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储能科学与技术

储能科学与技术

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Energy Storage Science and Technology
《储能科学与技术》（Energy Storage Science and Technology）是化学工业出版社、中国化工学会联合主办的国内唯一的储能专业期刊，由中国石油和化学工业联合会主管，国内统一刊号CN 10-1076/TK，中国科学引文数据库核心期刊（CSCD）、中国科技核心期刊，中国化工学会及储能工程专委会会刊。目前已被美国《乌利希期刊指南（网络版）》（Ulrichsweb）、英国科学文摘数据库（INSPEC）和美国《化学文摘（网络版）》（CA）收录，荣誉主编为英国伯明翰大学丁玉龙教授。
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  • 发文量：1227
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  • 万方期刊影响因子：-
  • 创刊时间：-
  • 国内刊号/CN：10-1076/TK
    国际刊号/ISSN：2095-4239
  • 发行周期：双月刊
    邮发代号：80-732
  • 主管单位：中国石油和化学工业联合会
    主办单位：化学工业出版社
储能科学与技术-联系信息
  • 主编：黄学杰
  • 电话：010-64519601 64519602 64519643
  • 邮箱：esst_edit@126.com；esst2012@cip.com.cn
  • 地址：北京市东城区青年湖南街13号
  • 邮编：100011
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储能科学与技术 >2023年第11期

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  • 摘要：全钒液流电池因具有优异的安全性和超长的循环寿命,使其在规模储能领域具有广阔的应用前景。但钒电池较高的储能成本限制了它的规模化发展,大幅提高其功率密度进而降低储能成本是实现钒电池商业化的有效途径。流场是影响钒电池功率密度的关键部件之一,匹配的流场能够有效改善钒电池在高倍率放电时的浓差极化,从而实现较高的功率密度。但目前关于不同流场性能优劣的研究结论却存在较大分歧,严重影响了它们的工程化应用。本工作针对钒电池中最为常用的蛇型和插指型流道,通过仿真和实验相结合的方式系统地研究了比流量、流场尺寸对传质及电池性能的影响规律,并揭示了这两种流场在不同工况下得出不同甚至相反结论的根本原因。结果显示,在相同比流量下,电解液在蛇型流道电极内的流速远大于插指型流道,所以在低比流量下蛇型流道的性能明显好于插指型流道;增加比流量或提高流场尺寸均可提升电池的性能,由于插指型流道的临界流量大于蛇型流道,所以插指型流道性能的提升幅度明显大于蛇型流道,进而导致两种流场间的性能差异会随着比流量和流场尺寸的增加逐渐减小甚至出现性能反转。本工作不仅加深了对钒电池流场结构及其传质过程的认识,也为流场的工程化应用提供了依据和方向。
