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研究背景

鋰離子電池（LIBs）是現(xiàn)代能源存儲技術(shù)中最為重要的組成部分，廣泛應(yīng)用于電動車（EVs）、移動設(shè)備、可再生能源存儲等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，鋰離子電池具有能量密度高、壽命長、充電速度快等顯著優(yōu)點。然而，鋰離子電池的老化和退化機制仍然是科學(xué)研究中的重大挑戰(zhàn)。由于使用條件和負(fù)載曲線的復(fù)雜性，如何在實際應(yīng)用中準(zhǔn)確評估電池的壽命和性能仍面臨諸多問題。這些問題主要涉及電池在動態(tài)放電情況下的退化行為以及如何更好地模擬實際使用條件進(jìn)行實驗驗證。??

成果簡介

為了解決這一問題，斯坦福大學(xué)Alexis Geslin, Le Xu（重慶大學(xué)校友）, Devi Ganapathi，William C. Chueh & Simona Onori等人在Nature Energy期刊上發(fā)表了題為“Dynamic cycling enhances battery lifetime”的最新論文。該團(tuán)隊系統(tǒng)地比較了不同動態(tài)放電曲線與恒流放電曲線的影響，旨在填補實驗和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法之間的空白。研究設(shè)計了四種不同的放電占空比來模擬實際駕駛中的負(fù)載曲線，并使用真實和合成的現(xiàn)場數(shù)據(jù)創(chuàng)建了多種動態(tài)放電協(xié)議。通過對92個商用硅氧化物-石墨/鎳鈷鋁鋰離子電池進(jìn)行24個月的測試，研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)放電相較于恒流放電顯著提高了電池的使用壽命，提升幅度達(dá)到38%。

研究還通過可解釋的機器學(xué)習(xí)方法揭示了低頻電流脈沖在退化過程中的重要性，尤其是在模擬電動車駕駛負(fù)載的情況下。該團(tuán)隊還確定了在平衡時間誘導(dǎo)的老化與循環(huán)老化的過程中，最佳的C速率窗口約為0.3C到0.5C，符合實際駕駛條件。

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研究亮點

（1）實驗首次比較了不同動態(tài)放電曲線與恒流放電曲線在鋰離子電池老化過程中的影響，得到了動態(tài)放電顯著提高電池使用壽命的結(jié)果。具體而言，在相同的平均電流和電壓窗口下，動態(tài)放電曲線比恒流放電增加了多達(dá)38%的等效充放電周期。

（2）實驗通過在92個商用硅氧化物-石墨/鎳鈷鋁鋰離子電池上進(jìn)行24個月的循環(huán)測試，分析了47種不同的動態(tài)放電曲線，涵蓋了從C/16到C/2的平均放電C速率。研究發(fā)現(xiàn)，在平衡時間誘導(dǎo)的老化與循環(huán)老化方面，最佳的C速率窗口約為0.3C到0.5C，該范圍內(nèi)的平均C速率符合現(xiàn)實使用條件。

（3）實驗通過可解釋的機器學(xué)習(xí)方法分析了動態(tài)放電曲線對電池退化的影響，揭示了低頻電流脈沖（平均8.2 mHz）在放電信號中的重要性。此發(fā)現(xiàn)有助于理解不同放電模式對電池壽命的具體影響，并強調(diào)了動態(tài)放電條件下時間誘導(dǎo)的老化對電池的貢獻(xiàn)。

圖文導(dǎo)讀

圖1: 放電協(xié)議概述。

圖2: 動態(tài)放電曲線導(dǎo)致大范圍的降解曲線。

圖3: SHAP分析確定了放電特性的重要性，以預(yù)測EoL指標(biāo)。

圖4: 退化模式 Qne, Qpe和QLi影響和起源。

總結(jié)展望

本文的研究揭示了動力學(xué)放電曲線與電池老化之間的強相關(guān)性，尤其是在實際電動汽車（EV）駕駛條件下的放電過程對電池壽命的影響。研究表明，傳統(tǒng)的恒流放電方式并不能有效模擬實際駕駛環(huán)境中的老化過程，而動態(tài)放電周期能夠顯著延長電池使用壽命。此外，時間誘導(dǎo)的老化效應(yīng)在EV相關(guān)的C速率（≤0.4C）下成為主導(dǎo)因素，這表明長時間的充放電過程對電池壽命的影響比循環(huán)過程更為顯著。

這項工作強調(diào)了在電池研究中需要采用更接近實際使用場景的動態(tài)循環(huán)協(xié)議，以更準(zhǔn)確地捕捉電池老化的趨勢。同時，研究還表明，基于這些動態(tài)循環(huán)的實驗數(shù)據(jù)，可以開發(fā)模型來映射恒流與動態(tài)循環(huán)引起的電池退化差異。因此，在新型電池材料和電池設(shè)計的開發(fā)過程中，采用更加現(xiàn)實的測試協(xié)議，不僅有助于優(yōu)化電池性能，也有助于深入理解其老化機理。這一發(fā)現(xiàn)不僅對電池研究具有重要意義，也為物理科學(xué)中的材料和器件老化研究提供了新的視角。

文獻(xiàn)信息

Geslin, A., Xu, L., Ganapathi, D. et al. Dynamic cycling enhances battery lifetime. Nat Energy (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/12/11/e1b44fd782/

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