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基于库伦效率衰退的串联电池组均衡优化控制策略研究

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基于库伦效率衰退的串联电池组均衡优化控制策略研究

作者：仇胜世南京理工大学

学位级别：硕士

由于制作工艺的偏差和环境温度的差异,电池单体间存在微小的不一致,串联电池组在复杂环境下长时间的运行会造成单体间不一致不断恶化,导致电池组可用容量不断下降,缩短了电池组使用寿命。针对以上问题,本文对基于库伦效率衰退的串联电... 详细信息

由于制作工艺的偏差和环境温度的差异,电池单体间存在微小的不一致,串联电池组在复杂环境下长时间的运行会造成单体间不一致不断恶化,导致电池组可用容量不断下降,缩短了电池组使用寿命。针对以上问题,本文对基于库伦效率衰退的串联电池组均衡优化控制策略展开研究,主要内容如下:首先,设计单体老化循环实验,分析老化对单体内阻、库伦效率和容量的影响,利用容量增量分析(Incremental Capacity Analysis,ICA)方法辨别老化机理,建立库伦效率衰退模型和容量衰退模型,以此为基础拓展到串联电池组仿真模型,研究电池组可用容量衰退机理,结果表明微小的库伦效率不一致会造成电池组荷电状态(State of Charge,SOC)不一致不断加剧,进而导致电池组可用容量大幅度下降。其次,针对无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法在估计电池SOC时出现的协方差矩阵需正定、模型参数时变和噪声协方差矩阵未知等问题,提出了基于奇异值分解双重自适应无迹卡尔曼滤波(Singular Value Decomposition Dual Adaptive Unscented Filter,SVD-DAUKF)算法的电池SOC和模型参数的在线联合估计方法,以此为基础,提出了受直流内阻影响的可用电量损失估计方法。再次,建立了基于双向正激变换的主动均衡控制系统,分析了电池组内单体电量不一致、容量不一致和直流内阻不一致对电池组可用容量的影响,综合考虑电池组能量利用率和均衡拓扑结构特点,以电池组能量充分释放为目标,提出了基于自适应人工鱼群算法的均衡优化控制策略,优化电池组均衡时间。最后,在25℃下对以上提出的估计方法和均衡策略进行实验验证。实验结果表明,UDDS工况下SVD-DAUKF算法的SOC估计误差小于1%,模型端电压辨识误差小于20m V,且在不同SOC初值下,算法均能快速收敛,UDDS联合工况下受直流内阻影响的可用电量损失的估计误差小于10%。以12节电池组成的串联电池组为均衡对象,本文所提均衡方法可以实现电池组能量的充分释放以及电池组内单体同时充满和同时放空,均衡后电池组充入电量提高了6.1%,放出电量提高了7.9%。与以电量平均值为目标的方法相比,充电模式下本文所提均衡方法的均衡时间缩短了25.5%,电池组充入电量提高了5.7%;放电模式下本文所提均衡方法的均衡时间缩短了9.1%,电池组放出电量提高了0.6%,放电模式下两种方法的放出电量基本相同,但本文所提方法的均衡时间明显缩短。

关键词：库伦效率 SOC估计 SVD-DAUKF 直流内阻均衡策略

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高库伦效率锂金属负极研究

广东化工 2022年第4期49卷 1-5页

作者：邱飞龙戚佳斌中国电子科技南湖研究院浙江嘉兴314002

锂金属兼具低电位和高比容量,是一种理想的高比能锂电池负极材料。由于锂金属几乎能与所有的电解液反应,并且充放电过程会不断暴露出高活性锂金属加剧副反应的发生,使得锂金属负极在循环过程中的库伦效率很低。为了提高锂金属负极在有... 详细信息