  • 摘要：固体电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)是电池中“最重要也是最不被理解”的部分。可控合成性能优异的SEI是实现高能量密度电池的关键技术之一。但是,由于SEI的形成过程涉及到多个时间和空间尺度,并且涉及到多场耦合,导致SEI结构异常复杂。现有实验表征手段无法精确解析其微观结构和形成机制。近年来,高速发展的多尺度理论模拟,为理解和解析SEI结构提供了强有力的新手段。本文总结了近年来针对SEI研究发展出来的关键模拟技术,重点关注微-介观(<100 nm)尺度的理论模拟方法,特别是可以用于电化学模拟的量子化学方法、可用于大尺度化学反应模拟的反应力场方法以及数据驱动的机器学习模型等。这些新技术可以有效地解决传统模拟方法中存在的准确性低、时间尺度短以及空间尺度有限等问题,在可以预见的将来,在研究SEI形成的初始反应、动态演化以及功能预测等方面将发挥越来越重要的作用。随着计算机硬件水平的不断提升、理论模拟算法的稳步提高,多尺度理论模拟将为高能量密度电池的理论设计和智能制造提供强有力的理论基础。
  • 3.声明
    摘要：为了实现科技期刊编辑、出版、发行工作的电子化,推进科技信息交流的网络化进程,本刊已入“万方数据资源系统(China Info)数字化期刊群”、“中国学术期刊(光盘版)”、“维普资讯中文期刊服务平台”。所有向本刊投稿并录用的文章,将一律由编辑部统一纳入上述各期刊数据库,进入因特网提供信息服务。如作者不同意将文章编入数据库,请在来稿时声明,本刊将做适当处理,本刊所付稿酬包含刊物内容在因特网上的服务报酬,不再另付。本刊对所发表的文图拥有专版权,凡转载本刊作品的须注明转自本刊,并按规定支付报酬。
  • 摘要：基于概率统计理论的蒙特卡罗模拟(MC)在20世纪40年代由冯·诺伊曼等提出,其作为一种重要的数值计算方法,已被广泛应用于离子导体的热力学、动力学等性质的研究。然而,MC模拟在相关计算精度、模拟速度以及模拟流程自动化等方面,仍具有较大的提升空间。本文通过分析其在离子导体计算领域中哈密顿量的构建模式(如基于键价和计算或利用团簇展开将通过拟合代表性小尺寸晶胞第一性原理计算总能得到的近邻作用参数给出构型能量)以及结构演变方式(如基于单离子迁移模式假设的构型演变),提炼出一套用于分析离子导体离子输运特性及相变特性的MC模拟范式,并给出与之相关的半自动化MC模拟程序,预测了石榴石结构离子导体的电导率与迁移离子占据率分别随锂离子浓度的变化趋势。为了更好地拓展MC模拟在离子导体研究中的应用,本文就其在包括正负极材料、电解质及其相关界面的电化学储能材料中的典型热力学与动力学计算案例进行了剖析,包括求解离子导体中的离子扩散问题、模拟迁移离子的分布特征与相关界面层的演变过程等。最后,展望了MC方法目前面临的挑战并给出可能的对策,包括:①精确地获取所有可能发生的事件(如单离子迁移与双离子协同迁移)及其描述(如哈密顿的计算);②探寻高效算法以精确找到系统的演化轨迹;③精确获得MC模拟中对应的时间步长。
  • 摘要：储能电池的关键是材料。继实验观测、理论研究和计算模拟之后,数据驱动的机器学习具有快速捕捉材料成分-结构-工艺-性能间复杂构效关系的优势,有望为电化学储能材料的研发提供新的范式。本文从结构化和非结构化数据驱动两方面,系统评述了机器学习在电化学储能材料研究中的最新进展。全面概括了可用于电化学储能材料机器学习的国内外材料数据库,分析了其数据的收集、共享和质量检测存在的问题;重点阐述了电化学储能材料中机器学习的工作流程和应用,包括结构化数据驱动下数据收集、特征工程和机器学习建模以及图形、表征图像和文献文本这类非结构化数据驱动下的模型构建和应用。进一步,厘清电化学储能材料领域机器学习面临的三大矛盾且给出对策,即高维度与小样本数据的矛盾与协调、模型复杂性与易用性的矛盾与统一、模型学习结果与专家经验的矛盾与融合,并提出构建“领域知识嵌入的机器学习方法”有望调和这些矛盾。本文将为机器学习在电化学储能材料设计和性能优化中的应用提供参考。
