国防科技大学张涛教授团队ESM：基于时域DRT建模的锂离子电池高灵敏度在线析锂检测研究

第一作者：王羽

通讯作者：刘亚杰*，周星*，肖培涛*

单位：国防科技大学系统工程学院，前沿交叉学科学院，空天科学学院

高比能锂离子电池在常温快充以及低温充电时极易诱发析锂副反应，严重影响了电池的健康状态以及安全性。在线析锂检测方法通过提取锂离子电池的原位测量特征，实现对析锂反应的准确检测，进而避免后续充电过程中的析锂反应，有效保证了锂离子电池的长久安全运行。然而，现有的在线析锂检测方法大多存在检测灵敏度不足、依赖人工经验等缺陷，从而难以直接应用于电池管理系统中。如何实现高灵敏度的在线自动析锂检测，目前仍是一项重大挑战。

近日，由国防科技大学张涛教授团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“High sensitivity detection of lithium plating in high-energy lithium-ion batteries based on time-domain distribution relaxation times analysis”的研究论文。论文提出使用时域弛豫时间分布对锂离子电池充电结束后的弛豫电压曲线进行高精度建模，并基于建模误差值设定析锂检测阈值，从而实现在线析锂检测。方法在常温快充以及低温充电实验场景下的析锂检测准确率高达99%，具备着高检测准确率和检测灵敏度。论文所提的析锂检测方法无需额外的测量硬件，仅依靠电池管理系统监测的电压曲线便能够实现在线自动析锂检测，具备着出色的应用前景

锂离子电池充电结束后的弛豫阶段是典型的去极化过程。在锂离子电池未发生析锂反应时，其弛豫过程包括欧姆极化、界面极化以及扩散极化三类。文中结合公式推导以及样例展示证明了时域DRT模型能够对未发生析锂反应时的弛豫电压曲线实现高精度建模，建模误差不超过0.01%(评价指标选取的为平均绝对百分比误差, MAPE)。

当锂离子电池在前序充电过程发生析锂反应时，部分沉积的锂金属会在弛豫过程中重新嵌入石墨颗粒中，这一过程将改变原有的弛豫电压变化规律，从而使时域DRT模型无法实现准确建模。基于这一现象，论文使用时域DRT模型对80个标准充电工况周期下的弛豫电压曲线进行建模，利用Ks测试确定所获取的建模误差服从正态分布N(μ,σ)，因此采用3σ法则设定析锂检测阈值，即认定时域DRT建模误差超出μ+3σ的周期有极高概率发生了析锂反应。

论文基于所设定的析锂检测阈值，针对常温快速充电以及低温充电等多种充电场景下共计240个周期的弛豫电压曲线建模误差进行析锂检测。与此同时，还通过拆解电池观察负极表面锂沉积的情况确定各充电场景的锂离子电池析锂情况。检测结果表面，160个发生了析锂反应的周期均被准确识别出，而剩余80个未发生析锂反应的周期仅有一个周期被误判成发生了析锂反应，方法的析锂反应检测准确率高达99.6%。

High sensitivity detection of lithium plating in high-energy lithium-ion batteries based on time-domain distribution relaxation times analysis

刘亚杰研究员简介：现任国防科技大学系统工程学院研究员、博士生导师，主要从事锂离子电池健康评估与故障诊断、混合储能系统优化设计和微电网能量管理等方面的研究。主持国家自然科学基金项目等项目20余项。在《Applied Energy》等TOP期刊上发表论文30余篇，授权国家发明专利25项，获省部级科技进步一、二等奖3项，国家一级学会自然科学一、二等奖2项。

周星助理研究员简介：分别于2013 年、2015年和2019 年获得国防科技大学工学学士学位、硕士学位和博士学位，清华大学电池安全实验室访问学者。现为国防科技大学前沿交叉学科学院助理研究员。研究方向主要为宽温域高功率电池储能系统及其安全性诊断、混合储能系统优化设计与控制等。

肖培涛讲师简介：分别于2010 年和2013 年获得天津大学理学学士学位和理学硕士学位。2019年获得复旦大学博士学位。曾任 Envision AESC 工程师，清华大学博士后。现为国防科技大学空天科学学院讲师。研究方向主要为高能量密度、宽温域和高安全性的二次电池设计。

国防科技大学系统工程学院智慧能源系统工程创新团队于2012年由原国防科技大学校长杨学军院士提议组建，主要依托管理科学与工程（A+）、计算机科学与技术（A+）和控制科学与工程（A）等多个国家一流学科，致力于探索军事领域能源技术的前沿，打造一支具备创新精神、高效协作、持续育人的优秀创新团队，目前拥有军队教学名师、湖南省领军人才、国家优青、省杰青/优青等6人，建有多能源系统智慧互联技术湖南省重点实验室，装备能源管理协同创新中心，智慧能源管理湖南省研究生创新实践基地。

本团队下属的军用电源优化设计与状态评估课题组主要面向特殊环境、极端工况下锂电池/混储系统的优化设计和健康状态评估等应用需求，开展系统建模与参数辨识、SOH/SOC评估、剩余寿命预测和故障诊断等方面的基础理论方法和应用创新研究。课题组目前有全职教师、博士后和研究生10余人，建有比较完善的电池综合评测实验室，拥有高低温箱、电池充放电测试仪、电化学工作站等专业测试设备10余台。

课题组长期招聘博士后。具体待遇为税前年薪16-20万，安家费2万，在站期间子女的上学等与国防科技大学现役军官的子女同等相待。在站期间可参评“德雅青年学者博士后”，享受税前年薪40万、安家费5万标准。联系方式：刘亚杰 老师，18613956066，liuyajie@nudt.edu.cn。