基于电化学阻抗谱的锂电池过充电阻抗特性与检测方法研究

目前以锂电池为主的电化学储能单元及系统应用日益广泛,而锂电池在实际使用中频发因过充电滥用引发电池故障的情况,因此实际电池的过充电状态准确检测一直是该领域的难点和瓶颈问题。针对此,该文采用电化学阻抗谱技术对单体电池过充电行为及过程开展检测研究,在实验室设计并制定电池过充电模拟循环实验,利用弛豫时间分布法对锂电池阻抗特性进行分析;在获得电池阻抗特性的基础上,对电池弛豫时间分布曲线进行解析;最后筛选阻抗特征参量为模型输入量,构建支持向量机模型进行电池过充电检测。结果表明,弛豫时间分布曲线中的极化峰P1对应锂离子在固态电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)膜中的扩散过程、极化峰P2对应电子在正极材料中的扩散过程、极化峰P3对应锂离子在电极界面的氧化还原反应。过充电会导致电池欧姆内阻、SEI膜内阻与电荷转移电阻的增长速率最大为正常循环的266%、360%和182%,其中固态电解质界面SEI膜内阻为主要因素。电化学阻抗谱的阻抗特征参量以及支持向量机模型可以用于锂电池过充电检测,估计精度达93.24%。不仅可掌握电池的运行状态,还可对过充电进行有效辨识。

基于SVR和电化学阻抗谱的锂电池内部温度在线估计

准确实时地监测锂电池内部温度对于预防电池热失控至关重要。然而,目前尚缺乏有效的在线监测电池内部温度的方法。基于小型化阻抗测试系统,对锂离子电池在不同温度和荷电状态(SOC)下进行阻抗测试实验,研究电池温度和SOC对阻抗的影响,寻找与温度强相关而与SOC弱相关的特征频率。在此基础上,提出了一种基于支持向量回归(SVR)算法的锂电池内部温度估计算法,无需额外传感器,实现对电池内部温度的无损准确估计。

基于电化学阻抗谱的石灰石粉硬化水泥浆体孔结构演化研究

为了研究大掺量(质量分数为20%以上)石灰石粉硬化水泥浆体的孔结构演化行为,本文基于电化学阻抗谱(EIS)、压汞(MIP)测试分析,探究大掺量石灰石粉对硬化水泥浆体EIS拓扑结构和孔结构参数的影响规律,并建立大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的微观结构等效电路,研究等效电路中元器件和孔结构参数之间的关系。结果表明:随水化龄期的延长,石灰石粉掺量对EIS拓扑结构参数中Bode角和θ_(max)的影响规律显著,大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的孔径分布整体由大孔和毛细孔向过渡孔和凝胶孔发展演化;另外,EIS等效电路中电阻随硬化水泥浆体中毛细孔含量的增加而减小,电容随硬化水泥浆体中凝胶孔含量的增加而减小。

基于电化学阻抗谱及弛豫时间分布的锂电池异常识别与诊断

针对锂离子电池模组中单体电池的状态识别与诊断问题,基于电化学阻抗谱和弛豫时间分布曲线,引入仿射传播(AP)聚类算法进行电池模组异常识别,并与基于密度噪声鲁棒空间聚类(DBSCAN)算法进行对比,以10个正常样本、多个异常样本进行识别。结果表明,AP聚类算法在精度、鲁棒性、参数敏感性方面(数据重叠、密度不均等)表现得比DBSCAN算法更好。另外,引入极端梯度提升(XGBoost)回归器,在存储该电池对应的一定数据后,对同样电池进行识别时,直接通过XGBoost回归器进行电池异常诊断。结果表明,异常检出率为100%,异常种类识别准确率超过92%。最后,提出了包括数据收集、特征提取、识别诊断等关键环节的电池模组异常识别和诊断系统。

基于电化学阻抗谱的电池组不一致性诊断

电池组中的单体电池之间可能会存在温度、荷电状态、老化状态(容量和内阻)等不一致。由于“短板效应”的存在,不一致性将会影响电池组的整体性能发挥,及时准确地进行不一致性诊断非常必要。考虑到上述提及的不一致性会对电极过程特性产生影响,进而反映在电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)上,本文在结合等效电路厘清几种不一致性对EIS和DRT的影响规律后,创新性地提出了一种基于EIS和DRT的电池组不一致性诊断方法。通过将异常电池混入一组一致性良好的电池中,对比分析了K-means、AP和DBSCAN等无监督聚类算法性能,结果表明DBSCAN诊断准确率为99.2%,可以实现电池组内单体电池不一致性差异的准确诊断。