  • 摘要：O3型层状过渡金属氧化物NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)是目前最有应用前景的钠离子电池正极材料之一。然而,由于在充放电过程中过渡金属层的滑移,O3型正极材料伴随着多重不可逆的复杂相变,所以其应用受到了限制。另外,O3-NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)正极的容量主要集中在3 V左右的低电压区域,在充放电过程中这一区域很容易发生O3-P3相变,所以限制了其能量密度。本研究提出了一种精准的化学元素取代策略来解决这些问题。通过Sn^(4+)掺杂来抑制过渡金属层的滑移,从而抑制循环过程中的不可逆相转变。同时,由于Sn^(4+)具有独特的外层电子结构,在d轨道上没有单电子,无法与O 2p轨道发生杂化,所以O 2p轨道就只与Ni eg轨道发生杂化,增大了Ni—O键的离子度,提高了Ni的氧化还原电势。因此,NaNi_(0.5)Sn_(0.5)O_(2)正极材料的中值电压高达3.28 V。同时,该电极材料表现出较为优异的电化学性能和动力学性质。本工作基于分子轨道杂化对O3型正极材料的氧化还原电势实现了可控调制,从而获得了具有高电压的钠离子电池层状氧化物正极材料。
  • 摘要：得益于铝负极的高质量/体积能量密度、低成本与高安全性,可充铝离子电池成为极具前景的下一代储能电池体系。铝离子电池主要是基于铝负极、正极材料及1-乙基-3-甲基咪唑氯化物([EMIm]Cl)基的离子液体电解液。目前,储铝正极材料的性能优化已取得了系列进展,但铝离子电池的实际应用受到了[EMIm]Cl基电解液的高成本、腐蚀性、湿度敏感、不稳定界面等问题的限制。本文总结了近期铝离子电池电解液的相关研究工作,并详细介绍了提高铝离子电池电解液实用化的解决方案。从降低成本的角度,探究低成本的离子液体电解液或者采用低温熔融盐体系,并对其进行改性优化;从化学稳定性角度,主要是开发新型的电解液体系,如凝胶态聚合物和全固态电解质,旨在利用固态基质屏蔽保护离子液体。发展低成本与化学/电化学稳定的铝沉积溶解电解液是目前铝离子电池领域的研究热点与难点,本文对不同电解液的改性方案与存在问题进行全面的分析与讨论,并对铝离子电池电解液的未来发展进行了展望。
  • 摘要：作为新一代电化学储能体系,锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值。然而,在锂离子电池的商业化进程中,安全性事故时有发生,影响了锂离子电池的大规模应用。本文从电池安全性的三个研究尺度:材料、电芯、系统,综述了与之对应的重要研究方法,其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法。本文介绍了这些方法的基本原理,通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用,并探讨了实验和模拟方法之间的联系,着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加速度量热分析、电芯安全性数值模拟等方法。基于对多尺度研究策略的系统综述,认为安全性研究需要在各个尺度联合同步开展。最后,展望了下一代锂电池,如固态电池、锂金属电池等,可能面临的电池安全性问题。这些新体系的安全性研究仍处于早期,其材料和验证型电芯的安全性研究是当前阶段值得关注的重要课题。
  • 摘要：利用导电聚合物聚吡咯(Polypyrrole,PPy)与二维层状化合物MoS_(2)之间的互助复合被证实是制备多孔网络柔性电极的有效方法,通过调控制备条件可得到具有不同结构参数的自支撑电极。本工作通过深入解析电化学阻抗谱及循环伏安曲线(CV)对PPy-MoS_(2)多孔网络膜电极的电化学行为进行了详细的动力学分析,Trasatti分析方法被用来量化在储能过程中内表面和外表面的相对电荷储存量。结果表明,多孔网络柔性电极的体积比容量因厚度不同导致差异明显,而差异的本质源于不同厚度的柔性电极中储能反应的动力学控制差异。随着柔性电极厚度由5μm逐渐增加至60μm,其中的储能反应由表面控制主导逐渐转换为扩散控制主导,当表面控制与扩散控制同时存在且比例相当时,柔性电极表现出最高的体积比容量68 mA·h/cm^(3)(5 mV/s)。因此,在应用多孔网络自支撑膜为柔性电极材料时,为了获得最佳的储能效率,需全面优化柔性电极的结构参数以促进活性材料与电解质离子之间的相互作用。
