基于阻抗變化趨勢識別的鋰離子電池充電析鋰起始點在線檢測

前言

對于鋰離子電池來說，不恰當?shù)某潆姕囟群统潆姳堵蕰l(fā)負極析鋰。大部分析出的鋰會在充電條件緩和后重新回嵌和溶解，少部分形成“死鋰”可能會導(dǎo)致壽命和安全損傷。如NMR等材料表征方法可實現(xiàn)析鋰檢測，但是對于實際應(yīng)用來說基本不可能適用。通過一些物理、電、熱的特征來間接表征析鋰對于真實應(yīng)用場景更具有指導(dǎo)意義。采用與電極動力學(xué)過程高度相關(guān)的電化學(xué)阻抗來表征析鋰成為方案之一。

本文針對三元-石墨材料體系的2.75Ah的18650電池開展了系列實驗，包括不同溫度和荷電狀態(tài)（SOC）下的電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試、不同條件下的充電測試以及充電過程中的阻抗演變測試。

正文

如圖1所示，靜態(tài)條件下電池阻抗的實部隨著SOC的增加出現(xiàn)先減小再增大的趨勢，且1Hz低頻阻抗的變化趨勢更為明顯。該特性符合電池的阻抗在高低SOC下都更大的特點。當在測量阻抗時施加一定的充電電流時，該趨勢仍然類似。只是0.5C充電時在高SOC范圍內(nèi)出現(xiàn)了阻抗實部減小的趨勢，且對于1Hz低頻阻抗更為明顯。

圖1 分別在靜態(tài)和動態(tài)條件下測得的不同頻率的阻抗隨SOC的變化. (a) 靜態(tài)條件，(b) 動態(tài)條件，其中實線和虛線分別表示充電倍率為0.2C和0.5C

進一步分析發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，1Hz阻抗實部（記為Ztr）在充電過程中的變化趨勢的突變在不同溫度下充電時都普遍存在，且充電倍率越大，突變的越明顯，突變對應(yīng)的SOC越低。通過監(jiān)測充電過程中的溫度變化，可知這種突變并不是由溫度所致。如圖3所示，結(jié)合充電停止后的電池弛豫電壓對時間的差分可以發(fā)現(xiàn)，弛豫電壓差分曲線上有出現(xiàn)低谷對應(yīng)的充電倍率下，Ztr都在某SOC出現(xiàn)了突變。

圖2 不同溫度下以不同倍率充電時Ztr的變化. (a) 0 ℃, (b) 10 ℃, (c) 20 ℃, (d) 30 ℃

圖3 不同溫度下以不同倍率充電結(jié)束后的弛豫電壓差分曲線. (a) 0 ℃, (b) 10 ℃, (c) 20 ℃, (d) 30 ℃

在充電過程中，如若發(fā)生析鋰，則會在原來的主導(dǎo)嵌鋰反應(yīng)上疊加析鋰副反應(yīng)，原來的電極顆粒表面的進行的反應(yīng)過程的等效傳荷電阻會多出一個并聯(lián)支路，如圖4所示。當析鋰反應(yīng)強烈時，析鋰過程對應(yīng)的傳荷電阻會進一步變小，進而使得電極顆粒表面的等效并聯(lián)傳荷電阻變小。傳荷電阻主導(dǎo)了電池的中低頻的阻抗弧大?。山瓶醋鳛榛〉目缍龋铱缍扰c阻抗實部有關(guān)）。當傳荷電阻變小時，便會出現(xiàn)電池Ztr變小的現(xiàn)象。弛豫電壓差分曲線的析鋰特征也間接說明Ztr變小與析鋰相關(guān)。因此，識別Ztr變小的發(fā)生時刻便可間接實現(xiàn)析鋰起始點的檢測。

圖4 充電析鋰發(fā)生前(a)后(b)電池電極顆粒表面反應(yīng)過程的等效電路

基于上述分析，通過辨別充電過程中阻抗正常和非正常的變化趨勢，便可實現(xiàn)析鋰的檢測。因此，提出了基于阻抗變化趨勢識別的鋰離子電池充電析鋰起始點在線檢測方法，如圖5所示。充電過程中Ztr正常的變化趨勢通過一個從機理推導(dǎo)出的模型進行描述，通過模型輸出值與Ztr實測反饋值之間的差異Ztr,dev來判斷非正常變化趨勢的到來，進而實現(xiàn)析鋰檢測，如圖6所示。

圖5 析鋰起始點在線檢測方法

圖6 不同溫度下以不同倍率充電時得到的Ztr,dev

可以將Ztr,dev對SOC求導(dǎo)數(shù)以放大這種異常趨勢，進而得到不同充電條件下的析鋰檢測結(jié)果，如圖7所示?？梢?，所提出的方法可實現(xiàn)誤差為4.5%的析鋰起始點檢測，為構(gòu)建全生命周期的閉環(huán)快充提供了基礎(chǔ)。

圖7 以SOC表示的析鋰檢測誤差

審核編輯：湯梓紅