基于电化学阻抗谱的锂离子电池分级安全预警方法

电化学阻抗谱(EIS)是一种无创原位检测和无损检测方法,可以反映电池内部不同结构的状态。基于EIS的指标可以作为故障预警的重要和优良指标,解决不及时和误报的问题。根据不同过充阶段的EIS特点,分阶段建立了与之对应的分数阶模型。用固态电解质相间膜电阻(R_(SEI))和电荷转移电阻(R_(ct))来表示中频段两个电弧随过充的变化。基于与电池内部结构损伤相关的R_(SEI)和R_(ct)指标,提出了三级预警方法。同时采用了新电池和循环老化过的软包电池进行了不同倍率的过充实验,验证了该方法的可靠性。

电化学阻抗谱机器学习评估动力电池状态研究进展

退役动力锂电池(额定容量80%以上)梯次利用可有效缓解电池回收和环境污染压力,提高资源利用率和经济效益,然而对其进行快速、无损和准确的状态评估仍是一个挑战。与其他已报道的方法相比,电化学交流电测量电池并收集数据绘制阻抗谱图是研究电池状态的核心方法,具有快速、无损这两种优势。通过这种方式检测的电池可以建立起内部阻抗和状态相关性,快速完成电池状态评测。电化学阻抗谱图的分析方法主要包括依靠测量数据和机器学习的方法进行阻抗的预测,依靠等效电路图对电路各个等效元件的变化情况进行分析,以及用积分算法将阻抗谱图转化为更直观的弛豫时间分布图谱。这些方法都提供了电池内部老化情况的分析方法,为电池内部阻抗和健康状态之间的联系提供了电化学方面的基础。基于此,综述了电化学阻抗谱结合机器学习评估动力锂电池状态在国内外最新研究进展,重点针对电化学阻抗谱、等效电路模型、弛豫时间分布和机器学习之间的关系进行总结和探讨。

机器学习强化的电化学阻抗谱技术及其在锂离子电池研究中的应用

随着电气化的发展,全球动力电池和储能电池的需求迅猛增加。然而,人们对电池使用安全性和可靠性的关注使得电池老化状态的精准诊断和预测成为电池界重要且富有挑战的研究领域之一。电化学阻抗谱(EIS)因其可以解耦电池内部不同频域过程常被用于电池复杂老化过程状态的解析,而通过机器学习方法不仅可以高效获取和解析EIS数据,而且可促进对电池老化和失效机制的深入理解。本文综述了近年来机器学习方法在EIS技术中的应用,重点讨论了通过机器学习获取和解析EIS数据,进而实现对电池寿命评估预测。此外,本文讨论了数据融合方法在实现电池老化行为分析和寿命预测中的前景,当前机器学习在EIS研究中存在的局限性,以及对未来基于EIS实现电池寿命预测进行了展望。

基于电化学阻抗谱的锂离子电池荷电状态估计

锂离子电池的电化学阻抗谱包含了丰富的电池内部信息,相较于常用的电流、电压和温度等电池参数具有更大的应用潜力。因此,提出了一种基于电化学阻抗谱对电池的荷电状态进行估计的方法。首先,通过实验并借助更具实用价值的阻抗测量板获得了三元锂电池在不同荷电状态下的阻抗数据;其次,在现有锂离子电池等效电路模型的基础上,提出了新的拟合精度更高的等效电路模型;最后,利用电池的阻抗谱数据对提出的等效电路模型进行参数辨识,从中找到了与电池荷电状态高度相关的参数,成功实现了对其荷电状态的准确估计。

基于电化学阻抗谱的锂电池模组短路故障诊断方法研究

电化学阻抗谱能够反映电池内部关键状态信息,利用电化学阻抗谱可实现对电池的监测及故障诊断,避免发生安全事故。针对电动汽车在充电时发生安全事故的概率最高且大部分是由电池短路所引起的问题,设计了一种能够在电池充放电时提取电池模组与电池单体阻抗信息的充电桩装置,对锂电池模组短路故障诊断方法进行了研究。首先,详述了所设计充电桩的拓扑与控制方法以及电池模组阻抗测量的原理;然后,通过仿真验证了充电桩可以在对电池模组进行充放电的同时提取其阻抗信息,并分析对比了两种扰动信号的优劣、不同程度短路故障下电池单体与电池模组的阻抗变化以及不同支路的电池发生短路时对模组阻抗的影响;最后,得到了短路故障下电池单体与电池模组的阻抗谱都会缩小并向左移动,并且短路电池越集中在同一支路,模组的阻抗变化越明显的结论。