锂金属兼具低电位和高比容量,是一种理想的高比能锂电池负极材料。由于锂金属几乎能与所有的电解液反应,并且充放电过程会不断暴露出高活性锂金属加剧副反应的发生,使得锂金属负极在循环过程中的库伦效率很低。为了提高锂金属负极在有限过量锂条件下的循环寿命,迫切需要改善锂负极的库伦效率。在本工作基于具有较高库伦效率的含醚电解液,通过适当调控锂盐LiNO3浓度和溶剂DOL比例、使用S添加剂等显著提高锂负极的库伦效率到99.1%以上。此外通过优化测试条件以及改变电池隔膜、集流体等结构,锂负极最高库伦效率可以进一步提高到99.5%。

关键词：锂金属电池锂负极添加剂库伦效率循环寿命

限域作用提升钾离子电池转化反应负极库伦效率

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限域作用提升钾离子电池转化反应负极库伦效率

河南省化学会2020年学术年会

作者：刘会俏贾永恒张航刘怡圆贾婧曹康哲信阳师范学院化学化工学院

钾离子电池资源丰富、能量密度高,是规模储能理想的候选者之一。高容量负极材料通常能够容纳一个或多个K,但伴随着剧烈的体积膨胀。这一特点严重威胁着电极表面固体电解质中间相(SEI)的稳定性,导致电极库仑效率低、循环稳定性差。基于... 详细信息

钾离子电池资源丰富、能量密度高,是规模储能理想的候选者之一。高容量负极材料通常能够容纳一个或多个K,但伴随着剧烈的体积膨胀。这一特点严重威胁着电极表面固体电解质中间相(SEI)的稳定性,导致电极库仑效率低、循环稳定性差。基于课题组在钾离子电池负极材料方面的系列工作,本文提出通过限域作用诱导稳定SEI膜快速形成以解决上述问题。我们将CuS及NbO分别分散在碳纳米纤维的核层与壳层,构建核-壳结构CuS-C@NbO-C纳米纤维(NFs)。壳层可保护CuS纳米片免于直接与电解质接触,并有效抑制其重构带来的体积膨胀,有助于快速形成稳定的SEI膜。结果表明,经过100个循环后,CuS-C@NbO-C NFs电极的可逆储钾容量保持率为93.1%,大于CuS-C NFs电极的容量保持率(74.6%)。最为重要的是,CuS-C@NbO-C NFs电极将库仑效率稳定在大于99.0%的循环周期从CuS-C NFs电极的30个循环缩短到5个循环。作为拓展,同样结构的CoS、NiS电极中也表现出这一优势。跟踪表征电极结构和SEI膜变化发现,限域作用能够促进稳定SEI膜的形成,并抑制活性物质的体积膨胀,维持电极结构稳定。因此,利用限域作用提升电极库仑效率和循环稳定性,为构建高性能钾离子电池电极材料提供了新思路。

关键词：钾离子电池库伦效率循环稳定性限域作用负极材料

来源： cnki会议评论

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碳基集流体材料在钠金属负极中的应用

新型炭材料 2022年第1期37卷 93-108页

作者：王艳朱铭刘昊轩张远俊吴宽王官耀吴超上海大学环境与化学工程学院上海200444 伍伦贡大学超导与电子材料研究所澳大利亚新南威尔士州2522

室温钠离子二次电池是锂离子二次电池最有可能的替代品,也被认为是大规模能量存储技术的最有前景的选择之一。金属钠具有超高的理论容量以及低的氧化还原电位,因此被认为是最有前景的高比能钠离子电池的负极材料。然而,钠金属负极的应... 详细信息

室温钠离子二次电池是锂离子二次电池最有可能的替代品,也被认为是大规模能量存储技术的最有前景的选择之一。金属钠具有超高的理论容量以及低的氧化还原电位,因此被认为是最有前景的高比能钠离子电池的负极材料。然而,钠金属负极的应用仍面临一些挑战性,如钠枝晶的生长、钠金属与电解液之间的副反应、充放电过程中大的体积膨胀等。其中,钠枝晶生长不仅可以产生"死"钠和加速钠金属与电解液之间的副反应,导致容量的快速衰减,而且可能刺穿隔膜,引发电解液燃烧、电池爆炸等严重的安全问题。炭材料家族成员众多,可具有高机械强度、轻质量、高导电性、大比表面积和良好的化学稳定性等特性,近年来被广泛报道用于钠金属负极的集流体的研究。本文综述了最新的碳基集流体材料在钠金属负极上的研究进展,分析了碳基集流体的界面、结构与钠金属负极性能之间的关系,最后并对碳基集流体的未来研究面临的问题进行了展望。

