一、论文基本信息

论文标题：Insights Into Lithium-Ion Battery Cell Temperature and State of Charge Using Dynamic Electrochemical Impedance Spectroscopy

发表期刊/会议：International Journal of Energy Research文章DOI：https://doi.org/10.1155/2024/9657360

研究团队：英国拉夫堡大学机械、电气与制造工程学院，Ricardo PLC联合研究团队，通讯作者L. M. Knott

核心信息：

本研究首次系统比较了稳态电化学阻抗谱（SSEIS）与动态电化学阻抗谱（DEIS）在锂离子电池充放电过程中的差异，开发了能够同时预测温度（10–35°C）和荷电状态（SOC：50%–100%）对电池阻抗影响的等效电路模型，为电动汽车快充场景下的电池健康管理提供了突破性解决方案。

二、研究背景与意义

随着电动汽车快充需求（如≥350kW的极速充电）的爆发式增长，锂离子电池在动态工况下的性能监测成为行业痛点。传统SSEIS需电池静置测量，无法反映实际使用中温度与SOC同时变化的复杂场景。本研究通过DEIS技术，首次实现了在主动充电过程中对电池阻抗的实时监测，填补了非平衡状态下电池特性研究的空白。

三、实验设计与技术突破

1. 创新实验架构

研究采用450mAh商用钴酸锂/石墨软包电池，通过Solarton 1280C电化学工作站与恒温箱精确控制条件：

SSEIS协议：满充后静置测量，温度梯度为10/15/20/25/30°C

DEIS协议：在1C恒流充电过程中同步进行阻抗测量，捕获50%-100% SOC区间动态数据

2. 双模型构建策略

FCBEM模型（稳态）：基于SSEIS数据建立满充状态下的温度-阻抗关系

ACBEM模型（动态）：创新性地引入SOC变量，建立温度-SOC-阻抗三维映射关系

四、关键发现与机理解读

1. DEIS与SSEIS的显著性差异

通过对比22.5°C和25°C两组数据发现：

阻抗值差异：DEIS实部阻抗普遍高于SSEIS 15%-30%

容性行为：DEIS虚部阻抗更小，反映动态充电过程中双电层电荷存储能力增强

非线性特性：KK验证显示DEIS高频区误差达62%，揭示系统非平衡特性

2. 温度对电池参数的梯度影响

通过8组等效电路参数的温度依赖性分析发现：

敏感参数：SEI伪电容（T_SEI）下降66%，SEI电阻（R_SEI）下降84.1%，电荷转移电阻（R_ct）下降60.9%

反常现象：欧姆电阻（R_ohm）在DEIS中随温度升高而增加（+3.2%），推测与电极微观结构变化相关

界面演化：CPE指数P_SEI线性增长25.2%，表明高温下SEI层均匀性提升

3. SOC与温度的耦合效应

三维等高线图清晰展示了参数随温度/SOC的协同变化：

协同衰减：R_ct随温度升高呈指数衰减，随SOC增加呈幂律衰减

界面优化：双电层伪电容（T_dl）随温度/SOC同步指数增长，反映界面电化学活性提升

扩散增强：高SOC下浓度梯度促进离子扩散，抵消低温负面影响

五、模型验证与应用前景

1. 预测精度突破

FCBEM模型：实部阻抗R²=0.9998，虚部阻抗R²=0.9971

ACBEM模型：在22.5°C验证点上实部R²=0.9975，成功预测未参与训练的完整数据集

2. 工程应用价值

BMS升级：实现充电过程中电池健康状态的实时诊断

快充优化：为极速充电（6C）提供阻抗变化预测基准

寿命管理：通过监测R_ct和SEI参数变化预警电池老化

六、作者介绍

通讯作者L. M. Knott现任拉夫堡大学研究员，专注于电化学阻抗谱在储能系统中的应用研究。团队在电池诊断领域累计发表SCI论文20余篇，本次研究得到英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）与Ricardo PLC的联合资助，体现了产学研深度融合的创新模式。

七、总结与展望

本研究通过DEIS技术突破了传统阻抗谱测量的局限性，首次建立了动态充电场景下的温度-SOC-阻抗映射模型。未来研究方向包括：

将模型扩展至0–40°C全温度范围

研究0.5C–6C不同充电速率的影响

拓展至NCM、LFP等多元材料体系

结合机器学习实现阻抗数据的智能解析

文章来源：电池课堂

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