基于多新息扩展卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估计

锂电池具有高能量密度、循环寿命长等优点而被广泛应用于电动汽车动力装置,但车辆运行状况复杂多变,且电池内部呈现高度非线性的性质,导致电池荷电状态(state of charge, SOC)难以准确计算。为优化锂电池SOC估计精度,构建结合Warburg元件的分数阶二阶RC模型,采用自适应遗传算法进行参数辨识;融合多新息理论和扩展卡尔曼滤波算法,提出基于多新息扩展卡尔曼滤波(multi innovation extended Kalman filter, MIEKF)的锂离子电池SOC估计算法,并利用试验数据验证该方法的有效性,为提高SOC估计精度和车载锂电池的循环使用寿命提供了新的方法途径和实践支撑。

热失控状态气液两相的锂离子电池建模及修正方法研究

锂离子电池在应用过程中因滥用而发生热失控现象,导致电池内部产生大量气体,传统的固液两相模型难以准确描述热失控机理。针对以上问题,以18650电池组为研究对象,构建气液两相的锂离子电池模组的电化学-热耦合模型,研究了热失控气体对锂离子电池内部应力、温度、电解液浓度的影响规律,同时利用COMSOL Multiphysics 5.5软件进行了有效性验证和理论模型修正。研究结果表明,锂离子电池热失控气体对电池内部应力、温度、电解液浓度有着明显的正反馈影响规律。内部应力的理论修正值与仿真值峰值均在相近时刻出现,且误差为0.04 MPa,计算精确率提高了80%。电池内部温度到60℃左右时发生热失控,产生的热失控气体在内部温度升高到160℃时被点燃,640 s时达到最高仿真温度,修正温度分别为177、172℃,热失控气体产生的热点现象是影响电池包内部的温度分布不均的主要原因。电解液浓度理论修正值和仿真值从1 200 mol/m3同步下降至837 mol/m3,形成气液两相流,电解液与电极材料反应和分解造成了电解液浓度降低。

FeS_(2)薄膜正极制备及性能

利用3D打印技术对FeS_(2)薄膜正极进行了制备,考察了测试时使用的不同电解质类型、放电测试温度以及正极厚度参数对单体电池放电特性的影响。实验结果表明,采用3D打印技术制备的薄膜正极具有较高的比容量和稳定性,测试薄膜正极使用三元LiCl-LiBr-LiF电解质隔膜的单体电池放电性能最好,初始电压达到2.19 V;截至1.5 V时,电池比容量达到688.5 mA·h·g^(-1)。

辐射对流散热下大尺寸三元锂电池热模型

为精准界定热失控发展过程中锂电池热聚集特征,采用理论和试验相结合的方法,研究热滥用引发的大尺寸三元锂电池热模型。首先,依据能量守恒定律,明确电池热模型中的加热片产热量Q_(e)、化学反应产热量Q_(f)、电能释放产热量Q_(j)和环境散热量Q_(d)这4个热量参数,进而基于物理热量计算公式(Q=CMΔθ)和集总参数法,构建大尺寸三元锂电池由热滥用引发的热模型;其次,对模型参数获取进行理论分析,研究4个热量参数对电池热累积变化的重要度;最后,结合试验数据,将研究区间以点(t_(i),θ_(i))进行分区,确定表面传热系数h的值,进一步验证辐射对流散热下热失控锂电池热模型。结果表明:总产热量Q_(w)为12.88×10^(5) J,总散热量Q_(d)为6.60×10^(5) J,其中,辐射散热量为2.91×10^(5) J,对流散热量为3.69×10^(5) J,利用热模型计算出的热量理论预测热失控峰值温度θ_(p),与试验结果契合度较好,明确锂电池热失控发展过程中的热量聚集特征。

