开路电压装置、高速脉冲放电等仪器揭示动态放电对电池寿命的积极影响！

开路电压装置、高速脉冲放电等仪器揭示动态放电对电池寿命的积极影响！

斯坦福大学研究团队最新发现，动态放电相比恒流放电能显著提高电池使用寿命。在相同条件下，动态放电可使电池等效充放电周期增加多达38%。这一发现对电池材料和设计具有重要指导意义。

研究背景

实验室老化实验揭示了大多数技术的复杂退化行为。在锂离子电池中，这些研究旨在捕捉真实的老化机制，以优化电池化学成分和设计，并为电池管理系统的工程提供依据。

在本研究中，美国斯坦福大学Alexis Geslin, Le Xu, Devi Ganapathi，William C. Chueh & Simona Onori等人系统地比较了代表电动车驾驶的动态放电曲线与被广泛接受的恒流放电曲线。令人惊讶的是，作者发现动态放电相比恒流放电显著提高了电池的使用寿命。

具体而言，在相同的平均电流和电压窗口下，改变动态放电曲线可使电池的等效充放电周期在使用寿命结束时增加多达38%。可解释的机器学习揭示了在这些真实放电条件下，低频电流脉冲和时间诱导的老化的重要性。本研究量化了在现实负载曲线下评估新电池化学成分和设计的重要性，并突出了在化学、材料和电池级别重新审视老化机制的机遇。

表征解读

本文深入探究了电池动态放电过程对电池老化的影响，揭示了动态充放电条件下的退化行为和机制。针对电动车（EV）实际使用中存在的复杂负载情况，作者使用了Maccor Series 4000电池测试系统进行长时间的循环实验，并在稳定的环境温度（35°C）下进行测试，以确保结果的可靠性。这些实验覆盖了不同的放电方案，如恒流、周期性放电、真实驾驶和合成驾驶模式，从而构建了一个与实际应用高度相关的电池退化数据集。

为了分析电池在不同充放电条件下的退化行为，作者采用了多种微观机理表征技术，包括电池的电压脉冲例程和HPPC（高速脉冲放电）测量，这些方法用于提取电池的电阻特性。具体而言，作者通过分析开路电压（OCV）和不同电流脉冲后的电压变化，测定了电池的欧姆电阻（R0.03s）、电荷转移电阻（R3s）和极化电阻（R10s），从而揭示了电池内部的电化学反应和电荷传输特性。这一分析有助于理解不同动态循环模式对电池寿命的具体影响。

此外，为了全面研究电池老化机制，作者还应用了XGBoost机器学习模型，并结合SHAP分析对特征进行解释。通过时间序列数据处理，作者从每次循环中提取了12个参数，包括平均C速率、电流方差（归一化）及充放电比等，这些特征能够反映实际驾驶条件下的电池使用特性。通过傅里叶变换，作者还分析了各类放电协议的关键频率，揭示了频率特征在电池老化中的作用。结合模型分析，作者发现低频脉冲、放电电流峰值和时间引起的老化是影响电池退化的重要因素，这与真实EV使用中的行为模式高度一致。

在此基础上，通过这些表征手段的应用和发现，本文进一步研究了不同充放电方案下电池退化的动力学特征。研究结果表明，时间引起的老化在电池退化中占据主导地位，尤其是在EV相关的低速率充放电条件下。此外，作者还发现，常规的恒流充电放电协议不足以准确模拟电池在实际驾驶条件下的老化特征，因此，本文强调了在开发新电池材料和设计电池结构时，应采用更具代表性的动态测试协议，以提高模型的可靠性和预测能力。

图文速递

图1: 放电协议概述。

图2: 动态放电曲线导致大范围的降解曲线。

图3: SHAP分析确定了放电特性的重要性，以预测EoL指标。

图4: 退化模式 Qne, Qpe和QLi影响和起源。

结论展望

本文的研究揭示了电动汽车（EV）电池老化的复杂性，强调了在真实使用条件下动态放电对电池寿命的积极影响。研究发现，与恒定电流放电相比，动态放电能够更好地模拟实际驾驶情况，从而显著提升电池的使用寿命。此外，即便在电池相关的C-rate（≤0.4C）下，时间引起的老化已成为主要的老化机制，而不是循环老化。研究还证明，低频脉冲、放电电流峰值和时间诱导的老化等特征在真实驾驶行为中对电池衰退起着决定性作用。这一发现表明，开发新型电池材料和电池设计时，必须采用更加贴近真实驾驶负载的循环实验，以准确捕捉老化趋势，避免单一的恒流放电方法带来的误差。此外，该研究为物理科学领域提供了一个新视角，即利用真实测试来深化对材料和器件老化的理解，从而为优化电池及其应用开辟了新的技术路径和理论依据。

原文详情：Geslin, A., Xu, L., Ganapathi, D. et al. Dynamic cycling enhances battery lifetime. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01675-8