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原文传递基于电化学-热耦合模型的析锂特性研究

论文题名：	基于电化学-热耦合模型的析锂特性研究
关键词：	电动汽车;锂离子电池;析锂特性;技术参数;充电机制
摘要：	在国家“双碳战略”倡导及现实迫切需求的推动下，新能源汽车及其“三电”（电池、电机、电控）的重要组成部分—锂离子电池得到迅猛发展。然而，由于不合理的电池内部参数设计、不当的充电机制，锂离子电池负极会发生析锂副反应，在加速电池容量、性能衰减和老化的同时引发安全问题。本文依据电化学原理、析锂动力学条件和电池产热机理，采用实验与仿真相结合的方法，展开了电池设计参数和充电机制对负极析锂影响的研究，并在抑制析锂的基础上对电池充电进行优化，为抑制析锂的发生提供理论依据。本文主要研究内容包括以下几个方面：　　（1）通过试验获取电池和电极层面特性参数、探索充电机制对析锂的影响规律，为模型的搭建及验证提供必要数据。在全电池层面，主要包括容量标定试验、不同工况电池充电试验、不同温度下开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)试验、低温诱导析锂试验。在半电池层面，主要包括平衡电位试验、恒电流间歇滴定(Galvanostatic Intermittent Titration Technique,GITT)试验、不同温度下电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)试验。通过全电池试验获得了电池在不同温度下的充电特性和开路电压；环境温度、充电倍率及截止电压对析锂的影响规律。通过半电池试验获得了正负极平衡电位，固相扩散系数随荷电状态的变化规律、负极各部分阻抗及固相扩散系数随温度的变化规律。结合开路电压与正负极平衡电位实验数据，利用最小二乘法获得了正负极的荷电状态(State of Charge,SOC)工作区间。　　（2）基于电化学原理、析锂动力学条件和电池产热机理，建立了电化学-析锂-热耦合模型，在模型搭建中考虑了液相锂离子浓度对析锂的影响、析锂对孔隙率和欧姆阻抗的改变、部分电化学参数对温度的依赖。随后从充电曲线、电池温度、析锂量的角度展开对模型的验证。试验与仿真的最大电压误差普遍小于30mV，温度误差均在±1℃之内，低温下析锂量预测误差小于电池额定容量的0.45%。模型具有很好的精确性与可靠性。　　（3）基于验证后的模型，首先从析锂的动力学条件角度出发，利用负极域的极化控制方程对各部分极化过电位进行分解，利用过电位对各部分极化进行描述；随后分析了固相锂离子浓度梯度、液相锂离子浓度梯度、嵌锂交换电流密度在充电过程中的变化规律；最后深入分析了电池设计参数及充电机制对负极析锂的影响规律和作用机制，其中电池设计参数主要包括负极颗粒半径、孔隙率、负极厚度、电极反应速率常数、固相扩散系数；充电机制包括环境温度、充电倍率。　　（4）鉴于充电机制对析锂的影响，基于MATLABamp;COMSOL联合仿真平台，选用多级恒流充电策略，利用带精英策略的非支配排序遗传算法(Elitist No ndonminated Sorting Genetic Algorithm,NSGA-II)，在抑制析锂的基础上对锂离子电池充电机制进行优化，优化目标包括充电时间、电池温升、累计析锂量；随后利用熵权法在Pareto解集中选取最优充电方案。结果表明，最优充电方案，可以在2377s时间内充电至80%SOC，实现了“无析锂”快速充电，与其对应的平均充电倍率相比，单次充电减少了107.2C（库伦）锂的析出，并增加了恒流充电阶段的充电容量。
作者：	李超
专业：	车辆工程
导师：	刘良
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022