关键词：钠金属负极碳基材料枝晶生长库伦效率电池安全性

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钠离子电容器负极的双功能补钠研究

Science China Materials 2023年第8期66卷 3084-3092页

作者：蒋颖俊郭松涛胡先罗 State Key Laboratory of Materials Processing and Die&Mould Technology School of Materials Science and EngineeringHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074China

电极的首次库伦效率低是限制快充钠离子电容器规模化使用的原因之一,这主要源于电解液的不可逆分解以及电极材料造成的不可逆损失.我们选取高倍率特性的Nb_(2)O_(5)负极材料作为研究对象,采用钠萘/2-甲基-四氢呋喃作为预钠化剂,发展了... 详细信息

电极的首次库伦效率低是限制快充钠离子电容器规模化使用的原因之一,这主要源于电解液的不可逆分解以及电极材料造成的不可逆损失.我们选取高倍率特性的Nb_(2)O_(5)负极材料作为研究对象,采用钠萘/2-甲基-四氢呋喃作为预钠化剂,发展了一种简单且可精确调控的双功能预钠化剂,实现了预活化,获得了高稳定循环的NaxNb_(2)O_(5)电极,从而补偿了钠在材料中的不可逆吸收.研究发现,预钠化过程同时抵消了电解液分解所产生的损失,有利于在电极/电解液界面形成坚固的富含无机物的固体电解质界面膜.通过补偿Nb_(2)O_(5)负极的体相与界面的钠损失,构建了稳定且具有高能量密度的钠离子电容器.本研究为调控储钠电极的首次库伦效率及其在下一代钠离子电容器中的应用提供了新方法.

关键词：不可逆损失固体电解质界面膜负极材料库伦效率电解液分解高能量密度钠电极电极材料

一种有助于稳定锂金属循环的富氟化位点框架结构

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物理化学学报 2021年第1期37卷 126-135页

作者：王木钦彭哲林欢李振东刘健任重民何海勇王德宇江汉大学光电化学材料与器件教育部重点实验室武汉430056 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201 天目湖先进储能技术研究院江苏溧阳213300

锂金属是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料,然而它的应用仍然受制于较差的循环稳定性。近期,二维氟化界面被广泛用于改善锂金属负极的成核机制、沉积形貌和循环稳定性。本工作通过将体积缩小化的氟化石墨颗粒与锂离子传导网络结... 详细信息

锂金属是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料,然而它的应用仍然受制于较差的循环稳定性。近期,二维氟化界面被广泛用于改善锂金属负极的成核机制、沉积形貌和循环稳定性。本工作通过将体积缩小化的氟化石墨颗粒与锂离子传导网络结合,获得了一种富氟化位点的三维框架结构。实验结果证明此类三维氟化结构可显著提升锂金属负极在不同电流密度和容量下的循环稳定性,且优于二维氟化界面结构。通过本工作的研究,证明了相较于单纯的二维氟化界面,三维锂离子传导网络和富氟化位点的合理结合可以成为一种改进的界面结构用于锂金属负极保护,为高能量密度锂金属电池的负极保护提供了新的设计思路。

关键词：锂金属电池锂金属负极氟化石墨固液界面库伦效率

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多壁碳纳米管纸作正极集流体的锂硫电池性能

复合材料学报 2017年第4期34卷 873-880页

作者：刘珍红孙晓刚邱治文陈珑蔡满园南昌大学机电工程学院南昌330031

为了改善锂硫电池的循环性能,以纸纤维为基体,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电剂,采用真空抽滤法制得MWCNTs导电纸,并将MWCNTs导电纸作为正极集流体代替铝箔应用于锂硫电池。对MWCNTs导电纸进行了形貌结构表征和电化学性能测试,并对循环后的... 详细信息