基于电化学阻抗谱的电芯内部温度估计研究

锂离子电池在新能源汽车和储能领域的广泛运用带来了内部状态估计方面的挑战,尤其是电芯内部温度的准确估计,这对于电池的热失控预警至关重要。本文回顾了经典的无传感器电池温度检测方法,介绍了目前采用的基于电化学阻抗谱(EIS)的温度估计方法,研究了电池内部参数对EIS估算温度的影响,分析了大容量三元锂离子动力电池在不同频率下阻抗幅值、相角与温度之间的关系,提出了一种基于电化学阻抗谱的锂离子电池在线温度估计模型,通过分析不同频率下的阻抗幅值、相角与温度的关系,实现了对电池内部温度的准确估计。研究表明适合使用阻抗幅值信息来估算温度的频率点为10 Hz,适合使用阻抗相角信息来估算温度的频率点为17.5 Hz。该模型在-20℃到45℃的范围内,使用阻抗幅值进行温度估算的最大误差为3.79℃,使用阻抗相角信息进行温度估算的最大误差为2.69℃。验证结果表明,使用阻抗谱的幅值与相角信息能有效估算电池内部的真实温度。本研究有助于提升汽车BMS的采集功能,可用于改善电池热管理和热失控的管理策略。

高性能混凝土耐久性检测中电化学阻抗谱技术的应用探究

以高性能混凝土耐久性检测新技术的应用为目的,结合某沿海地区跨海大桥建设工程实例,利用电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)技术,分析阻抗谱图,从而表征混凝土的离子迁移情况与腐蚀状态,以验证此工程所用的混凝土耐久性。结果显示,在该大桥主桥墩、连桥处应力集中位置,电荷转移电阻较低,存在被腐蚀风险,其内部电化学行为相对复杂,存在离子迁移情况,表示耐久性有待加强。针对此类问题,利用Abaqus有限元分析软件优化混凝土配合比,确定最佳硅灰掺量为7%、粉煤灰掺量为25%、水灰比为0.38、高效减水剂掺量为1.5%,并采取防腐涂层,以提高混凝土耐久性。由此可见,应用EIS技术及相关改进措施,能够有效地提高混凝土耐久性,保障大桥安全。

304不锈钢点蚀行为的电化学阻抗谱研究

综合运用动电位电化学阻抗谱(DEIS)和时间扫描模式下的电化学阻抗谱(TSEIS)研究了304不锈钢在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的点蚀行为。DEIS的结果表明,在比点蚀电位0.15V负得多的电位0.02V下,亚稳态点蚀就已经开始,并且亚稳态蚀孔的产生与再钝化是随机的,DEIS测试得到的稳态点蚀电位比动电位极化法得到的点蚀破裂电位要负0.05V。TSEIS的结果表明,只有在钝化膜减薄到一定程度后,点蚀的形核才能发生。通过对等效电路中元件参数的分析,揭示了点蚀发展过程中双电层和钝化膜结构的变化特点。

氯离子环境下混凝土钢筋的电化学阻抗谱特征

用电化学阻抗谱(EIS)方法研究了混凝土钢筋浸泡在氯离子溶液中的阻抗谱特征,研究结果表明:浸泡初期,钢筋电化学阻抗谱为一半径很大的容抗弧,钢筋处于钝化状态;随着腐蚀的发展,钢筋的阻抗谱表现为双容抗弧,钢筋表面的钝化膜已破裂,钢筋发生了孔蚀,其腐蚀过程受电荷传递过程控制;在浸泡后期,阻抗谱低频段出现了Warburg阻抗,钢筋腐蚀转变为扩散过程控制。随着浸泡时间的延长,钢筋的电荷转移电阻减小,腐蚀速率增加。

阴极Mg^(2+)污染物对PEMFC电化学性能及电化学阻抗影响

质子交换膜燃料电池经过长期运行后,其部件(弹性垫片、极板等)会发生损伤,并产生金属离子污染物(如Ca^(2+)、Mg^(2+)),这将影响燃料电池长期运行的稳定性和耐久性。通过向燃料电池阴极空气流中添加不同浓度(100、300和500 mg/L)的Mg^(2+)溶液,研究了极化曲线以及电化学阻抗谱,分析了阴极Mg^(2+)污染物对燃料电池电化学性能及电化学阻抗的影响。极化曲线实验结果表明3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均对燃料电池的电化学性能有明显负面影响,污染后的燃料电池的电流密度出现下降,且下降程度与阴极Mg^(2+)污染物浓度和污染时间呈正相关。极化曲线理论分析结果表明:3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均显著影响质子交换膜的渗透性并增大质子交换膜对氢离子的阻抗,且污染时间越长,质子交换膜性能恶化越严重。电化学阻抗谱分析结果表明:3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均会增大质子交换膜对氢离子的阻抗以及阴极法拉第电阻,且质子交换膜对氢离子的阻抗随污染时间增加而增大;阴极双电层结构受这3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物影响不明显。