  • 摘要：可充电电池已被广泛应用于电动汽车等国家重点战略发展领域,然而在电池反复的充放电过程中,金属离子的不均匀沉积会导致电极表面枝晶生长,电池可逆容量降低和内部短路。枝晶的形成是极其复杂的过程,涉及到电化学、热力学、动力学和结晶学等多个学科,并受到充电条件、压应力、电池组分、温度、磁场等多重因素的影响。本文系统剖析了枝晶成核和生长过程中涉及到的理论模型,全面回顾了相场模拟在可充电电池枝晶问题中的研究进展,重点讨论充电条件、应力、外压及离子分布等因素对枝晶生长的影响,给出了电化学相场模拟在电池枝晶领域的研究范式。进而采用相场模拟研究了隔膜涂覆颗粒对电极表面离子浓度分布及枝晶生长均匀性的影响,为抑制枝晶隔膜的设计提供了理论依据。最后指明了相场模拟在枝晶研究方面的不足及未来重要的研究方向。
  • 摘要：电解液作为电化学储能系统的重要组成部分,是决定电池容量,支撑超级电容器储能、循环稳定性等特性的关键因素之一。离子液体作为一类新型软功能材料,因其高导电率、宽电化学窗口、良好的热稳定性、无显著蒸气压等特性,被广泛应用于电化学储能元件如锂电池、超级电容器等,逐步成为传统有机电解液最佳替代者之一。目前有关离子液体电解液的设计与研究大多采用实验测试法,其搜索范围大、成本高且难以从纳微水平精确获得对其动态结构、形成机理、作用机制等深刻认识。因此,本文综述了离子液体电解液在模拟计算方面的相关进展。首先根据不同的模拟尺度,介绍了用于离子液体电解液的3种模拟计算方法,并讨论了它们的优缺点。其次,按照离子液体在电解液中的不同组成部分,分别回顾了离子液体电池及超级电容器中的模拟研究现状。最后,讨论了离子液体电解液未来面临的挑战和发展方向,为电解液的模拟提供了新的研究思路。
  • 摘要：2020年12月中央经济工作会议提出“碳达峰”与“碳中和”目标,明确了加快调整优化产业结构与能源结构,对发展新能源电池技术提出了新要求。在电池服役过程中,电极过程反映了电化学系统中的工作机制与演化规律,随着高比能电池体系的开发应用以及单体电池体积的增大,电池电极过程的不均匀程度更加突出。然而,电池在空间与时间维度上存在多尺度、多层级、多过程、多步骤及多场耦合的复杂特点。本综述重点整理了不同活性离子体系电池的电极过程,包括液相传质、表面电子转移、固相扩散三个主要步骤,并以高比能电池、功率型电池、长寿命电池为例,分析了电位、过电位、扩散系数、不同尺度的几何参数等对各种电池设计目标的影响,讨论了不同尺度下电极过程的非均匀对电池性能衰减的影响机制。基于已开发的电极过程可视化方法与定量化分析技术,系统总结了锂离子电池与铝电池的典型电极过程,深入分析了这两类电池电极过程的差异,为基于理解电极过程设计材料体系与优化电池结构提供了重要支撑。通过建立电极过程与电池性能之间的关系,分析并展望了存在的科学问题与技术问题,为科学指导电池设计与制造提供基础。
  • 摘要：离子电导率是影响固态离子器件性能的基本因素。在无机固体电解质中,离子的传导包括晶粒体和晶界传导,两者均与材料体系中点缺陷结构密切相关。本文详细阐述了固体电解质体内可能存在的点缺陷及其对晶粒体电导率的影响规律,并结合钙钛矿结构LLTO固体电解质介绍了晶界空间电荷层模型及由此而引发的晶界离子电导特性。以期为高离子电导固体电解质的设计提供思路。