镁掺杂协同氧化铝包覆优化锂离子电池高镍正极材料

锂离子电池高镍Li Ni_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y)O_(2)(NCM,x≥0.6)正极材料因具有较高的能量密度和低成本等优势在电池领域备受关注,然而随着镍含量的升高,材料锂镍混排严重且热稳定性下降,导致高镍三元材料的循环稳定性和安全性恶化。本研究针对高镍三元材料阳离子无序排列严重和循环稳定性差的问题,通过共沉淀法在前驱体合成过程中将Mg掺杂进入晶体,得到Li Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.09)Mg_(0.01)O_(2)(Mg1.0)活性材料,进一步利用液相法在材料表面包覆Al_(2)O_(3),成功制备Al_(2)O_(3)涂覆的Li Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.09)Mg_(0.01)O_(2)复合材料(Mg1.0@Al)。X射线衍射(XRD)结果表明,Mg掺杂能够有效扩大材料层间距,抑制阳离子混排;扫描电子显微镜(SEM)结合透射电子显微镜(TEM)结果表明,改性未对NCM811材料整体形貌造成影响,同时能够明显地观察到通过液相法在材料表面包覆的Al_(2)O_(3)涂层。电化学测试结果表明,镁铝协同改性可以稳定NCM811材料结构,减少阴极的界面极化,遏制材料与电解液发生副反应,使得材料表现出优越的电化学性能。Mg1.0@Al在1 C循环100次后表现出稳定的放电电压(ΔV=5.2 m V)、较低的电荷转移阻抗(R_(ct)=51.66Ω)和卓越的锂离子扩散系数(D_(Li)=4.05×10^(-14)cm^(2)/s)。同时,Mg1.0@Al材料在2.8~4.3V电压范围下,展现出卓越的循环性能和倍率性能:1 C下循环100次和400次后仍有188.58 m Ah/g和147.47 m Ah/g的放电比容量,容量保持率分别为95.18%和74.54%;5 C大倍率电流下,放电比容量高达146.3 m Ah/g。

Li_(x)(Mg,Ni,Zn,Cu,Co)_(1-x)O高熵氧化物负极材料电化学储锂特性

高熵氧化物是一种新型单相固溶体材料,作为转换反应类型的锂离子电池负极材料近年来受到了广泛关注。本工作通过氧化物与LiH固相加热反应合成了预锂化的单相Li_(x)(Mg,Ni,Zn,Cu,Co)_(1-x)O(x=0,0.08,0.16,0.2)高熵氧化物负极材料,并研究了其电化学储锂特性。结果表明,低价态Li^(+)在晶格中引入以及电荷补偿作用使得高熵氧化物中形成Co^(3+)、Ni^(3+)和氧空位,高价态Co^(3+)和Ni^(3+)的存在提高了转换反应的电子转移数;氧空位的形成提升了高熵氧化物的导电能力,有利于提高转换反应动力学;同时,非活性Mg^(2+)充当缓冲基质保证了电化学过程中的结构稳定性。因此,预锂化的Li_(0.16)(Mg,Ni,Zn,Cu,Co)0.84O高熵氧化物负极材料在100 mA/g的电流密度下表现出679 mAh/g的高可逆比容量,63.7%的首次库仑效率,较小的电极极化(充放电平台电压差为-0.9 V),并且在1000 mA/g的高电流密度下,800次循环后可逆比容量仍保持在651 mAh/g,显示出优异的循环稳定性和倍率特性。

碳包覆热电池正极材料FeS2的制备及其电化学性能研究

用高温烧结法制备FeS2碳包覆粉体,探索不同碳源包覆对其放电性能的影响,并考察了最佳碳源的不同烧结温度和烧结时间对其放电性能的影响。结果表明:包覆柠檬酸,450℃和5 h煅烧下制备的粉体放电效果效果最佳。所制备的正极(vs.LiB)放电起始电压为1.90 V,当电压截至到1.5 V时,比容量可达538 mAh·g^(-1)。

钾离子电池锰基层状氧化物正极的研究进展

可再生能源替代传统化石燃料的研究推动了电能存储系统的发展。随着对规模储能的需求不断增加,钾离子电池(PIBs)因其成本低廉、元素丰度高、理论工作电压高以及电解液中K+卓越的传输动力学,在未来将成为商用锂离子电池的补充或替代品。电极材料的发展深刻影响电池的电化学性能。石墨作为钾离子电池负极展现出了优异的循环稳定性,然而,找到具有快速的传输动力学和稳定的框架结构来嵌入/脱嵌大尺寸K^(+)的正极材料是钾离子电池面临的主要挑战。层状过渡金属氧化物因其结构稳定、合成过程简单及价格低廉等优点而具有广阔的应用前景。本文介绍了钾含量和合成温度等对过渡金属层状氧化物晶体结构的影响,并说明了各种晶体结构在脱钾过程中的结构演变和容量损失机理;在此基础上,提出了针对不同晶体结构的锰基过渡金属层状氧化物的改性方法以提高其电化学性能;最后,对新型过渡金属层状氧化物正极的主要研究方向和研究热点进行了预测,以指导未来钾离子电池正极材料的发展。

