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LiFePO_(4)电池阴极板升温过程中逸出气体特征分析

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中国无机分析化学 2024年第3期14卷 372-378页

作者：王荣马悦李尧张玉魁黄倩国家能源集团新能源技术研究院有限公司北京102209 发电系统功能材料北京市重点实验室北京102209 中国科学院工程热物理研究所北京100190

LiFePO_(4)电池在电动汽车领域具有独特的优势且占有市场持续扩张和稳步增长,电池失效现象的正确理解和失效机理分析对锂离子电池性能的提升和技术改进有着重要作用。其中,电池材料在工作和升温过程中发生产气、热失控等因素为失效现象... 详细信息

LiFePO_(4)电池在电动汽车领域具有独特的优势且占有市场持续扩张和稳步增长,电池失效现象的正确理解和失效机理分析对锂离子电池性能的提升和技术改进有着重要作用。其中,电池材料在工作和升温过程中发生产气、热失控等因素为失效现象中最常见的原因,对LiFePO_(4)电池阴极材料在升温过程中的热行为和反应过程所产生的逸出气体种类及动态特征进行了分析。通过采用具有Skimmer采样接口的热分析-质谱联用设备TG-DSC-EI-MS对惰性气氛和氧气气氛下的反应过程热行为和逸出气体进行定性研究。结果揭示,惰性气氛下的分解反应主要集中在435~800℃,其逸出气体以H_(2)、H_(2)O、PF_(5)为主;氧气气氛下的燃烧反应过程分多个阶段,主要集中在四个温度区间:75~200、235~460、465~590、645~745℃,其逸出气体以H_(2)、H_(2)O、C_(x)H_(y)、CO_(2)等组分为主。不同气体组分受温度和气氛影响,其逸出动态特征也不尽相同,其中低温段逸出气体多为电池无机材料的分解和挥发为主,随着温度升高,逸出气体的产生以有机材料的分解和含碳材料的氧化为主,其中含氟气体的逸出行为贯穿整个升温过程中,^(19)F^(+)主要来源于热稳定性较差的LiPF_(6)。该研究结果为LiFePO_(4)电池使用过程中受温度和产气影响机理研究提供了基础信息和方向。

关键词：锂离子电池气体逸出逸出机理热分析热分析-质谱联用

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锂离子电池失控机理模拟

有色金属工程 2024年第1期14卷 23-31页

作者：赵璐璐张玉魁王荣马悦李尧黄倩国家能源集团新能源技术研究院有限公司北京102209 发电系统功能材料北京市重点实验室北京102209 中国科学院工程热物理研究所北京100190

锂离子电池由于存在热失控风险,安全性不能得到保障,在实际应用中仍存在局限。因此,了解热失控触发后电池的温度场变化规律,分析影响温度变化的因素是很有必要的。使用ANSYS FLUENT对锂离子电池进行模拟,建立了单体锂离子电池三维瞬态... 详细信息

锂离子电池由于存在热失控风险,安全性不能得到保障,在实际应用中仍存在局限。因此,了解热失控触发后电池的温度场变化规律,分析影响温度变化的因素是很有必要的。使用ANSYS FLUENT对锂离子电池进行模拟,建立了单体锂离子电池三维瞬态生热模型,通过模拟发电端不稳定导致的不同充放电波动功率输入下电池的温度场变化来研究电池内部热扩散规律;模拟锂离子电池局部内短路触发热失控后的温度场变化来分析热扩散规律。结果表明,锂离子电池的温度和壁面热流密度随输入电流的波动而波动。锂离子电池局部内短路触发后,热失控沿着电极纵向扩展的速率大于沿径向向外扩散的速率,增加对流换热系数能有效降低电池温度升温速率和幅度,降低电池触发热失控的可能性。研究热扩散规律对于实际应用中预测热失控、提高安全性、改善电池冷却工艺等提供了研究依据。

关键词：锂离子电池热失控温度场模拟传热模型

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锂离子电池储能设备安全风险分析及管控措施

内蒙古电力技术 2024年第3期42卷 1-7页

作者：刘宇张玉魁王荣马悦李尧金翼国家能源集团新能源技术研究院有限公司北京102209 发电系统功能材料北京市重点实验室北京102209

为了提升锂离子电池储能设备及电站的安全管理水平,亟需对锂离子电池储能设备的安全风险及其管控措施进行研究。通过调研国家及行业电化学储能相关政策、标准要求及其实际执行情况,发现当前锂离子电池储能设备安全风险管控措施执行不到... 详细信息