为了改善锂硫电池的循环性能,以纸纤维为基体,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电剂,采用真空抽滤法制得MWCNTs导电纸,并将MWCNTs导电纸作为正极集流体代替铝箔应用于锂硫电池。对MWCNTs导电纸进行了形貌结构表征和电化学性能测试,并对循环后的MWCNTs导电纸电极进行EDS检测。结果显示,MWCNTs均匀地附着在纸纤维基体上,多空隙的MWCNTs导电纸三维结构明显。采用MWCNTs导电纸作集流体的锂硫电池在0.05C和1C倍率充放电下循环30次,比容量分别保持615mAh/g、496mAh/g,库伦效率达97.5%以上,且电荷转移电阻在循环后降低。EDS元素分析结果证实MWCNTs导电纸对多硫化锂有吸附作用,从而一定程度抑制了锂硫电池的穿梭效应。因此,以MWCNTs导电纸作为集流体能有效增加活性物质硫的负载量和接触面积,使锂硫电池具有良好的循环稳定性和库伦效率性能。

关键词：锂硫电池碳纳米管导电纸集流体库伦效率

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锂离子电池用富锂层状正极材料

化学进展 2011年第10期23卷 2038-2044页

作者：吴承仁赵长春王兆翔陈立泉中国地质大学(北京)材料科学与工程学院北京100083 中国科学院物理研究所固态离子学实验室北京100190

正极材料与负极材料是锂离子电池重要组成部分。目前锂离子电池负极材料比容量通常在300 mAh/g以上,而正极材料比容量始终徘徊在150 mAh/g。正极材料正在成为锂离子电池性能进一步提升的瓶颈。富锂层状正极材料是一类新型正极材料,其可... 详细信息

正极材料与负极材料是锂离子电池重要组成部分。目前锂离子电池负极材料比容量通常在300 mAh/g以上,而正极材料比容量始终徘徊在150 mAh/g。正极材料正在成为锂离子电池性能进一步提升的瓶颈。富锂层状正极材料是一类新型正极材料,其可逆容量在200 mAh/g以上,其高容量特性引起人们的广泛关注。这类材料可以用xLi2MO3.(1-x)LiM'O2(M为Mn,Ti,Zr之一或任意组合;M'为Mn,Ni,Co之一或任意组合;0≤x≤1)形式表示。由于其组成与结构的特殊性,这类富锂层状正极材料的充放电机理也不同于其它含锂过渡金属氧化物正极材料。本文介绍富锂层状正极材料的合成、结构与充放电机理,重点介绍近年来通过改性提高其电化学性能方面的研究进展,指出目前富锂材料研究中存在的问题,探讨未来的研究重点。

关键词：富锂层状正极材料容量保持率库伦效率机理改性

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纳米硅担载提高锂-碳复合负极的电化学性能

物理化学学报 2019年第12期35卷 1313-1315页

作者：刘忠范北京大学化学与分子工程学院

1背景介绍金属锂作为锂离子电池负极,具有极高的比容量和极低的还原电势,也可和不含锂源的正极材料搭配做成如锂-硫,锂-氧气等电池,是发展下一代高能量密度电池的关键材料。从上个世纪七十年代开始,研究者们就开始了金属锂负极的研究1-... 详细信息

1背景介绍金属锂作为锂离子电池负极,具有极高的比容量和极低的还原电势,也可和不含锂源的正极材料搭配做成如锂-硫,锂-氧气等电池,是发展下一代高能量密度电池的关键材料。从上个世纪七十年代开始,研究者们就开始了金属锂负极的研究1-3。然而,由于金属锂自身高的反应活性和趋于无限的体积膨胀的特点,使得金属锂会与电解液发生严重的反应,导致较低的循环库伦效率。同时,金属锂在循环过程中容易生成锂枝晶,引起电池短路,带来安全隐患。

关键词：正极材料金属锂负极库伦效率锂枝晶循环过程高能量密度电化学性能还原电势