一种新型的低频脉冲充电技术，用于延长用于可再生能源系统的锂基储能技术中的电池循环寿命

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一种新型的低频脉冲充电技术，用于延长用于可再生能源系统的锂基储能技术中的电池循环寿命

时间：2026年3月21日

来源：Computers and Electrical Engineering

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锂基电池容量衰减机理及脉冲充电技术研究。通过构建LiCoO₂电池老化模型，对比CC-CV等九种充电技术的循环寿命与容量保持率，发现连续脉冲恒流充电技术（CPCC）在500次循环后容量保持率达86.63%，显著优于传统方法。

穆罕默德·雷希特·乔拉普萨兹（Muhammed Reşit ÇORAPSIZ）

电气与电子工程系，埃尔祖鲁姆技术大学，埃尔祖鲁姆，TR-25100，土耳其

摘要

实现全球可持续能源目标的关键无疑是高效储能技术。虽然研究持续聚焦于开发具有高能量密度和高功率密度的阳极和阴极材料，但同时也强调通过高效充电技术延长电池寿命。具体而言，解决高性能电池单元因充电协议导致的容量衰减问题仍是当前文献中的一个关键但尚未解决的挑战。本研究利用先前发表的实验数据提出了一种新的电池老化模型。将常用的脉冲充电策略整合到所提出的电池老化模型中，以评估其对长期性能的影响。为了确定充电技术在电池老化测试中的低频性能，生成了频率为 f_p = 0.05Hz 的充电脉冲。提出了一种新的脉冲充电技术，以减少锂基电池技术的容量损失并延长循环寿命。以恒流-恒压（CC-CV）技术为参考，比较了8种不同脉冲充电技术下的电池电压、充放电时间、电池温度、循环次数以及首次和最后一次循环中的容量损失变化。所提出的连续脉冲恒流（CPCC）技术在所有测试中表现最佳，500次循环后的容量保持率为86.632%。

引言

将不断增长的可再生能源技术与持久、成本优化且高性能的电池技术相结合，是全球各国能源政策的主要目标之一[1]。近年来移动能源需求的迅速增加极大地推动了电池技术的发展。如今，从电动汽车到便携式电子设备，从可穿戴电子设备到太空飞行器，几乎每个需要移动性的领域都能见到电池的应用。理想的电池单元应具备长循环寿命、优越的能量功率比以及良好的热稳定性，同时还要保持成本效益和紧凑的尺寸。这些性能指标中的任何一项不足都可能影响整个系统的效率。由于锂基技术能够结合这些多重优势，因此成为当代储能架构中最广泛采用的解决方案[2]。预计到2030年，对锂基电池（目前最主流的二次电池）的能量需求将达到2035GWh[3]。锂基电池的广泛应用不仅归功于过去十年原材料成本的显著下降，还因为锂是电负性最低的金属。锂具有高达-3.045 V的电极电位，是一种非常有效的阳极材料，能够轻易释放电子形成正离子，从而实现优异的电化学性能[4]。锂基技术虽然具有许多优势，但其循环寿命仍受运行条件的影响。与所有电池单元一样，锂基电池单元的性能在很大程度上取决于其内部结构中使用的阳极、阴极、隔膜和集流体等组件的发展。在能量传输过程中，这些组件会经历一系列复杂的化学反应，可能导致物理或化学老化，从而对电池整体性能产生不利影响[5]。