  • 摘要：能源与环境是人类社会可持续发展的重要支柱。迫于全球气候变化、能源危机等问题,未来社会需要高效、经济、绿色、安全的电化学储能技术。为了达成这一目标,理解电化学界面反应机理来指导储能器件的开发显得尤为重要。飞行时间二次离子质谱(包括非原位和原位手段)具有超高灵敏度及时空分辨率,已经开始在电化学储能界面分析中崭露头角。因此,本综述总结了近年来飞行时间二次离子质谱研究方法在能源电化学领域(如锂离子电池、锂硫电池及锂氧电池)的重要进展和应用,重点讨论该技术如何帮助研究人员理解电池过程并设计更好的电化学储能系统。最后,讨论了飞行时间二次离子质谱当前主要挑战和未来机遇,并提倡广泛地采用该技术去指导未来电化学储能技术的设计和创新。
  • 摘要：开发高效的氧还原反应电催化剂是实现质子交换膜燃料电池规模化应用的关键技术之一。目前常用的贵金属催化剂成本较高,并且稳定性仍需改善。物理限域是改善催化剂稳定性的有效策略,在不影响贵金属催化剂催化活性的前提下,物理限域层不仅可以抑制催化剂的烧结,还能够减少催化剂在反应过程中的团聚、脱落以及溶解等问题,从而提升催化剂的寿命。本文回顾了近年来用于电催化氧还原反应的限域型贵金属催化剂,主要包括导电聚合物限域、非金属氧化物限域、金属氧化物限域以及碳层限域的贵金属催化剂。根据限域层制备策略不同,重点分析了限域层的孔结构、导电性、致密性、抗腐蚀性与催化剂性能之间的构效关系。着重介绍了实现碳层限域的三种策略,包括“沉积-转化”、“嵌入-转化”以及“一步热解”。分析表明,通过构筑具有丰富孔结构、高导电性及合适厚度的限域层能够在保证活性的同时显著提升催化剂稳定性。最后对全文进行了总结并对当前存在的问题进行了整理,同时对未来限域型催化剂的发展进行了展望。
  • 摘要：钠金属被认为是下一代高能量密度、高功率密度储能器件中非常有前景的负极材料。然而钠金属一直面临着循环性差以及钠金属枝晶生长造成的安全隐患的困扰。为了提高钠金属负极的循环稳定性,我们研究了钠金属负极在双(氟磺酰)亚胺钠和双(三氟甲基磺酰)亚胺钠高浓度电解液中的性能。研究发现,通过将NaFSI和NaTFSI混合得到双盐高浓度电解液,钠金属负极可以实现相对于单一盐电解液显著提高的循环性能。电化学性能和循环后的形貌表征表明,高浓度双盐电解液可以防止电解液腐蚀集流体,而且还能在钠金属负极表面构建更稳定的界面层。本工作还使用这种双盐高浓度电解液组装了钠金属全电池并实现了稳定的循环性能,表明这种新型的电解液有非常好的实用化前景。
  • 摘要：相变储热技术与聚光太阳能发电技术相结合可以提高太阳能的利用率,减缓化石燃料燃烧带来的环境压力。本文通过分析相变储热材料的选择标准,对筛选出具有研究价值的含碳二元系相变储热材料的性能特别是热物理性能进行分析。研究发现,硅、硼、铝、铬、铁单质材料与碳元素形成的二元化合物或固溶体具有较高的熔点,形成的含碳二元系相变储热材料在高温相变储热领域应用前景广阔。在含碳二元系相变储热材料中,Fe-C二元合金可满足高温相变储热系统1100~1500℃的相变储热要求,当合金为含碳4.3%的Fe-C共晶成分时,Fe-C二元合金的相变潜热理论值为611 kJ/kg,热导率约为(40±16)W/(m·K),相变温度为1148℃,具有相对其他合金成分更为优异的综合储热性能可用于聚光太阳能热发电系统储热。
  • 摘要：电化学阻抗谱(EIS)是一种常用的电化学测试方法。通过EIS可以获取研究体系的各种动力学信息,比如电荷转移,双电层充电和物质传输等。EIS数据的解析依赖于合理的模型,常见的模型分为等效电路模型和物理模型。本文简要介绍了EIS物理模型三种常见的求解方法:解析求解,时域数值方法和频域数值方法。我们首先以一个经典的带有法拉第反应的双电层界面为例,仅考虑扩散控制传质的情况下,推导了相应的解析解,介绍了数值求解EIS的时域方法和频域方法,并对比了不同方法的结果。然后,我们以电池中常见的金属离子沉积反应为例,给出了零电荷电势下的EIS的解析解,并对比了两种数值方法的求解精度,同时我们也对比了不同价态的金属离子的EIS结果。计算结果表明,频域数值方法的精度高于时域数值方法,可以作为EIS数值求解的首选。保持其余参数不变的情况下,高价离子的EIS小于低价离子。最后,我们总结对比了三种方法的优缺点。本工作研究结果一方面可以作为EIS物理模型的入门指南,另一方面可以用于分析金属离子沉积反应的EIS结果。
