锂离子动力电池内阻模型与实验研究

首先,根据多孔电极理论,建立了锂离子动力电池的仿真模型.对仿真模型的分析可知,影响电池内阻的内部因素为锂离子在电极活性材料中的固相扩散系数及由极片的电子电导率、电解液的离子电导率和活性材料的电子电导率组成的电池总电导率.分别设计制作磷酸铁锂和石墨半电池,使用恒电流间歇滴定法(GITT)对半电池进行固相扩散系数的测量.使用交流阻抗法(EIS)对半电池进行总电导率的测量.对比半电池实验数据和磷酸铁锂锂离子动力电池实验数据可知,电池的极化内阻由锂离子在电极活性材料中的固相扩散系数决定;电池的欧姆内阻由电池的总电导率决定.     

高性能离子交换膜构效关系、多离子传导机理及其制备方法的研究年度总结报告

在前期研究基础上,成功开发出不同结构的膜材料,包括非氟离子交换膜、非氟多孔离子传导隔膜及部分含氟隔膜材料等,并对其构效关系、成膜工艺进行了初步研究。2013年度围绕离子交换膜氧化稳定性降解机理以及多孔离子传导膜的构效关系和非氟离子传导膜规模放大工艺以及放大过程中的基础科学问题展开研究。阐明了非氟离子交换膜的降解机理、掌握了高选择性、高电导率和高稳定性多孔离子传导膜的构效关系,为液流电池离子交换膜的研究提供理论指导。在原创性提出多孔离子传导隔膜的基础之上,成功解决了非氟多孔离子传导隔膜离子选择性与传导性地矛盾,开发出高选择性、高稳定性非氟多孔离子传导隔膜。建立了高性能低成本离子传导膜的合成路线和工艺,确立膜材料的规模放大工艺,在一定程度上解决商业化全氟磺酸离子交换膜价格昂贵、离子选择透过性差等缺点,加快了液流电池的商业化进程。     

3类锂离子电池多孔电极模型比较研究及电池正向设计应用

锂离子电池的电极由活性物质、黏结剂、导电剂等多种固相材料及灌注其孔隙间的液态电解质组成。通过优化电极的微观多孔结构可提高电池内部锂离子与电子两类主要载流子的有效传输速率,从而有效提升电池能量密度、功率密度。基于多孔电极模型的正向设计方法正逐渐取代传统的试错方法被广泛应用于产业界,但以往的模型难以在计算量与性能预测精度上取得平衡。该文提出了扩展均相多孔电极模型,该模型可以有效地在计算负荷与性能预测精度上实现较好的平衡。比较了3类锂离子电池多孔电极模型——经典准二维均相模型、作者团队开发的非均相模型、该文提出的扩展均相多孔电极模型在计算时间以及电极结构描述精度上的差异,并就不同研发场景下的模型选择给出了具体建议。利用扩展均相多孔电极模型分析了一例电池正向设计的典型问题,即负极活性颗粒粒径选择及其对电池性能的影响,结果发现:提高负极颗粒粒径分布集中度、降低颗粒粒径大小可有效改善电池内部离子在电解液以及活性颗粒内部的有效传输速率,可使得电池在不同倍率条件下的放电容量提升25%(低倍率)至100%(高倍率)。     

无机固态电解质及其电极-电解质界面优化对全固态锂离子电池性能提高的研究进展

固态电池研究的重点在于开发高离子电导率的固态电解质,并优化固态电解质和电极的界面问题.首先以近年来受到广泛研究的无机固态电解质为中心,主要介绍通过固相烧结、液相烧结、溶胶凝胶法等方法制备的包括LiPON型、钙钛矿型、石榴石型和NASICON型在内的4种无机固态电解质及其在全固态锂离子电池中的应用;其次,通过对固态电解质表面修饰及界面优化,并结合不同的修饰方法讨论了界面优化的本征机制;最后对固态电池的研究开发、应用及发展前景进行了展望.     

全固态Mg/I_2电池

1 引言近年来,固态电池的研究非常活跃.众所周知,用于固态电池的固体电解质材料,应具有高的分解电压和高离子导电性,它的性能优劣常常对电池性能起着决定性的作用.因此,探索具有高分解压和高离子电导率的固体电解质材料成为人们非常关注的问题.镁金属价格低廉,具有相当负的电极电位和轻的比重,用它作为电池附极材料可能和许多金属卤化物,氧化物、硫化物及其它化合物构成高氏能量的电池.这就需要发展与之相匹配的固体电解材料,即需要有高离Mg~(2+)子电导率和高分解电压,以及和池阴、阳极材料具有良好的化学稳定性的Mg~(2+)离子导体.但是,近年来关于Mg~(2+)离子传导的固体电解质几乎不见报道.     