锌空电池及其材料的研究

锌空电池由于其性能稳定、比能量高、材料来源广泛、成本低廉,其研究开发深受重视,尤其是其正极材料的研究深受关注。以CoO、Ag2O、CaO、MnO2、Ba(OH)2、Ni(OH)2、KMnO4等原料作为空气电池正极催化材料,通过对它们进行电化学测试,发现混合催化剂对氧的阴极还原有更好的催化活性;特别是掺杂了氢氧化合物类的催化剂后,电极显示出较好的电化学性能,表明它们更适合作锌空电池氧电极材料。混合催化剂做成的电池放电曲线更加平稳,放电容量更大。

锂离子电池锑基复合氧化物负极材料的研究

采用共沉淀法制备了SbFeO3 和SbPbO2 5锑基复合氧化物粉末 .将其分别作为锂离子电池负极材料的活性物质 ,利用恒电流电池测试仪研究它们的电化学性能 .这两种锑基复合氧化物都有较高的电化学容量 ,SbFeO3 的可逆容量为 5 5 0mAh/g ,SbPbO2 5的可逆容量为 12 70mAh/g .这两种锑基复合氧化物的电化学容量远高于碳材料 (石墨的理论容量为 372mAh/g) ,因此 。

碳纳米管改性锰酸锂电化学性能的研究

以多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)为主要添加相,协同超导乙炔炭黑(SP),对锰酸锂进行电化学改性。对MWCNTs进行预处理,采用扫描电子显微镜观察MWCNTs的微观形貌。掺杂不同质量比的导电剂,制成电池并以恒流充放电方法测试其电化学性能。结果表明,碳包覆后电池的初始充放电比容量都有所下降,掺入1%(质量分数,下同)MWCNTs后的LiMn2O4的首次充放电效率为96.51%,不可逆容量最小,初始放电比容量为116.42mAh/g,经20次循环后容量保持率仍达96.2%,使用复合碳源掺杂时,当m(MWCNTs)∶m(SP)=1∶2时,首次充放电效率达96.67%,不可逆容量最小,初始放电比容量为119.37 mAh/g,且掺杂2%MWCNTs的效果要略好于掺入2%SP。

Li_(1+x)Mn_2O_4的合成及表征

以硝酸锂、乙酸锰和柠檬酸为原料 ,采用溶胶 -凝胶法合成了过量锂尖晶石型锂锰氧化物。将过量的锂掺杂到尖晶石型锂锰氧化物中时 ,锂掺杂量对材料的结构、初始容量及循环性能都有明显的影响。利用粉末X衍射、红外光谱、热重和差热分析等手段对锂锰氧化物的形貌及结构进行了表征。热重和差热分析表明 :前驱体于4 0 0℃开始形成LiMn2 O4,并向尖晶石型结构转变。红外光谱表明 ,Li1 .0 5Mn2 O4中的Mn—O键最强 ,结构最稳定。XRD结构表征表明 ,过量锂掺杂的锂锰氧化物仍属于尖晶石结构。当锂锰物质的量比为 1 .0 5∶2时 ,锂锰氧化物的晶格常数最小 。

铝氧化银电池正极材料AgO的分解动力学研究

氧化银的不稳定性是导致铝氧化银贮备电池在干态、未激活的状态下长期储存容量减少、激活时间延长的主要原因。通过加速老化实验测得电化学方法制备的氧化银的分解动力学参数,并通过建立模型计算氧化银的分解速率,以此来预测铝氧化银贮备电池中氧化银电极的储存寿命。

管式固体氧化物燃料电池的数值模拟

通过耦合速度场、温度场、电势场和组分浓度场,建立了以纯氢气为燃料的管式固体氧化物燃料电池(SOFC)数学模型,并对西门子-西屋公司阴极支撑型(AES)管式SOFC进行了轴向二维模拟。模拟结果表明,组分浓度和电流密度的分布与SOFC的运行工况密切相关。在所模拟的电压范围内,欧姆极化起主要作用,提高固体氧化物燃料电池的平均工作温度、改善多孔电极的微观结构、使用纯氧代替空气作为氧化剂可改善电池性能。

