《Journal of Energy Storage》：Electrochemical characteristics analysis and a combined alternating current heating-passive insulation strategy for lithium-ion batteries at low temperatures
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欧阳宇鑫|朱江工|胡盼盼|胡伟松|赵行航|王学渊|姜波|丁世聪|郝振奇|徐文涛|王亚奇|戴海峰|魏学哲同济大学清洁能源汽车工程中心，上海，201804，中国摘要在低温条件下，电动汽车的续航焦虑显著阻碍了其更广泛的应用，而电池加热是解决这一挑战的重要方法。本研究探讨了12 Ah锂离
欧阳宇鑫|朱江工|胡盼盼|胡伟松|赵行航|王学渊|姜波|丁世聪|郝振奇|徐文涛|王亚奇|戴海峰|魏学哲
同济大学清洁能源汽车工程中心，上海，201804，中国
摘要 在低温条件下，电动汽车的续航焦虑显著阻碍了其更广泛的应用，而电池加热是解决这一挑战的重要方法。本研究探讨了12 Ah锂离子软包电池的电化学阻抗特性和低温交流（AC）加热行为。在多种温度、充电状态（SOC）和电流速率下进行了电化学阻抗谱（EIS）测试，共计112次实验。结果表明，在低温下，电流速率显著影响10 Hz以下的低频扩散过程。系统分析了关键AC加热参数（包括电流速率、激励频率和电压阈值）对加热性能的影响。研究发现，在给定的电压阈值和电流速率下，AC加热的最佳激励频率范围为5–30 Hz。在-30°C的环境温度下，不使用隔热措施时，方波电流可在10分钟内实现2.51°C/分钟的加热速率。针对实际应用，进一步提出了一种结合AC脉冲加热和被动隔热方式的低降解加热策略，并建立了相应的模型。使用3毫米气凝胶隔热材料时，施加4C、10 Hz的正弦电流可在-30°C下将加热速率提高到1.93°C/分钟，比不隔热的情况提高了80.4%。经过100次加热循环后，电池容量保持率仍高于99.6%。这些结果为动力电池系统的有效低温AC加热和隔热策略设计提供了指导。
部分摘录 缩写 EIS 电化学阻抗谱 SOC 充电状态 AC 交流电 EVs 电动汽车 PCM 相变材料 BPC 双向脉冲电流 LIBs 锂离子电池 SEM 扫描电子显微镜 EDS 能量色散X射线光谱 LFP LiFeO4 DC 直流电 BOL 使用寿命开始
m m 电池质量 c c 比热容 S 表面积 Tam 环境温度h 等效热传递系数T0 电池初始温度qohm 欧姆热qact 活性极化热qrev 电化学反应热I 均方根电流RQ 总阻抗A 前指数因子ΔE 活化能dT/dt 温度时间导数Qgen 总热生成量λ < />压力 μ 流体粘度ρ 密度CP 比热容
S 表面积Tam 环境温度h 等效热传递系数T0 电池初始温度qohm 欧姆热qact 活性极化热qrev 电化学反应热I 均方根电流RQ 总阻抗A 前指数因子ΔE 活化能dT/dt 温度时间导数Qgen 总热生成量λ < />压力 μ 流体粘度ρ 密度CP 比热容本研究使用了一种LiFePO4 （LFP）/石墨软包电池，其关键参数列于表1中。实验包括EIS测试、AC加热测试、AC加热循环降解测试和容量校准测试。电池测试台如图2所示。EIS测试使用多通道阻抗分析仪（TOYO BA500–50），而AC加热测试则使用双极电源（KIKUSUI PBZ20–80）。容量校准测试也在此进行。 开发了动力电池的热绝缘模型，以研究绝缘材料和厚度对指定AC加热条件下的热保持效果的影响，从而优化绝缘性能。此外，经过验证的绝缘模型可以减少实验工作量、降低开发成本并避免不必要的设计迭代[21]。本研究使用COMSOL建立了动力电池的三维热绝缘模型。 图5中的EIS数据展示了在不同环境条件下，激励电流幅度对50% SOC时电池阻抗的影响。随着温度的降低，高频区域的阻抗逐渐增加，反映了电池电化学欧姆电阻的上升。这一现象是由于电极材料在低温下的导电性降低所致。这一原理是众所周知的，并与[6]中的结论一致。 本研究探讨了锂离子电池的电化学特性和AC加热行为。提出了一种结合AC加热和被动隔热的低降解加热策略，用于低温应用，并对其加热和隔热性能进行了系统评估。主要结论如下： 欧阳宇鑫： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，方法论研究，调查，形式分析，数据整理，概念化。朱江工： 撰写 – 审稿与编辑，监督，资金筹集。胡盼盼： 监督，方法论研究。胡伟松： 监督。赵行航： 调查。王学渊： 监督，方法论研究。姜波： 数据可视化，监督。丁世聪： 方法论研究。郝振奇： 数据整理。徐文涛： 监督，作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。 本研究得到了国家自然科学基金 （NSFC，项目编号：52377211）、中央高校基本科研业务费 和国家重点基础研究发展计划 （项目编号：2022YFB2502302）以及上海国际合作科技项目 （项目编号：24510714700）的资助。