  • 摘要：理解电化学储能系统的构效关系将极大推动电极材料中新现象和新性能的发现与调控。然而,没有任何一种单一技术可以澄清电化学体系中复杂界面反应的所有问题,只有从多个角度进行观察才能看清被埋藏的界面和工作状态下的演变历程。由于大量储能材料富含过渡金属元素,其磁学性质与晶格结构、电子能带、电化学性能密切相关。因此,磁学测试分析可以揭示能源材料中的结构相变和局部电子分布等变化,解析物理化学反应机理,指导材料设计。围绕磁性表征技术,本文首先讨论了磁性测试的技术原理,随后总结介绍了磁性测试在研究电极材料物性结构表征以及电化学反应进程方面的研究进展,尤其介绍了原位实时磁性测试在阐明储能物理化学反应机理方面的独特优势。综合分析表明,原位磁性表征技术可以对电化学反应中的电荷转移进行高灵敏度、快速响应的测试表征,为揭示复杂界面电化学反应提供了新思路,在储能科学中具有广阔的应用前景。本文有助于了解磁性测试技术在电化学储能材料研究中的重要价值,并进一步推动磁性测试技术在储能领域的发展。
  • 摘要：随着锂离子电池的广泛使用,锂离子电池热安全问题日益突出。相比于成本高、破坏性大的实验方法,建模仿真因其经济、安全、快速等优势成为锂离子电池热安全研究的重要手段。本文从微观建模、单电池建模以及电池组建模三个尺度对最新的锂离子电池模型及其在热安全设计中的应用进行了综述。着重介绍了锂枝晶的生长调控和电解液的安全设计方面的模拟仿真、单电池模型与热方程耦合的应用以及锂离子电池组热模型在优化电池热管理系统方面的研究。最后总结了现有的锂离子电池热模型存在的缺陷,并对锂离子电池热模型未来的研究方法做出了展望。
  • 摘要：钠离子电池作为一种新型的能源储存技术得到越来越多的关注,尤其是在大规模储能领域具有明显的优势,有望部分取代锂离子电池。钠离子电池磷基负极材料具有高的理论容量和合适的储钠电位,因而受到广泛关注。但部分磷基材料导电性差和循环过程中体积变化大,使得其在产业化应用方面仍面临着严峻的挑战。本文针对磷基钠离子电池负极材料的研究进展,对红磷、黑磷、磷烯、金属磷化物的储钠机理、研究现状、改进策略进行了总结。目前,钠离子电池磷基负极材料的研究主要集中在导电材料复合和限域结构设计。另外,保护性/导电性涂层包覆、元素取代/掺杂改性、新型电解液的使用以及测试电化学窗口的调控也可改善磷基钠离子电池负极材料的电化学性能。富磷相的制备、储钠机理的确定、先进的检测技术和计算模拟的运用、电池配套组分和全电池的研究是未来金属磷化物钠离子电池负极材料的研究方向。
  • 摘要：冷冻电镜(cryo-EM)是表征辐照敏感材料的有力工具,已经在生命科学领域得到了广泛的应用和认可,并在2017年获得了诺贝尔化学奖。同年,冷冻电镜首次被应用于观察金属锂的纳米结构,取得了一些前所未有的结果,从此也在电池领域备受关注和蓬勃发展。冷冻或低温不仅可以有效地缓解高能电子束对样品造成的辐照损伤,而且可以大幅降低样品的反应活性,提高样品的稳定性。冷冻电镜可以为辐照敏感材料提供纳米甚至是原子尺度的微观结构信息。本文重点介绍了冷冻电镜在表征锂电池中辐照敏感材料的相关应用和成果,包括冷冻聚焦离子束-扫描电子显微镜(cryo-FIB-SEM)和冷冻透射电子显微镜(cryo-TEM),以便读者了解冷冻电镜在解析电池工作机理和指导材料结构设计等方面发挥的优势和作用。随后,展示了冷冻电镜在金属锂的沉积/溶解行为、固体电解质界面(SEI)膜的纳米结构、亲锂材料的储锂机理、全固态电池中固-固界面以及正极材料表面的固体电解质界面(CEI)膜等方面的应用与研究成果。最后,展望了冷冻电镜在未来的技术发展及其在电池领域的潜在应用与机遇。冷冻电镜技术的发展将有助于解析电池材料与界面结构,了解电池运行和失效机制,从而促进高比能和高安全性电池的发展。