大规模高效液流电池储能技术的基础研究

该研究在前期工作基础之上,继续对大规模高效液流电池反应机理、材料的构效关系、材料的组分设计与制备方法、发电、储电、电能变换、用电多体系的系统耦合和综合能量管理控制策略等基础科学理论展开研究,取系列重要研究成果:在膜材料研究方面,突破了传统的"离子交换传递"机理的束缚,完善了原创性的"离子筛分传导"概念,设计合成出不含离子交换膜基团、孔径可控的多孔离子传导膜。突破性的解决多孔离子传导膜选择性与导电性的矛盾。创制出高性能、高稳定性、低成本的非氟多孔离子传导膜,经10000多次充放电循环考核,电池性能无明显衰减,验证了"离子筛分传导"概念的正确性。从根本上解决了非氟离子交换膜稳定性差的难题。电池结构设计方面,过研究电堆内部极化特性,明确了影响电池性能的关键因素。通过材料创新和结构设计创新,开发出高功率密度电堆。开发出的2kW电堆的工作电流密度由原来的80mA/cm~2提高到160mA/cm~2。大幅度降低了液流电池的制造成本。提出了大规模液流电池储能系统模块化设计理念,开发出不同规模等级的液流电池单体电堆和储能系统单元模块,发明了单元储能系统组合、多系统耦合技术;漏电电流与系统功耗调控技术;储能系统运行状态监控、预测诊断与自修复管理控制策略,提高了液流电池储能系统的能量效率、运行稳定性和安全可靠性。该技术成功应用于全球最大规模的5MW/10MW·h液流电池商业化应用系统。     

全钒液流电池的稳态充电数值模拟

为研究大容量蓄电储能全钒液流电池的充电能力,建立基于电池内部传递与反应相耦合的机理模型,模拟电池二维、等温、稳态、充电的状态,得到电池极化的比重数据,并从机理出发深入分析极化的主要来源.通过数值模拟碳毡电极电导率对电极过程的影响,给出反应区域的二维分布特点及规律.研究结果表明:欧姆极化约占总极化电压的50%,浓差极化约占30%,动力学极化占20%;反应区域的分布与多孔电极电导率及电解液电导率的相对大小有关,电流总是选择电阻较小的方式传导.     

多孔硅的电致发光操作模型研究

通过实验分别实现了固、液两种类型的多孔硅电致发光模型.根据液态下的化学反应,分析了"空穴消耗,电子注入"机制,解释了液态下电致发光的载流子产生和复合机制.利用固态模型的I-V特性曲线,分析了多孔硅发光二极管的载流子产生机制和发光机理.实验分析为进一步提高多孔硅电致发光效率,实现硅基光电集成打下基础.     

MnO2电极双传输线模型和交流阻抗法

MnO_2电极是由宏孔和微孔组成的多孔电极,为了描述多孔性质建立了双传输线数学模型,并给出电极阻抗和界面电位分布函数的计算方法,还设计出一种模拟电池,并通过交流阻抗实验确定了双传输线参量,讨论了MnO_2电极利用均一性同题。     

多孔球形电极颗粒中的扩散-应力耦合分析

具有良好化学稳定性及较高存储容量的多孔材料在锂离子电池及超级电容器中有广泛的应用,但已有的扩散-应力耦合模型大多忽略多孔材料的微观结构.基于此,建立考虑孔隙率和迂曲度的多孔球形电极颗粒中的扩散-应力耦合模型.针对Mn_2O_4电极进行恒压充电下的数值计算,探讨孔隙率和迂曲度系数对锂离子浓度、径向应力、环向应力及体积应变的影响,并将模型结果与他人结果进行对比.数值结果表明:迂曲度系数越大,电极中锂离子的扩散越差、体积应变越小且径向应力和环向应力越大;孔隙率越大,电极中的锂离子浓度和体积应变越大但径向应力和环向应力越小;多孔电极结构更有利于提高嵌锂能力.因此,应选择孔隙率大且迂曲度系数小的材料作为高存储容量的电极材料.     

