高功率锂离子电池随机建模表征数据集：填补高C率电池性能研究空白

本研究针对高功率锂离子电池（LIB）在电动赛车、垂直起降飞行器（eVTOL）等新兴应用场景中缺乏公开数据集的问题，由斯坦福大学Simona Onori团队通过系统实验构建了包含12个NMC电池的多维度性能数据库。研究通过容量测试（C/3-C/20）、高C率脉冲测试（最高8C）和电化学阻抗谱（EIS）等实验，在5°C-40°C温度范围内捕获了电池动态特性与单体差异，为开发考虑参数不确定性的随机电池模型提供了关键数据支撑，填补了现有高功率电池（>3C）表征数据的空白。

　　

在电动化浪潮席卷交通领域的今天，高功率锂离子电池（LIB）正成为电动赛车、垂直起降飞行器（eVTOL）等尖端应用的核心动力源。然而这些应用场景对电池提出了严苛要求：电动赛车需要瞬间爆发550A_rms的峰值电流，相当于单体电池需承受8-10C的超高倍率放电。尽管高功率电池通过优化电极设计（如低面容量、高孔隙率阴极）来适应这种需求，但学术界长期缺乏系统的高C率（>3C）性能数据，这严重制约了精准电池模型的开发。

现有公开数据集存在明显局限：Severson等发布的LFP电池数据最高仅6C，且缺少混合脉冲功率特性（HPPC）测试；Pozzato的NMC数据集虽含EIS数据，但仅2个电池测试了3C条件。更关键的是，这些研究都未能捕捉电池单体间的性能差异，而实际电池组中这种差异会显著影响整体性能。

针对这些空白，斯坦福大学能源控制实验室（SECL）团队在《Scientific Data》发表了突破性研究。他们采用两阶段实验策略：首先从45个Molicel INR-21700-P42A电池（NMC/Si-C体系）中筛选12个代表性单体（10个接近均值，2个刻意选择的离群值）；随后在5°C/25°C/40°C下开展三类关键实验：

1. 1.

   容量测试（CDT）：通过C/3-C/20倍率放电曲线揭示温度对容量的影响

2. 2.

   高C率脉冲测试（HCGT）：设计0.5C-8C的充放电脉冲，模拟实际应用中的瞬时功率需求

3. 3.

   电化学阻抗谱（EIS）：在10mHz-10kHz范围内解析电池动力学特性

关键技术方法包括：使用Arbin电池测试系统（±250A）执行高精度脉冲测试；通过Gamry EIS 1010E获取阻抗谱；采用严格的热管理（Amerex IC500R温箱）确保温度稳定性；基于电动赛车实际工况（峰值电流550A_rms）确定8C为实验上限。

容量特性揭示温度主导效应

数据显示25°C时平均容量达3.9Ah（σ=0.06Ah），显著高于5°C/40°C的3.8Ah。值得注意的是，容量随C率变化不明显，表明新鲜电池的性能主要受温度而非倍率影响。电压曲线在3.4V（20%SoC）处出现拐点，这与后续EIS检测到的动力学变化相呼应。

阻抗特性展现显著温度依赖性

5°C时EIS谱呈现大半径半圆（电荷转移阻抗主导），而40°C时曲线收缩明显。高频电阻R₀在20%SoC呈正态分布，80%SoC则出现右偏，暗示高SoC下界面稳定性下降。离群电池A13/A37的异常阻抗（红框标注）验证了实验设计包含极端样本的科学性。

脉冲电阻揭示动态响应规律

5°C时脉冲电阻R_HCGT显著高于其他温度（如8C放电时高约30%），但随C率提升电阻下降。特别在极端SoC（15%/95%）区域，电阻升高反映电极极化加剧，这为电池管理系统（BMS）的SoC安全窗口设定提供了依据。

这项研究构建了迄今最完备的高功率LIB表征数据库，其价值体现在三方面：

1. 1.

   方法学创新：通过精心设计的HCGT协议（规避2.5-4.2V电压极限）实现了8C测试的安全性

2. 2.

   模型开发支撑：脉冲电阻与EIS数据的组合为随机模型参数化提供了双重验证

3. 3.

   工程指导意义：发现的单体差异（如容量衰减率相差4.25%）警示电池组需考虑不确定性传播

正如通讯作者Simona Onori强调的，该数据集特别有助于开发"考虑参数不确定性的随机电池模型"，这对高可靠性应用（如航空动力电池）至关重要。未来研究可基于此数据集进一步探索高C率下的衰减机制，特别是硅基负极在脉冲工况下的结构演变规律。