2024年1月31日，中科院一区top期刊《Energy》(《能源》，IF: 9.0）在线刊发了关于锂离子电池膨胀机理的最新研究成果。论文题目为：“Lithium-ion battery expansion mechanism and Gaussian process regression based state of charge estimation with expansion characteristics（锂离子电池膨胀机理和基于高斯过程回归的电荷估计状态）”。我院硕士研究生生伊亚辉、夏成宇教授为论文共同第一作者，钱利勤副教授为论文的通讯作者，我校为论文第一完成单位。

近年来，随着锂离子电池能量密度的不断提高，其安全问题日益突出。准确识别锂离子电池的车载实时状态是锂离子电池管理系统的基础，是电池安全高效使用的重要保障。然而，目前电池管理系统仅针对电特性而忽略了变形、产气等机械特性，导致电池健康状态辨识不全，无法保障电池的安全性。鉴于此，论文研究了不同电流大小、充放电状态等条件下锂离子电池的膨胀行为，并在此基础上提出锂离子电池荷电状态估计新方法，为实现锂离子电池健康状态的全面评估提供理论依据。

论文通过阶跃负载实验研究了锂离子电池受压条件下的厚度变化行为。基于粘弹性理论建立等效力学模型，模拟实验条件下的锂离子电池膨胀行为，消除测试装置引入的测量误差，获取锂离子电池的电化学膨胀行为。通过电化学-热-应力耦合模型研究颗粒插层与电化学热对膨胀行为的贡献程度，并结合IC曲线证明了颗粒插层是膨胀行为的主导因素。此外，基于膨胀行为特征建立高斯过程回归模型，实现锂离子电池荷电状态的准确估计。

等效力学模型模拟结果

下图所示为锂离子电池的电化学膨胀行为。结果显示充电和放电过程中锂离子电池厚度分别增加和减少，且放电过程无法完全释放充电过程所引起的厚度增加。膨胀峰值随着电流大小的增加而增加，但膨胀趋势无明显变化。此外，依据膨胀特征的差异可以分为激活阶段、线性阶段、过渡阶段和饱和阶段。

锂离子电池电化学膨胀行为

仿真结果说明颗粒插层是主导锂离子电池膨胀行为的主要因素，对膨胀尺度的贡献的达到了92%。通过IC曲线和中子成像技术证明了造成电极材料不同阶段膨胀特征差异的主要原因是内部晶格结构的差异。

晶格结构与电压曲线的关系

基于膨胀行为特征，论文验证了不同回归算法对荷电状态估计的准确性，提出了基于高斯过程回归的荷电状态估计方法。验证结果显示，所提出的新方法对恒电流工况下的荷电状态估计精度达到了98.4%，证明了膨胀行为对于荷电状态估计的有效性。

荷电状态估计结果

论文提出了一种基于膨胀特征的锂离子电池荷电状态估计新方法，实现了荷电状态的准确估计。此外，论文通过实验获取了锂离子电池不同充放电条件下的膨胀行为，并基于P2D模型研究了颗粒插层与电化学热对于膨胀行为的贡献程度。论文展示了通过监测多种特征获取更为全面的锂离子电池状态管理方法的潜力，有望为下一代车用动力电池管理系统提供理论依据。