碳纳米管掺杂及其应用技术研究进展

作为一维纳米材料,碳纳米管(CNT)在电极材料、催化、吸附等诸多领域得到了广泛应用。为了改善CNT的电学、电化学、电催化等性能,可通过掺杂其他元素或化合物对其进行改性。本文综述了近年来CNT掺杂技术及其在燃料电池、锂离子电池、电容器和传感器中的研究进展。掺杂后的CNT常被用作燃料电池电极的催化剂或催化载体,增强了电极的电导率和稳定性;掺杂CNT结合锂盐制备的锂离子电池电极材料,可提高电极和电解质的导电性,最终改善锂离子电池的电化学性能;作为电容器的电极材料,掺杂CNT可提高离子和电子的传输效率,从而提高电容器的能量密度和功率密度;由掺杂CNT制备的复合薄膜作为传感材料,可使其表面活性位点增多,从而增强传感器对目标分析物的响应速度,改善传感器的灵敏度。     

基于新型固态电解质的锂硫电池研究进展

相对于传统的锂离子二次电池,锂硫电池拥有高比容量、高能量密度、环境友好等优点,因而在未来的动力电池和储能电池等应用上被寄予厚望.近十年来,人们在维持电极结构稳定性,提高硫的利用率,延长电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作.但目前锂硫电池仍处于实验室研制阶段,存在不少的瓶颈问题,其中包括单质硫和产物Li2S的绝缘性、多硫离子的穿梭效应、金属锂电极稳定性较差等等,这些问题都严重影响了锂硫电池的电化学表现.本文针对以上问题,首先从正极、负极、液态电解质三方面简单介绍常用的解决途径;然后重点综述基于新型固态电解质的锂硫电池设计以及相关的研究进展;最后分析了未来锂硫电池用电解质的研究和发展方向.     

锂-空气电池研究进展

 锂-空气电池是通过金属锂与空气中的O₂反应产生电能,它的理论比容量高达3828mAh/g,在电动汽车等领域展现出重要的应用前景。本文综述了近年来锂-空气电池领域的最新研究进展,对有机体系、有机-水混合体系与固态体系三类锂-空气电池的结构与原理进行了分析。总结了有机体系的多孔碳空气电极、催化剂、电解液等方面的研究工作。多孔碳的孔容是决定空气电极比容量最重要的结构参数,具有高孔容的多孔碳可以为放电过程中生成的氧化锂提供更多的储存空间,从而表现出高的比容量,多孔碳的比表面积与平均孔径对比容量也有重要的影响;合适的电催化剂可以有效的降低氧还原反应与析氧反应的过电压,从而提高能量效率;具有高极性、低黏度、低吸湿性、高溶解氧的电解液有利于改善电池的相关性能。总结了有机-水混合体系的隔膜、电解液等方面的研究工作。对有机相与水相电解液均具有良好抗化学腐蚀性的超级锂离子导通玻璃膜是目前有机-水混合体系研究的关键。总结了固态体系最新的研究进展。此外,展望了锂-空气电池领域今后的发展方向。     

混合离子电子传输理论及其在固体氧化物导体中的应用

混合离子电子导体（MIECs）作为一种重要的电催化剂,广泛应用于各类电化学反应装置中,如可逆固体氧化物燃料电池,可充放电的金属–空气电池以及透氧膜等。MIECs可同时传导离子和电子,是其具有电催化活性的关键。为了开发高性能混合离子电子导体,我们需要深入理解该类材料内在的传导机制。本文将基于不可逆过程热力学,系统介绍传统的离子/电子传输理论,并简要综述该理论在具有氧空位缺陷及空穴/电子导电性的金属氧化物中的应用。本文将以CeO₂-基和LaCrO₃-基氧化物材料体系的研究为主,简述离子/电子传输理论的应用实例,如预测混合离子电子导体中的氧分压梯度分布,电化学离子/电子泄漏电流,以及外部负载电流对泄漏电流的影响。     

气体多孔电极反应微观机理及宏观现象的研究

提出多孔电极研究的新思路、新方法，探索电极反应的微观机理及宏观现象，试图为制造高效多孔电极提供理论参考。通过锌空气电池实验对比了立式多孔碳电极相对于传统多孔碳电极在放电中的优点。通过实验观察了三相界面的形成形态随时间变化的3个宏观过程，根据3个宏观过程对应的电化学过程定义了电极反应中所形成的2种有代表性的三相界面。分析了电解液在多孔电极中运动的微观机理并得出理想突变界面是气体电极的最佳工作状态的结论。     

