Assessment of Round-Trip and Coulombic Efficiency in Lithium-Ion Batteries Using a Mathematical Modeling Approach under Variable Operating Conditions
本研究开发并实验验证了一个分析框架，该框架量化了在不同老化和热条件下，锂离子电池中库仑效率、容量保持率与循环效率之间的耦合演变，揭示了在1500次循环过程中伴随容量损失发生的显著效率退化。
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每天，数十亿人依赖于微小且肉眼不可见的动力源来维持手机运行、汽车行驶以及家庭照明。这些就是锂离子电池，它们是现代世界的充电能手。在电池内部，被称为离子的微小带电粒子在电池的两端来回穿梭，在插电时储存能量，并在需要时释放能量。为了使这些电池发挥作用，它们必须具备高效性：它们需要返回几乎与吸收量相等的能量，并且必须在损耗之前长时间保持这些能量。然而，像任何机器一样，这些电池并不会永远持续下去。随着时间的推移和反复的使用，它们储存能量的能力会缓慢下降，充放电的过程也会变得不再那么完美。准确理解这一现象发生的时间和原因至关重要，尤其是当世界向电动汽车和大规模储能转型时，电池的失效可能意味着汽车在高速公路上停驶或城市失去电力。
一支研究团队致力于精确地绘制这种缓慢衰减的过程。他们希望超越仅仅计算电池在报废前可以充电多少次的层面。相反，他们建立了一个数学模型，用于追踪两个特定的健康指标：在充放电过程中损失了多少能量，以及在数千次循环后还剩下多少总容量。他们使用一种标准的3.6伏特锂离子电池（常见于便携式电子设备）来测试他们的想法，使其经历了一套严格的充放电程序。他们运行了这个循环1500次，这个数字旨在模拟多年的重度使用，同时还测试了电池在从冰冻严寒到酷热高温各种温度下的表现。
结果清晰地描绘了老化过程。随着电池在其生命周期内进行循环，其保持满电的能力显著缩小。在测试开始时，电池可以提供约2.7安培小时的功率，这是衡量其总能量容量的一个指标。经过1500次循环后，该数值降至约1.8安培小时。这代表了其原始存储能力的约34%的损失。更重要的是，研究人员发现电池在移动能量方面的效率变得越来越低。在开始阶段，电池非常擅长保留所接收的电量，能返回约90%的电荷。到1500次循环结束时，这种效率已骤降至略低于60%。这意味着随着电池的老化，投入其中的越来越多的电量仅仅以热量的形式流失或被困在内部，从未能回到外部为设备供电。
研究还表明，温度在退化过程中起着重要作用。当研究人员在较热的条件下测试电池时，电池能够提供的能量明显下降。即使不计算循环次数，仅仅将温度从0摄氏度的低温升高到75摄氏度的高温，电池的放电容量就会下降超过17%。这表明保持电池凉爽与使用频率同样重要。研究人员还追踪了完成一个完整充放电循环所需的时间。令人惊讶的是，随着电池的老化，这个时间变短了。虽然较短的循环听起来像是某种进步，但它实际上是虚弱的迹象。因为电池不再能持有那么多电量，它填充和排空的速度变得更快，仅仅因为要移动的能量变少了，所以缩短了完成往返行程的时间。
为了确保其数学模型的准确性，团队构建了一个模仿电池在现实世界环境下行为的物理原型。他们使用微控制器来管理充电和放电过程，并以高精度测量流入和流出的电流。当他们将计算机模拟中的数据与物理硬件的数据进行对比时，两者高度吻合。这证实了他们的模型可以可靠地预测电池在不同条件下的表现，而无需进行数千小时的物理测试。这项工作为工程师和电池管理者提供了一个实用的工具。通过监测电池移动能量的效率以及它保留了多少容量，系统可以更好地预测电池何时接近其有用寿命的终点。这对于电动交通和可再生能源的未来至关重要，因为了解电池的真实健康状况可以确保在初始购买后仍能保持安全性和可靠性。
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