一种用于延长可再生能源系统中锂基储能技术电池循环寿命的新型低频脉冲充电方法

完成全球可持续动力方针的关键无疑在于高效储能技能。当前研讨在持续开发具有高能量密度与功率密度的正负极资料的一起，也要点关注经过高效充电技能延伸电池寿数。尤其值得注意的是，高功能电池单体中由充电协议引发的容量衰减问题，仍是现有文献中亟待解决的核心应战。本研讨根据文献中已有的实验数据，提出了一种新式电池老化模型。经过将常用脉冲充电战略整合至所构建的电池衰减模型中，系统评价了这些战略对长时刻功能的影响。为测定电池老化测验中充电技能的低频功能，研讨选用特定频率生成充电脉冲信号。Hzp = 0.05提出了一种新式脉冲充电技能，旨在下降锂基电池技能的容量衰减并延伸循环寿数。研讨以恒流-恒压（CC-CV）技能为参照，对比分析了8种不同脉冲充电技能在初次及末次循环中的单体电压、充放电时刻、单体温度、循环次数及容量衰减改变。所提出的连续脉冲连续电流（CPCC）技能在一切测验中均表现出最优功能，容量坚持率达86%。相较于其他技能，在500次循环后容量坚持率提高632%。. A new pulsed charging technique was proposed to reduce capacity losses and extend cycle life in lithium-based battery technologies. Considering the Constant Current-Constant Voltage (CC-CV) technique as a reference, cell voltages, cell charge-discharge times, cell temperatures, cycle numbers and capacity loss changes in the first and last cycles of 8 (eight) different pulsed charging techniques were compared. The proposed Continuous Pulsed Continuous Current (CPCC) technique exhibited the highest performance in all tests, with a capacity retention rate of 86.632% over 500 cycles compared to other techniques.

引言

将日益增长的可再生动力技能与长效、成本优化且高功能的电池技能相结合，已成为全球动力方针下各国及各地区的主要方针之一[1]。近年来移动动力需求的急剧增长，极大地推动了电池技能的开展。现在，从电动汽车到便携式电子设备，从可穿戴电子装置到航天飞行器，在一切需要移动性的范畴，电池单体已随处可见。抱负的电池单元应兼具长循环寿数、优异的能量功率比和稳健的热安稳性，一起坚持成本效益与紧凑尺寸。任何一项功能指标的缺乏都或许导致整体系统功率的下降。因为锂基技能可以整合这些多方面的优势，它们依然是今世储能架构中使用最广泛的解决方案[2]。作为当今最主要的二次电池，锂基电池的动力需求估计到2030年将达到2035GWh[3]。锂基电池的广泛使用不只归因于近十年来原资料成本的大幅下降，更根据锂作为电负性最低金属的特性。其具有极高的电极电位（−3.045 V），是高效阳极资料，可以轻易释放电子形成正离子，然后供给杰出的电化学功能[4]。锂基技能具有电池单元所需的许多优势，其循环寿数优于其他电池类型，但其容量衰减程度取决于工作条件。与一切电池单元相同，锂基电池单元的功能在很大程度上取决于其内部结构中阳极、阴极、隔膜和集流体等组件的开展水平。在能量转移过程中，这些组件会经历一系列复杂的化学反应，或许引发物理或化学劣化现象，然后对电池整体功能产生不利影响[5]。
市场上存在多种具有不同功率和能量密度的锂离子电池化学系统，广泛使用于各工业范畴。商业化的钴酸锂电池(LiCoO2)因其高循环寿数(≥1000次)[6]而被广泛用于智能手机、无线音频系统和显现技能。根据钴酸锂的锂离子电池(LCO基LIBs)凭仗其高充电截止电压(>4.4V)在3C(计算机、通信和消费类)电子设备中占有主导地位。）以及杰出的体积能量密度[7]。1980年，Goodenough初次将氧化物基正极资料使用于可充电锂离子电池[8]。在钴酸锂电池技能中，锂钴氧化物被广泛用作正极资料，而中间相锂石墨碳则作为负极资料[9]。石榴石电解质因其在钴酸锂电池技能中正极/电解质界面的较低表面反应，成为对抗容量衰减最安稳的电解质之一。然而，即便这两种资料间的反应极端微弱，也会阻止锂离子传输，然后导致电池容量衰减与功能老化[10]。电池老化程度受多种因素影响，包含温度、荷电状态（SoC）、生产后存放时刻（日历老化）以及充放电条件等。) and extraordinary volumetric energy density [7]. Oxide-based cathode material was first applied in rechargeable LIBs by Goodenough in 1980 [8]. In LCO-based battery technologies, lithium cobalt oxide is widely used for cathode material, while graphitic carbon with intermediary lithium for anode material [9]. Garnet electrolytes are one of the most stable against capacity loss due to the lower surface reaction between the cathode/electrolyte in LCO-based battery technologies. However, even very low reactions between these two materials prevent Li-ion transfer, and this leading to cell capacity loss and battery aging [10]. Battery aging varies depending on a few criteria such as temperature, state of charge (SoC), time spent after production (calendar aging), and charge/discharge conditions.
在开发二次（可充电）电池之前，研讨要点集中于开发具有更高能量密度的电池单元。锂离子电池于1991年初次完成商业化，其功能远超该需求标准。尽管相较于多种其他电池类型具有更长的循环寿数，锂基电池仍存在随时刻老化及容量衰减的问题。近年来，根据充电技能与活性资料掺杂技能的多项科学研讨已展开，致力于缓解此类问题。