全固态薄膜锂电池倍率性能

全固态薄膜锂电池具有固态电解质层薄、固固界面致密等特点,可作为微小型设备的储能元件。与传统锂离子电池相比,全固态薄膜锂电池内部不含液态电解液,反应与传质过程皆在固相中进行,导致全固态薄膜锂电池的倍率性能一般较差。为解决该问题,该文基于磁控溅射和真空蒸镀技术制备了正极为钴酸锂、固态电解质为锂磷氧氮(LiPON)、负极为金属锂(Li)的全固态薄膜锂电池。采用时频域配合和实验与仿真相结合的方法,系统解析了影响全电池倍率性能的关键因素。运用基于全电池倍率实验电压曲线的曲线平移分析方法及基于一维阻抗模型和阻抗谱的动力学参数辨识方法,分析了电池内部不同部件、不同物理过程对电池倍率性能的影响,结合一维时域模型仿真结果得出如下结论：电池中影响大倍率下放电总容量的主要限制因素为正极材料中的锂离子扩散过程,放电末期正极扩散系数低是大倍率下放电容量衰减的主因;影响瞬态放电功率的主要限制因素为固态电解质中锂离子的电迁移过程,高固态电解质固相过电势是放电功率损失的主因。基于上述结论,该文提出了适当降低固态电解质薄膜厚度和缩短正极离子扩散路径等改进电池倍率性能的初步设计思路,研究了一种全固态薄膜锂电池倍率性能的分...     

单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析

利用构建的单室微生物燃料电池,进行了阴极板中铁离子浓度、阳极底物、底物浓度及阳极板面积对单室直接微生物燃料电池性能影响的研究.结果表明:在其它条件相同的情况下,随着阴极电极板中Fe3 含量的增加,电池负载输出电压随之提高;不同底物的阳极反应,随着产生的电子和质子数的提高,电量随之增大;输出电压亦随底物浓度的增加而提高,但底物葡萄糖的浓度饱和值为0.72g/L;增加阳极板数量加大阳极比表面积,更多的微生物吸附在阳极电极上传递电子,电池输出电压与阳极板数量不成倍数关系.此研究为单室微生物燃料电池的应用提供了理论依据.     

全钒液流电池正极传质的介观分析

目的研究全钒液流电池正极传质的介观机理,为多孔电极传质效率的提高和全钒液流电池整体性能的提升提供理论指导.方法采用粗粒化分子动力学模拟方法,分析全钒液流电池正极反应中各粒子的介观传递特性.分析电池荷电状态(SOC)、温度、碳纳米管长度以及碳纳米管含量对正极电解质中各组分粒子扩散系数和有序性的影响.结果粒子扩散系数随着温度增高而增大,但随碳纳米管长度的增加而减小.当电池荷电状态SOC为50%时,溶液中离子种类最多,多种离子间的相互作用阻碍单个离子的扩散,从而降低了电解液中各粒子的扩散系数.在碳纳米管质量比为1/4～1/2,正极电解液浓度较低,减小了VO2+和VO+2之间的缔合作用,溶液黏度也随之下降,有利于扩散.结论深入研究全钒液流电池正极传质过程,降低因传质因素导致的浓差极化,增大电池反应速率.     

燃料电池关键材料与进展

 离子交换膜是燃料电池的重要部件,肩负着在电池内部传递离子,形成完整电池回路的作用。按照传导离子的种类,可以将其分为阳离子交换膜和阴离子交换膜,分别应用于质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池中。本文阐述了这2 类电池的研究进展和应用,提出了存在的主要问题,并着重介绍了常见阴离子交换膜及其合成方法和降解机理,对研究前景提出展望。     

硅锗光子晶体复合电极对非晶硅电池性能的影响

采用离子液体电沉积法辅助胶体晶体模板法在非晶硅电池板的ZnO:B表面构筑硅锗光子晶体,制备出ZnO/Si Ge-PCs/Ag(ZnO/SiGe Photonic Crystals/Ag)复合背电极,并研究了ZnO/SiGe-PC/Ag复合背电极与ZnO/Al背电极的非晶硅电池的光电性能.实验结果表明,基于ZnO/SiGe-PCs/Ag复合结构背电极能够提高非晶硅太阳能电池的外量子效率和短路电流密度;并且,随着硅锗光子晶体孔径的增加,电池的效率明显增加.这种新型的光子晶体复合电极结构,对于改善非晶硅叠层电池的光电效率和光电流匹配问题提供一种新途径.