为了提升锂离子电池储能设备及电站的安全管理水平,亟需对锂离子电池储能设备的安全风险及其管控措施进行研究。通过调研国家及行业电化学储能相关政策、标准要求及其实际执行情况,发现当前锂离子电池储能设备安全风险管控措施执行不到位、标准体系不健全的问题,梳理储能电站建设、运行阶段存在的设备质量和安全风险,从设备设计及制造、系统集成、运维检修等方面深入分析产生安全风险的原因,针对性地提出了锂离子电池储能设备安全管控方案及具体措施,涵盖项目前期、建设期、运行期等阶段,实现对锂离子电池储能设备设计水平、制造质量及运行状态的有效监管,掌握设备健康状态,提前研判风险信息,以保障储能设备及电站的安全可靠运行。

关键词：锂离子电池储能设备系统集成运维检修安全风险

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钠离子存储器件中界面效应作用机制研究

材料导报 2024年第8期38卷 35-43页

作者：魏一帆夏会聪张佳楠郑州大学材料科学与工程学院郑州450001 郑州市能源催化功能材料重点实验室郑州450001

可充电钠离子电池被视为下一代高效能二次电池的最佳候选之一。电池充放电过程中电极表面及电极与电解质界面行为均对其性能有较大依赖性。因此,分析界面效应的特性对打造高能量密度、长期稳定的大型储能系统至关重要。虽然电极材料的... 详细信息

可充电钠离子电池被视为下一代高效能二次电池的最佳候选之一。电池充放电过程中电极表面及电极与电解质界面行为均对其性能有较大依赖性。因此,分析界面效应的特性对打造高能量密度、长期稳定的大型储能系统至关重要。虽然电极材料的特性研究已相当深入,但对钠离子电池界面效应的稳定性和高效性的研究仍显不足。现有研究成果尚未能为系统性结论提供充分的理论依据。本文回顾了钠离子储存设备中界面效应机制的研究现状,涵盖了电极材料内部的异质界面和固态电解质界面,从理论上分析了层间插入、转化反应和合金化过程中的界面效应,以及这些效应如何影响电池的整体性能。本文旨在为优化电极材料内部的异质界面及固态电解质结构提供理论基础,以提高钠离子电池的性能。同时,本文总结了几种现有的界面效应机制,并综述了目前界面效应研究面临的挑战与机遇,对其在该领域的未来发展进行了展望。

关键词：钠离子存储界面效应固态电解质中间相

节线半金属AlB_(2)水环境下发生吸附后拓扑表面态变化

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物理学报 2024年第12期73卷 350-358页

作者：朱庞栋王长昊王如志北京工业大学材料科学与工程学院新能源材料与技术研究所新型功能材料教育部重点实验室北京100124

拓扑半金属,作为一种独特的拓扑电子态,近年来因其固有的拓扑特性和潜在的器件应用而备受研究关注.体-边界对应是拓扑半金属的一个关键特征,这意味着如果在体相中存在非平庸的能带拓扑,那么在表面会存在受拓扑保护导电状态,即拓扑表面态... 详细信息

拓扑半金属,作为一种独特的拓扑电子态,近年来因其固有的拓扑特性和潜在的器件应用而备受研究关注.体-边界对应是拓扑半金属的一个关键特征,这意味着如果在体相中存在非平庸的能带拓扑,那么在表面会存在受拓扑保护导电状态,即拓扑表面态(topological surface state,TSS).这一特征使其在电催化研究领域备受关注.本文采用第一性原理计算手段研究了AlB_(2)材料的拓扑性质,并构建(010)表面A1端面和B端面平板模型,计算得到了TSS的位置.研究了AlB_(2)表面吸附特性,发现Al端面氢吸附吉布斯自由能(ΔG_(H*))仅为-0.031 eV,相较于商业电催化析氢(hydrogen evolution reaction,HER)催化剂Pt的-0.08 eV更接近于0,展现出了优异的HER性能.观察了AlB_(2)表面吸附H,OH和H_(2)O后TSS的变化,发现当H吸附时TSS变化最显著,其次是OH吸附,H_(2)O因其电中性和弱的表面吸附对TSS的影响很微弱.并且在吸附前后,由于受拓扑保护TSS依旧存在,仅是能量发生了改变,证实了其在环境中的稳定性.本工作研究结果为不同吸附物对AlB_(2)的TSS的影响提供了系统的认识,为今后相关领域的理论和实验研究铺平了道路,也为拓扑材料的实际应用提供了理论支撑.