N80油套管钢CO_2腐蚀阴极过程电化学阻抗谱分析

利用电化学阻抗(EIS)技术研究了N80钢在不同介质条件下CO2腐蚀过程中可能存在的阴极反应及其反应速度.结果表明,N80钢在CO2腐蚀环境下存在H+和H2O以及H2CO3,HCO3-的还原反应,但在不同条件下各个还原反应的速度并不相同.在酸性的饱和CO2溶液中,H+的还原控制着阴极反应速度, HCO3-和H2CO3的还原反应速度较小;在中性的饱和CO2溶液中,阴极过程以HCO3-和H2CO3的还原为主,H+的还原反应速度比较微弱;在碱性的NaHCO3溶液通入CO2后,HCO3-的还原控制着阴极反应速度.在以上条件下, H2O的还原速度比较微弱,还不会对阴极交换电流产生影响.

海砂砂浆水化过程的电化学阻抗谱研究

采用电化学阻抗谱(EIS)方法,对海砂砂浆的水化过程进行了研究,探讨了海砂对水泥基材料的作用和影响.结果表明:海砂砂浆水化过程的EIS比一般的电化学体系复杂得多,同时表现出电解质特征(低频)和电介质特征(高频);在海砂砂浆的水化过程中,海砂中的Cl-释放是一个持续的过程,其对水泥基材料水化进程的促进作用也是个长期的过程;随着海砂砂浆中Cl-含量的提高,水化反应产生的OH-与游离的Ca2+反应生成Ca(OH)2,使C-S-H凝胶的体积分数下降,Ca(OH)2和钙矾石体积分数增加,从而导致海砂砂浆的孔结构疏松且分布不均匀.

Al-Zn-Sn-Ga阳极腐蚀过程的电化学阻抗谱

通过测定Al-Zn-Sn-Ga阳极在3.5%NaCl(质量分数)溶液中浸泡不同时间的电化学阻抗谱(EIS),研究该阳极的腐蚀发展过程和腐蚀特征。结果显示:当合金刚被浸入3.5%NaCl溶液时,EIS谱为反应电阻很大的容抗弧,表明此时合金处于钝化态;随着浸泡时间的延长,EIS谱中高频段的容抗弧明显减小且低频段出现感抗弧,合金进入点蚀期;继续延长浸泡时间,EIS谱中除高频段的容抗弧和中、低频段感抗弧外,在低频段出现另一容抗弧,合金处于点蚀扩展期;随着浸泡时间的继续增加,低频段感抗弧消失,EIS谱由两个容抗弧组成,合金达到均匀腐蚀期。因此,合金的腐蚀由钝化态开始,经点蚀期和点蚀扩展期,达到均匀腐蚀期。

铝合金剥蚀过程的电化学阻抗谱分析

研究了轧制态及峰时效 80 90铝 -锂合金、拉应力作用下及无应力作用时双级过时效 70 75铝合金的剥蚀发展过程 ,测量并拟合了合金发生剥蚀后的电化学阻抗谱 .结果表明 :发生剥蚀后 ,合金电化学阻抗谱由高—中频和中—低频容抗弧组成 ;可从电化学阻抗谱的拟合参数 (变化趋势 )得到剥蚀的相关信息 ,如剥蚀发展速度、剥蚀形貌、剥蚀表层是否脱落等 .

氢处理二氧化钛的光催化性能及电化学阻抗谱

TiO2 treated in hydrogen atmosphere showed enhanced photocatalytic activity in degrading the sulfosalicylic acid （SSal）.The results of the electrochemical impedance spectroscopy （EIS） investigation showed that the diameters of the capacitive arcs for the H-TiO2 were much smaller than those of bare TiO2 and thermally treated TiO2 in air,indicating that the charge transfer of the H-TiO2 occurs more rapidly,thus inviting a higher photocatalytic activity.When an external bias was applied on the H-TiO2,the arc of the EIS Nyquist plot decreased obviously than without the bias,suggesting more efficient separation of the photo-generated carriers.