武汉理工大学吕松教授团队：考虑固体电解质界面高频阻抗的固态电池电热状态协同估计

固态电池（SSBs）的热安全和电池状态的检测和分析是目前广泛关注的问题。然而，与传统电池相比，在SSBs中添加固体电解质改变了电化学过程，并增加了基于传统电荷转移和扩散过程的固体电解质界面的阻抗。尽管使用等效电路模型进行电池状态估计取得了重大进展，但传统电池和SSBs之间的巨大差异使得原始模型无法完全反映电池特性。因此，本工作通过分析电化学阻抗谱（EIS）建立了一种充分反映电化学过程的新型固态界面电热耦合模型。同时，通过三个不同的实验验证了模型的准确性。随后，基于所提出的模型结合卡尔曼滤波器实现了荷电状态（SOC）和核心温度的协同估计。本工作能够在线监测SSBs的电热耦合性能，同时准确反映固态电解质界面的特殊贡献，为热管理提供更科学、精准的手段。

近日，来自武汉理工大学船海与能源动力工程学院的刘文卓、刘喆、黎湘霖和导师吕松教授，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Electro-thermal state co-estimation of solid-state batteries considering solid electrolyte interface high-frequency impedance”的研究文章。该研究构建了固态电池的新型电热耦合模型，并开发了基于该模型的联合状态估计方法。通过解析电化学阻抗谱，构建了考虑界面高频阻抗特性的等效电路模型，结合卡尔曼滤波器实现了SOC、核心和表面温度的协同估计。该方法能有效反映界面效应对电池产热的影响，为固态电池电解质材料与结构研究提供了新型热监测手段。

固态电解质与电极的固-固接触界面阻抗显著高于传统液态电池（如中高频区奈奎斯特曲线出现尺度分离），导致电荷转移和离子传输受阻。研究表明，氧化物固态电解质（如LLZO）的刚脆特性会引发界面接触不良，使界面阻抗成为产热主因之一。本工作通过EIS解析提出新型等效电路模型，将固态界面阻抗（Q1-R1）与电荷转移阻抗（Q2-R2）、扩散阻抗（Q3）分离建模，解决了传统二阶RC电路无法表征固态电池完整电化学过程的问题。

固态电池产热可达液态电池的3-6倍，主要源于界面极化与高阻抗。研究将产热分为可逆热（熵热）与不可逆热（欧姆热、界面极化热等），并建立集总参数电热耦合模型。实验表明，不可逆热占比超99%（如HPPC测试中达22,155J），且固态界面阻抗对总产热贡献显著。模型通过优化PID算法实现参数辨识，端电压预测RMSE仅0.004V，为热管理设计提供量化依据。

针对固态电池核心温度与表面温差大的问题，提出基于自适应无迹卡尔曼滤波的固态电池协同估计算法。通过将电热耦合模型输出（开路电压、产热率）作为观测输入，仅需BMS电流/电压数据即可实现无传感器状态预测。在动态工况（US06，温度20℃-10℃-30℃-15℃突变）下，SOC与核心温度估计的RMSE分别达1.12%和0.95°C，显著优于传统方法，为车载BMS部署提供可行方案。

基于此模型研究固态电解质掺杂比对热量产生的影响，探究电热耦合性能与电化学过程之间的关系，定量评价不同固体电解质对界面内阻和发热的影响。最终，优化固体和液体电解质的比例，找到一种发热更低、能量密度更高的比例方案。此外，基于该模型的精确估计性能可以优化SSBs的充放电过程和管理策略，为BMS系统的构建奠定基础。

刘文卓：武汉理工大学在读硕士研究生，导师为吕松教授，研究方向为固态电池界面特性分析与电热耦合状态估计

吕松：武汉理工大学教授，博导。长期从事新能源利用、电池热管理与性能调控、新能源与材料交叉学科研究，在PNAS、Advanced Energy Materials、Advanced Function Materials、Cell Reports Physical Science、Applied Energy、Energy、Renewable Energy等发表高水平论文60余篇，申请发明专利10余项。动力工程及工程热物理/材料科学与工程专业联合导师。兼任国家高层次人才会评专家、国家自然基金评审专家、中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事等。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、省部级人才项目和科技部重点研发计划课题等。全国能源动力类专业百篇优秀毕业论文指导教师。担任eScience、CEST等国际国内期刊编委，Nature、PNAS、Nature Communication等50余个国际学术期刊特邀评审专家。获中国最美人物、美国百人会英才学者、武汉英才等荣誉称号，获得第45届日内瓦国际发明金奖、2022年度湖北省科技进步一等奖等科技奖项。多次受邀在中国工程热物理学会学术会议、世界新能源与材料作特邀报告。