原文信息：
Revealing effects of pouch Li-ion battery structure on fast charging ability through numerical simulation
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030626192401821X?via%3Dihub
Highlights
• 以一款58Ah的软包电池为研究案例，建立了三维电化学模型并且在不同的充电倍率下进行了实验验证
• 引入了析锂起始时间的概念，用以对电池的快充能力进行定量的评价
• 在1C充电倍率下，使用粒子群优化算法获得了最好和最差的电池结构，并在2C和3C充电倍率下进行了验证
• 在不同充电倍率下，展示了最快和最慢的析锂起始时间，强调了电池结构对快充能力的重要性
• 展示了析锂过电位的分布以及对应的标准差，表明了最好结构和最差结构相比析锂均匀性也会得到大幅度的改善
• 与极耳类型和电池长宽比相比，极耳附着位置被证明是影响快充能力最敏感的变量
Research gap
采用仿真的手段揭示电池结构与性能的映射关系可以很好的指导电池设计，然而目前的研究缺乏对电池快充过程中析锂问题的关注。本文通过建立高精度电化学模型并采用粒子群优化算法得到了最早析锂和最晚析锂所对应的电池结构，揭示了结构设计对提高快充能力的重要性，为电池设计过程提供了参考。
Abstract
Lithium plating may occur in lithium-ion batteries (LIBs) under extreme charging conditions, such as high C-rates and low temperatures, which compromises both the lifespan and safety of the batteries. Avoiding lithium plating is a critical topic in the design and management of LIBs. In the present work, a three-dimensional electrochemical model is established and validated to optimize the battery structure. Using the onset time of lithium plating as a quantitative index, the particle swarm optimization (PSO) algorithm is employed to identify the best and worst combinations of battery structures, including tab type, cell aspect ratio, and tab attachment positions. The results demonstrate that the onset time of lithium plating for the best structures in the three tab types is significantly delayed compared to the worst structures. Taking 2C charging as an example, there is an improvement of 28.57 %, 30.88 %, and 42.19 % for the normal type (NT), counter type (CT), and L-shaped type (LT), respectively. The differences in the degree of optimization among the three tab types are primarily observed in the worst structures, particularly in the worst structure of the LT type. Furthermore, the distributions of lithium plating overpotential and standard deviations are presented, indicating that optimizing battery structures can also significantly enhance the uniformity of lithium plating within the anode. Finally, the sensitivity analysis is conducted and the tab attachment positions are proved to be the most important factor among these variables. This work provides valuable insights into battery design and manufacturing with a focus on improving fast charging ability.
Keywords
lithium ion battery
Fast charging
Structure optimization
Electrochemical model
Particle swarm optimization
Graphics
图1 软包电池和单个电池单元示意图
图2 P2D模型假设
图3 在不同倍率下对提出的模型进行验证
（a）端电压曲线 （b）均方根误差
图4 极耳附着的三种类型
图5 粒子群优化算法的计算步骤
图6 粒子群优化算法计算结果
图7 2C和3C倍率下不同结构时的析锂起始时间
（a）2C充电 （b）3C充电
图8 三种极耳类型下最好和最差结构时的析锂过电位分布和标准差
图9 敏感性分析结果
（a）改变极耳附着位置时粒子群优化结果
（b）改变电池长宽比时粒子群优化结果
（c）三种极耳类型下的仿真结果
团队介绍
魏学哲，同济大学汽车学院教授、博士研究生导师。近年来作为主要研究人员参与国家电动汽车专项课题的研究，作为项目负责人主持国家科技支撑计划项目1项，国家自然科学基金重点项目1项，面上项目2项。作为课题副组长及主要研究人员参加国家“863”课题十余项。参与电动汽车国家标准工作组研究，并作为中国专家参与国际标准的协调。目前的主要研究方向为汽车电子及新能源汽车储能电源系统。以第一或通信作者在Nature Communications、Applied Energy、Energy等学术期刊上发表论文100余篇，曾获国家科技进步二等奖等奖励。
戴海峰，同济大学教授、博士研究生导师。IEEE高级会员，SAE NEV技术委员会委员，中国汽标委电动车辆分标委委员，上海市优秀学术带头人，上海市东方学者特聘教授，Renewable and Sustainable Energy Review等期刊编委。长期从事新能源汽车动力电池、燃料电池相关研究，在该领域先后主持国家自然科学基金重点、面上及青年项目，国家重点研发计划课题及子课题，以及各类省部级与校企委托项目。发表SCI论文70余篇，5篇入选ESI高被引，出版专著3部，连续入选Elsevier中国高被引学者。获授权国内专利40余项，申请PCT专利1项，转让4项专利。录制了面向企业用户的《电池管理与成组》网络课程，累计销售超过600份企业用户授权。主持或参编各类标准6项，成果曾先后获上海市科技进步一等奖、上海市科技进步二等奖、中国汽车工业科技进步一等奖、中国轻工业联合会技术发明一等奖。
朱建功，同济大学汽车学院副教授、博士生导师。德国“洪堡学者”，上海市海外高层次人才“特聘专家”，上海电动汽车工程技术研究中心副主任。研究领域：新能源汽车动力电池失效管理技术。目前主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目，“十四五”国家科技部重点研发计划课题、子课题，德国洪堡基金及教育部“春晖计划”合作科研项目。担任Nature旗下期刊Communications Engineering编委，IEEE PES 理事，Elseiver 旗下E-Prime和Green Energy and Intelligent Transportation青年编委，电气工程学报，汽车工程青年编委等。在顶级期刊Nature Communications、Energy Storage Materials、Cell Reports Physical Science、Journal of Power Sources、Applied Energy、IEEE TTE等期刊累计发表80余篇论文，授权国家发明专利8项，出版车用电源技术中文专著1部，车用电池寿命衰减及管理英文专著1部。担任Nature, Nature Energy, Nature Communications等期刊审稿人。
王学远，同济大学汽车学院助理教授，研究领域为动力电池管理，包括电化学阻抗谱、快充、智能电池管理系统等方向，入选第八届中国科协“青托”工程。目前主持国家自然科学基金青年基金等省部级及以上课题/项目共5项。迄今为止在IEEE Trans.系列、APEN、eTrans.等期刊/会议上发表SCI/EI论文76篇，出版中英文著作/章节5部，授权中国发明专利24项，实现企业授权/转让5项，入选2024年美国斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。获得上海市科技进步奖等省部级一等奖3项，日内瓦发明展金奖1项。
第一作者简介：
蔡吉祥，同济大学在读博士生，研究方向为电池多尺度多物理场建模、电极微结构与电池性能构效关系研究。在Applied Energy、 Journal of Energy Storage国际期刊发表一作论文两篇，在International Conference on Applied Energy国际会议做主题报告。
关于Applied Energy
本期小编：蔡吉祥；审核人：朱莲峰
《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊，在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下，1975年创刊，影响因子10.1，CiteScore 21.2，本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源（Open Access）姊妹新刊《Advances in Applied Energy》影响因子13.0，CiteScore 23.9。全部论文可以免费下载。在《Applied Energy》的成功经验基础上，致力于发表应用能源领域顶尖科研成果，并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台，欢迎关注！
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