关键词：拓扑半金属拓扑表面态表面吸附

钙钛矿太阳能电池纳米纤维改性电子传输层研究

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无机材料学报 2024年第7期39卷 828-834,I0006,I0007页

作者：肖梓晨何世豪邱诚远邓攀张威戴维德仁缑炎卓李金华尤俊王贤保林俍佑湖北大学功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室武汉430062 湖北大学高分子材料湖北省重点实验室武汉430062 湖北大学材料科学与工程学院武汉430062

二氧化锡(SnO_(2))由于具有高透光率、高电子迁移率、良好的紫外稳定性以及可低温加工等优势,作为电子传输材料在钙钛矿太阳能电池(PSC)中得到广泛应用。然而,用商业胶体溶液制备的SnO_(2)电子传输层仍然存在易团聚、缺陷多、能级不匹... 详细信息

二氧化锡(SnO_(2))由于具有高透光率、高电子迁移率、良好的紫外稳定性以及可低温加工等优势,作为电子传输材料在钙钛矿太阳能电池(PSC)中得到广泛应用。然而,用商业胶体溶液制备的SnO_(2)电子传输层仍然存在易团聚、缺陷多、能级不匹配等问题,限制了器件性能和稳定性。本研究将一种高分子甲壳素纳米纤维(1,2-二苯甲酰氧基苯基甲壳素,DC)引入到SnO_(2)前驱液中来改善SnO_(2)薄膜质量,系统研究了DC对前驱液、薄膜和器件性能的影响。实验结果表明,DC添加剂能够有效抑制纳米颗粒团聚,使前驱液分散得更均匀。改善后的SnO_(2)薄膜的粗糙度更小,能更好地被钙钛矿溶液浸润,有利于SnO_(2)与钙钛矿层形成更紧密的接触。同时,SnO_(2)薄膜中的氧空位缺陷被有效钝化,缺陷占比降低至30%,进一步提升了薄膜质量。改进后SnO_(2)电子传输层与钙钛矿层的能级匹配性更好,载流子提取和传输性能得到优化。DC改性后的PSC性能得到显著提升,最优器件的光电转换效率达到19.11%。本工作不仅解决了SnO_(2)电子传输层在制备过程中的团聚问题,而且为提高PSC能提供了理论指导与方法。

关键词：二氧化锡电子传输层钙钛矿太阳能电池高分子光电转换效率

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硫酸体系下高模碳纤维在不同电场环境中的阳极氧化行为

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材料工程 2024年第6期52卷 122-131页

作者：肖婧田思源周航王宇徐樑华北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室北京100029

高模量碳纤维的惰性表面导致其与树脂基体之间薄弱的界面结合,限制高模量碳纤维复合材料在众多应用场景中性能的发挥。阳极氧化作为目前唯一可与碳纤维生产线并线运行的表面处理技术,常用的以碳酸氢铵为代表的碱性电解质在氧化高模碳纤... 详细信息

高模量碳纤维的惰性表面导致其与树脂基体之间薄弱的界面结合,限制高模量碳纤维复合材料在众多应用场景中性能的发挥。阳极氧化作为目前唯一可与碳纤维生产线并线运行的表面处理技术,常用的以碳酸氢铵为代表的碱性电解质在氧化高模碳纤维时效果有限,氧化性更强的酸性电解质体系下的阳极氧化机制缺乏系统研究。采用稀硫酸对模量为371 GPa的碳纤维进行电化学阳极氧化处理,系统研究电流密度、电解质浓度等关键要素对高模量碳纤维表面极性结构的影响规律,继而研究表面处理效果对碳纤维/环氧树脂复合材料界面剪切强度的影响规律,建立表面处理要素与复合材料界面性能的关联性。结果表明:处理后的碳纤维在保持原有表面形貌和石墨化结构的基础上,在碳纤维的无定型碳和芳香环状结构区域发生氧化反应,反应后纤维表观石墨化程度降低,表面能增大,表面含氧官能团含量增加。在当硫酸浓度为1.0%(质量分数)、电流密度为0.26 mA/cm^(2)时,此时碳纤维的表面能最高,为57.7 mN/m,相比于未处理的碳纤维提高了62.08%,与环氧树脂的界面剪切强度达到80.9 MPa,相对于未处理对应的21.8 MPa提高了2.7倍,处理后碳纤维的单丝拉伸强度不受损。