  • 摘要：以铵根离子为载流子的可充电水系铵离子电池具有诸多本征优势,然而对于其全电池的研究与探索仍然处于起步阶段。本文首次报道了PTCDI//δ-MnO_(2)铵离子电池体系。该电池采用0.5 mol/L NH_(4)Ac作为电解液,以层状δ-MnO_(2)作为正极材料,3,4,9,10-四甲酰二亚胺(PTCDI)作为有机负极,可以在0~1.5 V电压窗口内稳定工作。本文中的层状δ-MnO_(2)正极材料采用简单的KMnO_(4)热分解法制备,并通过XRD、SEM、TEM、XPS、FTIR、拉曼光谱等手段对δ-MnO_(2)纳米片正极进行了表征。实验研究结果表明,通过合理搭配PTCDI纳米粒子负极,该全电池在0.5 A/g的电流密度下循环500圈后,容量保持率仍为初始容量的92%,库仑效率接近100%,具有优异的循环稳定性。同时系统地研究了δ-MnO_(2)纳米片正极的储能机理以及PTCDI有机负极的储铵动力学特性。非原位XPS光谱结果表明NH^(4+)可以在正极材料中实现可逆地脱嵌。该全电池具有较高的电压窗口,可以较为轻松地向风扇及LED灯等常见小型电器供电,具有良好的发展前景。综上所述,新材料的开发对构建新一代安全环保的水系铵离子电池具有重要意义。
  • 摘要：超级电容器作为能量存储器件,因具有较快的充放电速率、较高的功率密度和长的循环寿命等特点被广泛研究。MXenes因具有高电导率、高电化学活性、易成膜和亲水性等特点而被广泛应用在超级电容器领域,并展示了出色的储能性能。然而其面临着环境敏感、易氧化降解等严峻挑战,生成几乎没有电容量贡献的TiO_(2)等产物,严重阻碍了MXenes基超级电容器的发展。探索MXenes胶体稳定性的优化策略,并实现其稳定性的选择性调控,对提升MXenes在超级电容器及其他不同应用场合的性能具有重要的现实意义。为此本文简要总结了抑制MXenes氧化的策略,提出了稳定性选择性调控的总体方案,探讨了选择性调控对超级电容器性能的影响机制,为制备高性能MXenes基超级电容器提供思路。
  • 摘要：钠离子电池因其原材料储量丰富、成本低、安全环保等优势在大规模储能、低速电动车领域具有广阔的应用前景。氟磷酸钒钠[Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(2)F_(3),NVPF]正极材料具有稳定的三维框架结构、高的理论比容量(128 mA·h/g)和高的工作电压(约3.8 V)等优点,已成为近年来钠离子电池正极材料研究的热点。然而,NVPF较低的电子电导率和较慢的离子扩散速率导致其实际比容量偏低且倍率性能不理想,阻碍了其进一步发展。为此,研究者们通过优化NVPF的合成工艺,并采用包覆、离子掺杂和结构设计等方法对其进行改性,使其电化学性能得到了显著提升,极大增强了NVPF在钠离子电池中的应用潜力。本文通过对近年相关文献的回顾,介绍了NVPF的晶胞特征,并梳理了NVPF的四种脱嵌钠机制(固溶反应机制、分步钠脱嵌机制、三步钠脱嵌机制和两步钠脱嵌机制);简要综述了NVPF常用的三种合成方法(高温固相法、水热法和溶胶-凝胶法),并归纳了各方法的优缺点;详细介绍了利用包覆、离子掺杂和结构设计等方法改性NVPF的研究进展。最后,从实际应用角度出发,对NVPF的合成、改性及其全电池的发展进行了展望,以期推动NVPF正极材料在钠离子电池中的应用化进程。