电极用纳米Ag_2O的电化学阻抗行为

用电化学阻抗技术(EIS)对具有不同粒径分布组成的氧化银电极进行了研究。通过建立合理的模拟等效电路,解析了各测试电极间电化学性能的差异。在充放电循环过程中,具有合适配比的混配电极A非法拉第电荷消耗减少,电极的传质传荷性能明显优于传统电极C和纯纳米粒子组成电极F,展示出可逆电极的电化学行为。通过对动电位阻抗谱的解析,发现电极反应经历了4个明显的动力学过程,对不同组成电极的动力学可控程度有了大致了解。

锂-二氧化锰扣式电池中锂含量的测定

建立了解剖称重法、消解-火焰原子吸收光谱(FAAS)法、消解-火焰原子发射光谱(FAES)法和理论计算法测定锂-二氧化锰(MnO2)扣式电池中的锂含量。解剖称重法、消解-FAAS法和消解-FAES法的回收率分别为100.0%、98.6%和100.6%,具有较好的准确性、易操作性和可靠性;理论计算法具有一定的参考价值。

锂离子电池正极材料Li_xMn_2O_yF_z的制备

以LiNO3 、LiF和Mn(AC) 2 ·4H2 O为原料 ,采用Sol- gel方法 ,以柠檬酸作为螯合剂 ,把不同n(Li) /n(Mn) /n(F)的原料溶解在水中搅拌均匀 ,金属离子与柠檬酸的摩尔比为 1∶1,用氨水调节溶液的 pH值在 6～ 7之间 ,然后再慢慢把水蒸发得到凝胶前驱体 ,在较低温度下加热前驱体制备出尖晶石型系列LixMn2 OyFz 电极材料。运用氧化 -还原返滴定与配位滴定相结合的方法测定了电极材料LixMn2 OyFz 中锰的平均价态 ,采用XRD和IR对其结构进行化学表征。通过分析掺杂氟与锰的氧化价态的变化关系 ,研究氟的掺杂机理 ,得出掺杂的氟取代了λ -MnO2骨架中氧的结论。结合材料前驱体的TGA -DTA实验谱图 ,提出了合成LixMn2 OyFz 的反应机理。

钙钛矿催化剂的改性与性能研究

在溶胶凝胶法的基础上,通过添加不同量的活性炭到凝胶当中的方法,制备了纳米级的钙钛矿催化剂,采用了XRD、TEM对催化剂进行了表征;用此催化剂制作了双功能氧电极,用Tafel曲线进行了分析,对氧电极充放电性能进行了测试,并与未添加活性炭进行改性的催化剂进行了对比。结果表明,添加了活性炭的催化剂其粒径都较小,且各项电化学性能都好于未添加活性炭的催化剂,其中按物质的量比金属离子∶活性碳为2∶3制备的催化剂B晶体粒径最小,极化电流密度最大,充放电性能最佳。

锂离子电池正极材料锂镍钴氧化物的研究

采用共沉淀法合成了镍钴氧化物前驱体,再与LiOH·H2O固相混合,在氧气氛下高温焙烧合成锂离子电池正极材料锂镍钴氧化物LiNi0.5Co0.5O2,对所得化合物进行了合成条件及电化学性能的研究;同时也进行了相关的XRD、SEM、CV表征研究。得到的LiNi0.5Co0.5O2化合物性能比较优良,其首次充电比容量可达157.6mA·h/g,放电比容量达142.8mA·h/g。

片式ZrO_2氧浓差电池的制作及其特性研究

采用共沉淀方法制备YSZ粉料,经低温(1300℃)烧结,得到圆片状YSZ烧结体(Y_2O_3含量8mol%),采用热分解法涂制铂电极,采用新颖的热辐射压封法实现电解质圆片与Al_2O_3管封接,制成了氧浓差电池,测量了固体电解质的密度、电导率以及不同温度、不同氧分压、不同氧流量下浓差电池的电动势,通过电势一氧分压关系曲线和电势-氧流量曲线的实验测量,得到了与固体电解质电质、气体渗透性相关的参数。