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进入21世纪以来,由于化石燃料的有限性及其不断消耗造成的污染,提升了人们对可再生能源的关注。由于可再生清洁能源生产的不连续性,生产与消耗之间的时空差异,为实现其高效利用需配套相关能量存储设备。同时电动汽车(混合动力汽车)和移动设备的发展对锂离子电池的性能提出了更高的要求。由于高的能量密度、功率密度,锂离子电池作为最佳能量存储装置成为当前研究热点。为了研究锂离子电池性能,并准确的对锂离子电池进行状态估计。本文从电化学角度出发,以仿真和测量为手段,开展以下研究:首先建立了磷酸铁锂电池的多物理场仿真模型、研究了磷酸铁锂的极化/去极化机理;其次建立了大幅值恒流脉冲法及相关模型,通过对不同健康程度的磷酸铁锂电池、石墨和磷酸铁锂电极的分析,研究了电极/电解液界面动力学特征;再其次结合非原位测量研究了磷酸铁锂电池性能衰减机理;最后研究阴极和阳极对电池性能的影响。并取得了以下成果:(1)使用不同纳米导电碳对磷酸铁锂进行包覆。发现面接触磷酸铁锂电极有更好性能。为了分析内在机理,建立了磷酸铁锂电极的多物理场仿真模型。通过多物理场仿真得到了充放电曲线,磷酸铁锂电极中的锂离子扩散通量、浓度分布、电流分布及电势分布图,证明了接触对电池容量和倍率性能的影响,为电极的设计提供理论依据。(2)建立了大幅值恒流脉冲法(LGPM),通过在电极/电解液界面建立瞬态高浓差极化,得到电极界面的信息。同时建立了一阶RC电路作为大幅值恒流脉冲法的电化学分析模型。(3)通过对磷酸铁锂、石墨电极的电路参数分析,可得出以下结论:磷酸铁锂电池电极中磷酸铁锂颗粒间存在的互充现象;磷酸铁锂由于较小的粒径而具有较大表面和等效电容,而石墨粒径较大表面积较少但其表面积的不足被锂离子的扩散速度所弥补。(5)结合大脉冲恒流脉冲法,通过对不同健康程度的磷酸铁锂电池进分析,发现磷酸铁锂电极并非电池性能衰减的主要因素。由于石墨负极较厚的SEI膜可以存储更多的锂离子,减少了石墨中的锂离子数量,导致了锂离子电池容量的降低和并联电容值的升高。(6)提取拆解石墨、磷酸铁锂电极组成半电池的电路参数。使用阴极和阳极电路模型及相关参数构成二阶RC电路,在大幅值恒流脉冲的条件下获得模型的响应曲线,使用一阶RC电路模型和电压响应曲线,通过参数估计的方法获得一阶RC电路参数,将得到的电路参数与负极和正极的电路参数对比,确定了正极和负极对电池性能的影响。