关键词：高模量碳纤维阳极氧化硫酸界面性能拉伸强度

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ZIF-8作为疫苗佐剂/递送系统的应用研究

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中国生物工程杂志 2024年第7期44卷 81-88页

作者：呼高伟洪纯丽罗希尹龙飞台州学院生命科学学院、台州市生物质功能材料开发与应用重点实验室台州318000

疫苗被认为是疫病防控的有效手段之一,其主要类型包括传统灭活疫苗、弱毒疫苗以及新型蛋白、核酸和多肽疫苗等。新型疫苗的抗原成分多为生物活性物质,容易受到外界环境的影响,单独使用在体内易被代谢且免疫原性弱,必须搭配佐剂使用。不... 详细信息

疫苗被认为是疫病防控的有效手段之一,其主要类型包括传统灭活疫苗、弱毒疫苗以及新型蛋白、核酸和多肽疫苗等。新型疫苗的抗原成分多为生物活性物质,容易受到外界环境的影响,单独使用在体内易被代谢且免疫原性弱,必须搭配佐剂使用。不同类型的疫苗搭配使用的佐剂普遍存在制备过程复杂、生物安全性低、稳定性差、转染效率低等问题。因此,亟待开发一种更加安全、高效、生物相容性好以及易制备的新型疫苗佐剂/递送载体。ZIF-8(zeolitic imidazolate framework-8)是由锌离子和2-甲基咪唑结合而成的一类金属有机框架材料,具有高稳定性、高比表面积、低毒性以及高生物相容性等特点。近年来,由于ZIF-8独特的结构和优异的热稳定性,研究人员通过仿生矿化的方法使ZIF-8包封蛋白、核酸、细菌和病毒等生物活性成分,可作为疫苗新型佐剂/递送载体。概述ZIF-8作为蛋白疫苗、核酸疫苗、灭活疫苗、病毒疫苗递送载体的相关研究进展,以期为疫苗递送载体的研发提供参考。

关键词：金属有机框架材料 ZIF-8 疫苗递送系统

锂离子电池材料微区结构相场模拟的应用与展望

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科学通报 2024年

作者：刘方正赵姝尉海军北京工业大学材料与制造学部先进电池材料与器件研究所新型功能材料教育部重点实验室

锂离子电池作为一种重要的能源存储器件,其性能的提升依赖于对材料结构多维度、多尺度特性的深入认识.除了晶体平均结构外,微区结构的功能性和不同微区结构之间的协同作用对电池性能有着深远影响,但仍存在着缺乏准确表征和模拟的挑战.... 详细信息

锂离子电池作为一种重要的能源存储器件,其性能的提升依赖于对材料结构多维度、多尺度特性的深入认识.除了晶体平均结构外,微区结构的功能性和不同微区结构之间的协同作用对电池性能有着深远影响,但仍存在着缺乏准确表征和模拟的挑战.相场模拟作为一种多尺度、灵活性的方法,在揭示微区结构的设计和动态演化方面具有较高的潜力和优势.本文首先综述了微区结构对于锂离子电池材料的重要意义,随后讨论了相场模拟的基本理论基础及电化学相场模型,简要介绍了演化方程及体系自由能密度的构建方式.进一步从锂离子电池材料微区结构失效分析的角度,系统梳理了锂电化学沉积与枝晶生长、相分离与离子扩散、裂纹拓展等方面的相场模拟研究进展.最后,结合电化学相场模拟与锂离子电池的研究进展,阐述了将相场模拟与第一性原理计算等方法结合形成的多尺度模拟手段的重要性,并重点展望了相场方法在锂离子电池材料微区结构设计与演化方面的应用前景.

关键词：锂离子电池相场模拟正极材料微区结构