市场上有多种不同化学成分的锂离子电池，它们具有不同的功率和能量密度，应用于各个工业领域。商业化的锂钴氧化物（LiCoO₂）电池因其长循环寿命（≥1000次循环）而被广泛用于智能手机、无线音频系统和显示技术[6]。锂钴氧化物基锂离子电池（LCO基LIBs）在3C（计算机、通信和消费电子）领域占据主导地位，因为它们具有较高的截止充电电压（>4.4V）和出色的体积能量密度[7]。Goodenough于1980年首次将氧化物基阴极材料应用于可充电LIBs[8]。在LCO基电池技术中，锂钴氧化物常用作阴极材料，而石墨碳则用作阳极材料[9]。石榴石电解质在LCO基电池技术中对容量损失具有较好的稳定性，因为其减少了阴极与电解质之间的表面反应。然而，即使这些材料之间的反应非常微弱，也会阻碍锂离子的传输，从而导致电池容量损失和老化[10]。电池老化受温度、充电状态（SoC）、生产后时间（日历老化）以及充放电条件等因素的影响。

在开发二次（可充电）电池单元之前，研究主要集中在开发能量密度更高的电池单元上。1991年首次商业化的锂离子电池很好地满足了这一需求。尽管锂基电池的循环寿命远长于许多其他类型的电池，但它们也会随着时间推移出现老化和容量损失问题。近年来，许多科学研究基于充电技术和活性材料掺杂技术来努力减少这些问题。

文献综述

在[11]中，提出了考虑充电状态（SoC）和温度的脉冲充电电流，以防止锂在阳极区域积累、热量生成加剧以及低温快速充电引起的热失控现象。脉冲充电技术可以通过给电池单元提供特定的休息时间来减少容量损失并延长电池循环寿命。实验结果证实了脉冲充电的离散参数的有效性

研究空白与贡献

电池单元的长期使用取决于其容量保持能力。特别是在可再生能源系统中，人们希望电池单元具有长循环寿命和高容量保持率。文献中提出的不同充电技术已经证明可以减少容量损失。与死后分析等不可逆方法相比，通过界定电池单元的操作条件来进行的研究越来越受到重视。

锂钴氧化物（LiCoO₂电池

LiCoO₂电池因其高能量密度和优异的循环性能而备受关注，该电池由John B. Goodenough于1980年发现，最初作为中间层材料使用。如今，它也是便携式电子设备中锂离子电池（LIBs）的主要阴极材料[17]。LiCoO₂电池的名称来源于其使用的阴极材料，由铝和铜制成的两个电极、促进离子运动的电解质以及防止反应发生的隔膜组成

容量衰减与老化机制

一般来说，电池单元的老化机制分为两种类型：日历老化和循环老化。日历老化从电池单元工业化生产开始（使用寿命开始 - BoL），一直持续到其使用寿命结束（使用寿命结束 - EoL）。这一过程涵盖了电池单元的所有休息时间，包括运行状态[22]。循环老化则取决于电池单元的运行条件。“循环”一词在电池研究中经常被使用

延长电池寿命的充电技术

自从二次电池（可充电电池）问世以来，传统的CC-CV技术（如图5所示）一直被用于电池单元的充电过程。该技术根据电池放电至截止电压（v_co）后的电压和电流限制来执行充电。

电池单元在恒流（CC）模式下运行，直到达到充电源的预定电压水平（v_ch）。达到这一阈值后，电池单元会切换到

利用实验数据对LiCoO₂电池进行老化建模及参数估计

在设计电池单元老化模型时，必须考虑所有电池动态因素。这些模型通常基于实验数据实现。确定电池单元在充放电过程中的动态变化对于了解电池老化、充电状态（SoC）、健康状态（SoH）、容量损失以及其他相关参数至关重要。图8展示了一个考虑了环境温度、剩余电量（DoD）、充放电电流、充电状态（SoC）和电池温度动态的LiCoO₂电池单元的MATLAB/Simulink模型。

结果与讨论

研究了九种不同的充电技术对电池单元容量损失的影响，包括恒流-恒压（CC-CV）、固定脉冲电流（FPC）、脉冲电流-恒流（PC-CC）、负脉冲电流（NPC）、交替脉冲电流（APC）、恒流-脉冲电流（CC-PC）、脉冲电流-恒压（PC-CV）、脉冲连续脉冲电流（PCPC）和连续脉冲连续电流（CPCC）。