iScience电池研究论文精选：电池管理和安全

　　电气化竞赛正在不断加剧。电动汽车不再是科幻，但实现其安全有效的运行还需要跨学科合作。在这里，iScience集中展示了涵盖整个电池系统的综合文章集，包括电池系统的整体管理以及电动汽车的实际制造。这些研究工作加深了我们对复杂电池系统的理解，帮助我们应对气候变化带来的挑战，更为避免电动汽车事故发生以实现更安全操作提供了思路。

　　锂离子电池水性电极的制造和直接回收——绿色可持续的制造系统

　　随着对锂离子电池的需求不断急剧增加，开发低成本和环保的系统来制造和回收锂离子电池(LIB)至关重要。传统的LIB正极材料是使用N-甲基-2-吡咯烷酮作为溶剂制造的，这种溶剂价格昂贵、剧毒、易燃且生产和回收需要消耗大量的能源。理想情况下，应该建立一个闭环的工业供应链，使用最少的外部有毒溶剂来实现电池的制造和回收。橡树岭国家实验室Li Jianlin与弗吉尼亚理工大学Li Zheng的相关工作展示了一种绿色且更可持续的LIB制造方法，这种方法的特别之处在于，电极制造和回收过程中不使用危险的有机溶剂。通过水溶性溶剂制造的电极表现出与传统溶剂制造的电极相当的倍率性能和循环寿命。水溶性粘合剂的使用可以从用过的电极中回收阴极化合物，成功实现电极再生，提供与原始电极几乎相当的电化学性能。

　　推动电池估计算法的发展

　　准确估计锂离子电池的健康状况意义重大，(a)提高电动汽车电池组的性能和寿命，提高使用率，(b)确定使用过程中电池退化的实际程度，实现有意识的控制，(c)评估车辆退役后的可用电池寿命，将电池重新用于“二次使用”。斯坦福大学能源工程系西蒙娜·奥诺里研究团队通过电化学、控制理论和电池在环(BIL)实验实现了高级电池健康估计算法的实时验证。该算法是一种自适应互连滑模观测器，基于电池电化学模型，可同时估计充电状态(SOC)和健康状态(SOH)等关键变量。BIL实验结果表明，当出现错误的初始化数据和传感器信号损坏，观察者的SOC/SOH估计会收敛到相对于其真实值的2%误差的水平。

　　迈向更安全的电池管理系统：对电池短路诊断和预后的研究总结

　　锂离子电池是电动汽车(EV)的主要电源。由于大量相关事故的发生，电池安全成为电动汽车发展面临的一个关键问题，其中电池短路被认为是事故发生的主要原因之一。因此，对电池短路的诊断和预测对于提高电动汽车的安全性具有重要意义。北京理工大学机械与车辆学院熊瑞教授的研究工作回顾了有关电池短路诊断和及其预后的最新技术，涵盖了该领域的主要方法和关键指标。其工作为如何提高电池安全性提供了重要见解。

　　面向先进储能设备和系统的机器学习

　　技术进步要求储能设备(ESD)和系统(ESS)具有更好的性能、更长的寿命、更高的可靠性和更智能的管理策略。设计这类系统涉及大量参数之间的权衡，而高级控制策略的实现更需要依赖于许多指标的瞬时状态。机器学习可以显着加快计算速率、捕捉复杂机制，以提高预测准确性，并根据完整的状态信息做出优化决策，更适用于实时管理。美国密歇根大学机械工程系Liu Wei撰文回顾了这一新兴领域的最新进展，特别是机器学习技术在常用储能设备（包括电池、电容器/超级电容器、燃料电池、其他ESD）和系统（包括电池ESS、混合动力ESS、电网和微电网的储能单元、抽水蓄能系统、热力ESS）中的新概念、方法和应用，同时对该领域的对未来方向发表了看法。

　　在低温下快速加热电池组的电动汽车的驱动电路

　　在低温下加热电池是避免电动汽车(EV)的里程限制和充电耗时的基础。在脉冲电流下极化电池是实现快速且均匀加热电池的一种方法。然而，实际应用中，机载实现这种电池极化会导致电池成本和尺寸的增加。基于此，清华大学车辆与运载学院欧阳明高院士研究团队提出了一种与现有电路兼容的自适应EV电路和优化的工作条件，以实现电池快速加热。该电路的使用，可以通过电机实现电池之间的电力传输，电池电流较传统电路显著增加。最大加热电流的增加（从1.41C到4C）导致低温下电池温升8.6°C/min。这种加热方法成本低、效率高，且对电池退化的影响小到可以忽略不计，对电动汽车的电池加热具有一定的实用意义。

　　抗枝晶锌空气电池

　　锌空气电池（ZABs）以其能量密度高、原料丰富、成本低等优点而受到广泛的关注。然而，金属枝晶形成和空气电极失效的问题一直限制着ZABs的发展和应用。清华大学化学系陈晨教授通过采用多相电解质进行锌沉积和析氧反应，设计了一种新型的抗枝晶ZABs系统。在该系统中，氧还原反应电极远离锌沉积区域，这有利于延长电池寿命。基于锌消耗的质量，该ZABs显示出1,050.9 Wh kg-1的能量密度，在2,000小时放电和充电循环中的平均库仑效率约为97.4%。值得引起关注的是，即使在充电时发生短路，电池也能保持循环性能而不会出现不可逆转的故障，这一点对电池模块的可靠性及其在其他储能/转换设备中的应用有很积极的意义。

　　热失控引起的锂离子电池喷发气体的着火边界

　　锂离子电池应用于电动汽车可以有效缓解气候变化引起的生态问题。然而，主要由于电池喷发气体（CEG）构成了燃烧三要素，该电池的安全性能较差，阻碍了它们的实际应用。吉林大学高振海教授等研究人员基于在惰性气氛中29次热失控试验的CEG识别结果，定量报告了对应于四种主流电池的CEG燃烧三要素的三个着火边界。通过控制荷电状态SOC或选择合理的电池类型可以改变电池着火所需的最低CEG和氧气浓度，从而降低电池起火的可能性。点火温度根据点火源类型的不同而有很大差异。打破任何着火边界都会阻止CEG着火，进而显着提高电池的安全性能。

　　来源： CellPress细胞科学