谈鹏：硅碳负极锂离子电池应力特性研究_46页_12mb

硅碳负极锂离子电池应力特性研究总结

核心内容

本研究聚焦于硅碳负极锂离子电池的应力特性，探讨其对电池运行性能的影响及在电池状态评估中的应用。通过实验和仿真分析，揭示了硅碳负极在充放电过程中因体积膨胀产生的应力变化，并提出通过应力监测实现对电池容量、寿命和健康状态的预测。

主要观点

• 硅碳负极膨胀问题：硅碳负极材料在充放电过程中产生显著膨胀，导致电池内部应力变化，影响电芯、模组及系统的开发与性能表现。
• 应力与电池性能关系：在一定范围内，压力增加有助于电池性能提升，但超过阈值后压力增长将限制性能发挥。电池极化和容量衰减与压力变化呈正相关。
• 应力对SOC估计的影响：电压曲线在循环后期变化趋于一致，而应力曲线对SOC变化更为敏感，说明应力可以作为SOC估计的辅助参数。
• 应力特性在SOH预测中的应用：通过分析应力变化，可以更好地映射电池衰退情况，为电池寿命预测提供新思路。
• 多物理场模型与数据驱动融合：结合物理模型和数据驱动方法，开发出更精确的电池状态评估技术，提高对电池运行状态的理解。

关键信息

电池参数信息（表1）

• 正极：LiNi0.88Mn0.05Co0.07O2（克容量207 mAh/g），LiTX300/CNTs（1.5 g/m²），PVDF（1.2 g/m²）
• 负极：SiO/C（克容量583 mAh/g），SP/SWCNT（2.0 g/m²），PAA/SBR（5.5 g/m²）
• 电性能：额定容量14 Ah，上限电压4.25 V，下限电压2.5 V，能量密度345 Wh/kg，电芯尺寸150×120×5.2 mm

充放电测试工步（表2）

• 测试包括搁置、恒流放电、恒流恒压充电、循环测试等，采样频率为10秒。
• 在恒压力下，电池厚度与压力呈正相关，容量衰减与压力变化也呈正相关。
• 电池压力在寿命末期出现拐点和加速增长，表明膨胀对电池性能的严重影响。

压力与电池性能的关联

• 在低放电倍率下，电流密度对SEI稳定性的影响更大。
• 在高放电倍率下，结构均匀性和粒径对SEI稳定性起主导作用。
• 硅颗粒膨胀导致SEI结构破裂，消耗Li+并产气，进一步降低电池性能。

应力特性与SOC/ SOH预测

• SOC估计：在不同运行工况下（CC、UDDS、DST），基于应力的SOC估计误差均在2.4%以内。
• SOH预测：通过提取应力特征因子（如应力最大值、最小值、差值等），可以更准确地评估电池健康状态。

应力监测技术

• 原位膨胀分析仪：可提供恒压力和恒间隙两种应力工况，配备温控系统，实现高低温环境模拟。
• 薄膜应力传感器：具有高精度、高可靠性，操作温度范围广，厚度和压力范围可满足多种测试需求。
• 温压一体智能传感平台：实现对电池应力、温度等参数的实时监测与图形化分析，提升电池状态评估的准确性。

应用与展望

应力特性应用

• 电池状态评估：通过应力监测，可实现对电池容量、寿命及健康状态的高精度评估。
• 多性能监测系统：开发具备数据采集、处理、存储和回放功能的智能监测平台，提升电池运行管理效率。
• 力-电化学耦合模型：通过单粒子和二维模型研究力-电化学耦合机制，为电池设计提供理论支持。

研究结论

• 压力与电化学性能关系：压力变化与电池性能密切相关，尤其在电池寿命末期表现显著。
• SEI稳定性影响：硅粒径越小，越有利于SEI结构的稳定性，但缺陷深度增加会降低SEI稳定性。
• 应力作为辅助参数：应力测量可作为SOC和SOH估计的有效辅助手段，提升电池状态评估的准确性。

未来发展方向

• 智能传感系统：继续开发高精度、高可靠性的多维传感器，构建更完善的电池状态监测平台。
• 模型优化：融合数据驱动与物理模型，提升电池状态估计的精度与适用性。
• 实际应用验证：在实际电池系统中进行测试，验证基于应力特性的电池状态评估技术的可行性与有效性。

特别感谢

• 合作单位：国轩高科、IEST元能科技、钛深科技等。
• 研究团队：谈鹏教授及其课题组成员。
• 技术支持：相关实验设备及数据分析工具的支持。

参考资料

• 资料来源：盖世汽车、全球新能源汽车供应链创新大会、国盛证券研究所
• 课题组主页：中国科学技术大学热科学和能源工程系