  • 摘要：水系锌离子电池(ZIBs)由于其安全性好,成本低和环境友好等特点,被认为是非常有潜力的储能系统,得到了广泛的研究。目前尽管在高性能正极材料的研究方面取得了快速进展,但关于锌负极的研究还有不足。为了解决锌负极的固有缺点,在提高锌负极性能和负极保护方面提出了很多策略。本文通过对相关文献的探讨,总结了库仑效率(CE)低和循环性能差是锌负极现阶段面临的挑战,进一步分析了这主要是由于锌负极枝晶生长和腐蚀现象引起。通过回顾近期锌负极自身设计和电解液优化改变锌负极界面特性的研究,分别从锌负极合金化处理,锌负极表面结构改造,锌负极界面保护,电解液锌盐对比,电解液添加剂,凝胶电解液共六个方面详细分析并对比了改善锌负极性能的具体方式。最后概括了锌离子电池的研究必要性,展望了未来稳定锌负极界面的策略。
  • 摘要：为了解决锂电池组由于电池单体在制造工艺等方面的差异所引起的单体电压不一致性问题,本工作提出一种可以实现多种均衡类型的均衡方案,该方案由基于三绕组变压器的主动均衡拓扑以及与之对应的自适应交错控制策略组成,可控制能量在不同均衡对象之间灵活地转移以及根据电池组所处的状况实时调节均衡类型,使均衡电路始终在最佳状态下工作,实现电池组的快速均衡。最后通过仿真算例,验证了所提均衡方案能有效解决电池组不一致性问题,且具有较快的均衡速度。
  • 摘要：电化学能量储存和转换技术已成为解决能源和环境问题的重要手段。如何解决大规模工业化应用过程中电化学能量储存和转换体系相关材料、器件的研发、设计、优化以及管理控制等关键科学和技术问题已经成为一个热点。本工作以锂离子电池、超级电容器和电解水制氢3个具体实例为对象,建立电化学系统多物理场模型。基于实验验证模型,探索了大容量软包电池内芯传递现象、电化学反应过程及电流分布间的相互作用;引入“静电像相关性”概念,研究超级电容器多级孔道内双电层及赝电容的分布规律;考虑PEM电解水制氢工程学上的瞬态问题,研究制氢装置电化学表征特性模拟及两相流传递现象对电解性能的影响。结果表明,大电流操作、导热性差的电池内芯材料显著加剧电池内芯内部电流及反应非均匀性,超级电容器微孔和介孔配比影响双电层及赝电容分布及离子传递过程,制氢装置部件需要高亲水性材料且保持流道中高液相饱和度来增强电解性能。由此可见,多物理场模型可以为材料设计、实际物理过程分析以及系统优化等方面提供理论和设计指导。
  • 摘要：清洁和可持续能源的大量应用和电动汽车行业的快速发展,为先进的储能/转换技术和设备带来了前所未有的机遇。可充电式锌-空气电池(ZAB)拥有的能量密度高、环境友好、安全性能高、成本低等优势,被广泛认为是最有前景的金属-空气电池之一。更重要的是,锌-空气电池所使用的锌资源丰富、价格便宜、能量密度适中以及还原潜力高。但由于在充电过程中空气阴极上氧还原反应的动力学过程十分缓慢,使得空气电池产生了相对大的超电势,也导致了ZAB无法实现商品化应用。沸石咪唑基金属有机框架(ZIFs)衍生的催化剂具有显著促进氧反应的能力。本文回顾了ZIFs衍生材料的最新进展,该材料可用作ZAB中的阴极催化剂。本文总结了一些主要的ZIFS衍生物材料在ZAB中的应用,包括了ZIFS衍生物的金属氮化物催化剂、ZIFs衍生物的金属氧化物催化剂、ZIFs衍生物的S/P/B掺杂催化剂和ZIFs衍生物的非金属碳催化剂等,还论述了这些ZIFs衍生物催化剂的结构特点。最后,阐明了研发用于ZAB的先进ZIFs衍生催化剂面临的挑战和一些观点。
  • 摘要：水系有机液流电池作为大规模储能技术,在实现可再生能源高效利用方面展现出良好的应用潜力。本文结合水系有机液流电池研究现状,重点围绕能量密度、功率密度、效率和循环寿命四个重要性能参数对水系有机液流电池电化学活性分子进行综述,阐明了电化学活性分子溶解度、电势、电化学反应转移电子数及速率、尺寸、化学稳定性等对水系有机液流电池性能的影响。通过与磷酸铁锂电池、铅碳电池、水系全钒液流电池等技术对比,展望水系有机液流电池发展前景,认为能量密度≥30 W·h/L,最大放电功率密度≥300 mW/cm^(2),能量效率≥80%,循环容量衰减≤0.05%/d的水系有机液流电池有望参与长时储能市场竞争。

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