Batteries & Supercaps：安全锂离子电池的小型监测方法和建模策略的研究进展

锂离子电池(LIBs)因其具有能量密度高、工作电压稳定、循环寿命长、无记忆效应等优点，已被广泛应用于电动汽车和混合动力汽车的动力源。然而，在锂离子电池的使用或储存过程中，存在热失控、体积膨胀和锂枝晶生长等不利因素，严重降低了锂离子电池的可靠性和安全性。因此，对电池的运行状况进行实时检测尤为重要。通过实时监测电池内部状态，分析电池的电化学反应以及可能的失效原因，可以观察到电池的内源性事件。目前，实验室的大多数表征方法，如：原位扫描电子显微镜(SEM)、原位原子力显微镜(AFM)、原位核磁共振(NMR)、原位透射电子显微镜(TEM)等由于体积过于大、价格昂贵，因而不能直接应用于商用电子器件。因此，随着新能源技术的发展，小型检测方法将注定成为下一个研发热点领域。与此同时，随着微电子技术和建模计算的迅速发展，许多小型便携式分析方法如传感器、建模策略等也日趋成熟且不断在电池领域开始涌现。

近日，扬州大学化学化工学院的校特聘青年百人王天奕博士课题组在Batteries & Supercaps上发表了题为“Development of “small-scale monitoring andmodeling strategies for safe Li ion batteries”的综述文章(doi.org/10.1002/batt.202100292)，第一作者为硕士研究生张亚文。

此项工作不仅总结了近几年新兴的用于锂离子电池工作状态监测的小型原位监测技术，也对一些经典的建模工作，比如热模型、电模型、老化模型以及各种耦合模型等进行的系统性分析。由于单个的热模型通常不足以准确预测电池的热行为，因此热模型多与电模型耦合进行建模。当与等效电路模型(ECM)相结合时，它主要用于电动汽车的管理系统中。同时，基于老化和机械应力的模型也是对电池使用寿命和工作状态评估更为细致的考虑。总之，建模在锂离子电池的发展中起着至关重要的作用。此外，本工作也比较和研究了可以组装在电池中的几种典型微传感器(如：电化学石英晶体微天平、多光束光学应力传感器、压电薄膜传感器、薄膜热电偶传感器和光纤传感器等)。嵌入式的传感器可以提供电池准确的性能参数(如电压、电流和温度)和早期问题指示，旨在集入先进的电池管理系统和保证新一代高能量密度电池的安全性。文章最后，对便携式现场监测策略的发展方向进行了预估与展望。

图1. 综述论文封面

图2 电池中的传感技术

图3  (a) EQCM-D应用于储能电极的表征；(b)光纤光栅传感器方案及工作原理

随着未来电动汽车等大型电动设备的加速推广，电池健康监测的小型化将会受到更多的关注。首先，模型的建立对于电池特性的研究、健康状态(SOH)估计、电池管理系统(BMS)算法开发以及电池系统的实时仿真具有重要意义。但是基于模型的检测方法数据多，运算过程庞大，以及模型参数确定的模糊性，仍然限制其在储能领域的推广。因此，需要对模型算法简单化、参数准确化等问题进行深入研究。例如：尽管一维的模型可以实时监测电池内部状态（电压、电流、温度等），但是仍不能满足大型电池组或某些具有高电流密度放电/充电功能的特殊电池的监测需求。为此，构建二维、三维的模型能够提供更准确的电池信息。但随着维数的提高，对数据处理和计算算法的要求越来越高，使得三维模型更适合于大规模的储能矩阵(如大型储能站)，而不是小的电池组。其次，基于传感器的监测系统不需要借助复杂的大型仪器，所用装置成本低廉，可以有效降低检测成本，并且传感器具有能安装进锂离子电池内部的潜力，方便替换，是一种具有实际应用前景的检测技术。

论文信息：

Development of Small-Scale Monitoring and Modeling Strategies for Safe Lithium-Ion Batteries

Yawen Zhang, Peng Chen, Dr. Tianyi Wang, Prof. Dawei Su, Prof. Chengyin Wang

第一作者为硕士研究生张亚文。

Batteries＆Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202100292

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Batteries＆Supercaps致力于成为电池研究中从基础到应用以及工程等各个方面的顶级期刊。 Batteries＆Supercaps是由16个欧洲化学学会组成的欧洲化学协会Chemistry Europe出版。主要涵盖包括纯电池和应用电池研究、电池电化学、电极材料、电池设计、电池系统和应用以及混合电池系统。

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