發式增長，年新增企業超過700家，但在具體應用上，過于粗放，大材小用。石墨烯真正能夠發揮作用的應該是能充分利用其“輕、薄、柔”等結構特點的場合，或在微納芯片、光電子等核心器件里。
專家表示，石墨烯在汽車電池上應用，填補了石墨烯高端應用的空白。種種跡象表明，在“電池+石墨烯”上，中國處于世界的最前端，而廣州又走在中國的前列。這不僅因為中國是全球最大汽車市場，同時也是最大新能源汽車市場，市場和消費需求擺在那里。
毛文峰強調，市面上存在許多石墨烯制作電容裝置夸張描述，比如充放電速度是鋰電池100倍~1000倍，這些都是炒作，是科學鬧劇，無論理論還是實驗室都是不成立的。
未來3~5年 快速充放電將實現突破
走出“能量密度”的誤區之后，近年來石墨烯在電池實驗室的研發就陸續有了進展。華為將石墨烯應用在手機電池上，主要側重散熱，發揮石墨烯優秀的導熱性能。比亞迪使用石墨烯，用于提升汽車電池的功率密度。功率密度和能量密度是截然不同的指標，前者決定純電動車百公里加速度，后者決定純電動車的續航里程。而毛文峰和他的團隊，將主要研究方向聚焦在快速充放電上，也就是提升電池的充放電速率。“不能簡單地換算，但在實驗室里，電池電芯加入石墨烯后，充放電效率會有顯著的提升。”
毛文峰介紹，在未來三年，電池能量密度能在現在基礎上提升20%~30%左右。充電速率則不同，未來3~5年，將充電時間能夠縮短一半。“目前，在實驗室里，我們團隊已經有收獲，純電動汽車電池能夠在5分鐘充滿80%的電量。”
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