一、论文基本信息

论文标题：Low-temperature heating method for lithium-ion batteries using alternating current: balancing temperature rise rate and capacity degradation

发表期刊/会议：Applied Thermal Engineering，影响因子：6.4

文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128680

研究团队：西安建筑科技大学机电工程学院、西安交通大学能源与动力工程学院、合肥工业大学机械工程学院联合研究团队

核心信息：本研究针对锂离子电池在低温环境下性能严重衰减的问题，提出了一种基于不对称交流电流的加热策略，通过优化电流波形参数，在实现快速低温预热的同时有效抑制容量衰减，为解决电动汽车在寒冷气候下的运行难题提供了创新解决方案。

二、文章内容导读

在寒冷气候条件下，锂离子电池面临着严峻的性能挑战。低温不仅导致电池内阻增加、充电时间延长，更会引发锂沉积现象，加速电池老化并带来安全隐患。传统的加热方法存在效率低、温度分布不均等问题，而现有的交流加热技术往往难以在加热速率和电池寿命之间找到最佳平衡点。

图文导读主体

研究团队首先建立了一个创新的电化学-热耦合模型，该模型首次集成了负极SEI膜生长和锂沉积机制，为全面理解电池老化过程中的关键行为提供了理论基础。模型涵盖了固相质量守恒方程、液相质量守恒方程、固相电荷守恒方程、液相电荷守恒方程以及电化学反应动力学方程等多个关键组成部分。

模型通过详细的数学公式描述了电池内部的各种物理化学过程。以固相质量守恒方程为例，锂在电极活性颗粒内部的传输过程遵循菲克第二定律：

其中cs表示电极颗粒内的锂浓度，ds为电极材料中的锂扩散系数，r是电极颗粒的径向坐标。该方程准确描述了锂离子在电极材料中的扩散行为。

实验验证与模型准确性

为了验证模型的准确性，研究团队搭建了完整的实验平台进行测试验证。实验装置包括电池测试系统、温控箱、温度记录仪和计算机等关键设备。

通过在不同倍率（0.3C、1C、2C、3C）下的恒流放电测试，模型在预测电压响应和温升方面表现出色。模拟结果与实验数据的平均相对误差在电压方面小于2%，在温度方面小于10%，证明了模型的高可靠性。

容量衰减机制深入分析

研究团队通过模拟分析了电池循环过程中负极局部孔隙率和锂沉积电位的变化，揭示了容量衰减的内在机制。结果显示，随着循环次数的增加，负极孔隙率逐渐减小，特别是在隔膜区域，孔隙率下降速度明显加快。

锂沉积电位的分布变化更为显著。在循环初期，锂沉积电位保持在0V以上，不会发生锂沉积。但随着循环进行，锂沉积电位逐渐降低，特别是在隔膜区域显著下降至负值，导致锂沉积现象发生。这种锂沉积与孔隙率之间的相互作用形成了恶性循环，最终导致电池容量的非线性加速衰减。

交流加热参数系统性研究

研究团队系统评估了电流波形（方波、正弦波、三角波）和电流有效值（IRMS）对电池温升速率和容量衰减的影响。发现在相同IRMS条件下，不同波形的加热效果存在显著差异。

方波加热在温升速率方面表现最优，同时能更稳定地将电池电压维持在安全范围内。随着IRMS的增加，电池容量衰减呈现减小趋势，这是因为较高的IRMS虽然加速了SEI生长和锂沉积速率，但更快的温升速率缩短了总加热时间，从而限制了累积降解。

频率对加热性能的影响同样显著。较低频率导致更大的容量损失和更快的温升速率，而较高频率则带来较小的容量损失和较慢的温升速率。

不对称电流比优化策略

基于以上研究，团队提出了创新的不对称βratio加热策略。通过调整充放电电流比，在保持总电荷量不变的前提下，优化电流分布，实现加热性能的提升。

实验结果表明，不对称βratio策略能显著提高IRMS，从而增加温升速率并减少容量衰减。特别是在SOC=50%条件下，βratio为1:9的策略比对称加热（βratio=5:5）使温升速率提高67%，容量衰减降低29%。

综合性能评估与参数选择指南

研究团队采用min-max归一化方法，建立了综合评分指数（CSI）来量化温升速率和容量损失之间的权衡关系。结果显示，不对称βratio策略在平衡电池温升速率和容量衰减方面表现最优。

通过系统研究，团队还建立了经验公式来描述IRMS和频率对电池性能的影响，为实际应用中的参数选择提供了理论指导：

总结与展望

本研究通过创新的不对称交流加热策略，成功解决了锂离子电池在低温环境下加热速率与寿命保护之间的矛盾。主要突破包括：

模型创新：首次建立了集成SEI膜生长和锂沉积机制的电化学-热耦合模型，为电池老化行为研究提供了全面工具。

参数优化：系统研究了波形类型、IRMS和频率对加热性能的影响，明确了方波加热在温升速率方面的优势。

策略创新：提出的不对称βratio策略在实际应用中表现出色，显著提升了加热效率同时有效抑制了容量衰减。

实用指南：通过建立经验公式和综合评分体系，为工程应用提供了明确的参数选择指导。

该研究成果对电动汽车在寒冷地区的推广应用具有重要意义，为解决低温环境下电池性能衰减这一行业难题提供了有效解决方案。未来研究将重点推进SOC自适应加热策略的实际应用，包括在各种测试条件下的动态βratio优化以及与车辆热管理系统的集成。

三、作者介绍

本研究由西安建筑科技大学杨乃行教授团队主导，联合西安交通大学和合肥工业大学的研究力量共同完成。杨乃行教授作为通讯作者，在纳米材料与电池热管理领域具有深厚的研究积累，主持多项国家级和省部级科研项目。第一作者陈世龙在电池热管理与电化学建模方面展现出突出的研究能力。团队长期致力于锂离子电池热管理、性能优化及寿命预测等前沿课题研究，在Applied Thermal Engineering等高水平期刊发表多篇重要研究成果。

文章来源：电池课堂

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