PART1/研究背景
锂离子电池作为能量供给单元被广泛应用在电动汽车、储能系统和消费电子产品中。然而，低温环境下锂离子电池面临充电速度变慢，甚至难以充电的问题。此外，锂离子电池在低温环境下充电容易发生析锂反应。析锂不仅会消耗活性锂数量导致电池容量出现不可逆衰减，还会形成锂枝晶导致内短路的发生。因此，如何在低温环境下实现锂离子电池无析锂快充是电动汽车在寒区推广应用的关键。目前的低温充电方式多采用先加热再充电的方式。然而，充电和加热在整个低温充电过程中应该如何组合，以及先加热再充电是否为最优的组合方式鲜有人进行讨论。此外，高频交流加热和充电两个过程对应电流工况的响应时间尺度不同，并且两个过程需要优化的电流参数也比较多，还要兼顾析锂判据，这给整个低温充电的电流优化带来了挑战。
PART2/成果展示
针对锂离子电池低温充电现存的问题，本研究团队在《Chemical Engineering Journal》在线发表了题为“A novel framework for low-temperature fast charging of lithium-ion batteries without lithium plating”的研究论文。该研究由同济大学汽车学院魏学哲教授团队完成，团队博士生黄冉军为论文第一作者，戴海峰教授为论文通讯作者。
本研究首先利用不同SOC和温度下的EIS阻抗和HPPC实验分别构建了面向高频交流加热设计和充电策略设计的电热耦合模型，本研究所利用的高频交流加热波形为非对称方波。其中EIS测试和HPPC测试分别利用全电池和三电极电池进行。然后分别确定了高频交流加热和充电过程的析锂判据。最后，基于动态规划算法，设计了一种加热和充电协同优化的低温快充策略。该策略能够实现充电和加热智能切换的功能，并且两者的电流也会随之实时变化。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472406220X
PART3/图文导读
PART4/方法与结果
4.1 电热耦合模型
该电热耦合模型如图1所示，其中电模型包括面向高频交流加热策略设计的分数阶模型和充电设计的等效电路模型。实验对象为1Ah软包电池。分数阶模型参数利用网格化测试的0%~100%SOC和-10℃~40℃的阻抗谱进行标定，SOC和温度的间隔分别为10%和5℃。等效电路模型参数利用改造的三电极电池的HPPC实验进行标定。标定的SOC和温度范围分别为0%~100%和0℃~40℃，两者的间隔分别取10%和10℃。热模型利用集总热模型，模型标定的参数分别为熵热系数和等效传热系数。充电和加热两者热模型的区别在于产热功率计算的不同。电热耦合模型在加热和充电下的验证实验如图2和3所示。由于加热和充电所应用的电模型不同，因此难以直接统一析锂判据，交流加热通过约束最小加热频率来避免析锂的产生，充电过程通过控制负极电压大于0V来避免析锂的产生。
图1 电热耦合模型
图2 电热耦合模型高频加热工况实验验证
图3 电热耦合模型充电工况实验验证
4.2 低温无析锂充电策略设计
图4展示了本文所提出的低温无析锂充电策略设计流程。其主要包括三个步骤：(1)计算非对称方波加热参数的边界；(2)优化充电策略；(3)正向迭代。整个低温快充策略设计中，步骤1是基础，步骤2是核心，最终步骤3产生最优低温充电策略。步骤1提供了非对称方波加热参数的选择范围，保证后续低温充电策略设计过程中不会因加热导致电池出现析锂、过充和过放的问题。该加热策略的实验验证结果如图5所示。其中图5(a)~(c)和(d)~(f)分别利用两电极和三电极电池进行验证。可以看出，无论是电压还是温度，实验值和计算值都重合良好。本文所提出的低温充电策略能够实现加热和充电智能切换，且加热和充电电流会随着时间发生变化。此外，三电极电池负极电压大于0V证明了本文所设计的低温充电策略无析锂发生。
图4 低温无析锂快充策略设计
图5 充电策略实验验证
4.3 与其他低温充电方法对比
图6展示了本文所提的低温充电策略和现有的多种低温充电策略对比结果，本文所出的低温充电策略为HCH。可以看出本文所设计的低温充电策略充电速度最快，能耗适中。并且相比于传统不加热的无析锂低温充电策略快了约7.5倍。
图6 与其他低温充电策略对比
文章信息
A novel framework for low-temperature fast charging of lithium-ion batteries without lithium plating
Ranjun Huang, Gang Wei, Xueyuan Wang, Bo Jiang, Jiangong Zhu, Chenzhen Ji, Jingan Chen, Xuezhe Wei, Haifeng Dai*, Chemical Engineering Journal, 2024, 497: 154729.
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