全固态电池的研发现状与产学研协同创新的前景

一、全球全固态电池的研发背景自20世纪70年代开始,国内外很多科学家在固态电解质研究方面做了大量基础工作。大概在1980年左右,固态电解质氮化锂形成研究热潮,但因氮化锂的稳定性较差,当时没有得到较好的发展。另外一个研究重点就是硫化物固态电解质,初期和二期的硫化物性能表现不是很好,真正爆发的是第三期硫化物。此外,还有如卤化物固态电解质、石榴石型氧化物也都在研究中。

利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

一种10 kV/10 ns/20 A全固态脉冲源设计

为获得等离子体研究所需的半高宽约10 ns的高压高重复频率脉冲输出,采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关串联构成的2组高压开关模块,利用传统电容储能脉冲产生电路和脉冲切尾电路相结合产生窄脉冲。结合开关实际工作需求,开展了窄脉冲产生电路适应性设计及仿真优化;依据优化结果,搭建窄脉冲产生电路实验装置。经测试,在500Ω负载上获得了峰值电压约10 kV、半高宽约10 ns、前沿约6 ns的脉冲输出。

原位固化的全固态电池技术发展历程

原位固化的全固态电池技术,主要聚焦从原位固态化的技术出发,从半固态向全固态发展的过程。一、全固态电池的实用化就实用化角度而言,比如宁德时代(CATL)和比亚迪陆续推出一些高性能动力电池,包括麒麟电池、神行超充以及刀片电芯的2.0版本。在半固态电池的研发上,中科院物理研究所与蔚来汽车展开合作,并实地展示了续航1000公里的150KWh/、360Wh/kg的电池,2023年开始进入量产阶段。全固态电池也开始引起社会更为广泛的关注。比如如何从技术革命、产业升级、商业化角度选择技术路线,有不同考虑。

应用于全固态激光雷达的光学相控阵技术发展趋势与挑战

应用于全固态激光雷达的光学相控阵是一种电控扫描的光束指向控制技术,具有宽视场、低功耗、轻量化的优异性能,在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。文章首先介绍了光学相控阵基本工作原理;回顾了近年来基于不同材料光学相控阵的国内外研究进展,主要包括:光波导相控阵(如LiTaO3晶体、GaAs/AIGaAs、PLZT电光陶瓷、Si等)和液晶光学相控阵;并对基于不同材料光学相控阵的优劣势进行对比分析;指出了研制高性能光学相控阵需要突破的关键技术;并给出了光学相控阵技术的发展趋势与挑战。

全固态无负极锂金属电池纳米化复合集流体构筑

全固态无负极锂金属电池(AFSSLB)是一种通过初次充电形成金属锂负极的新型锂电池,它的负极与正极容量比为1,能使任意锂化正极系统达到最大能量密度。无机固态电解质的引入使无负极锂金属体系兼具高安全性。然而,电池循环过程中的锂离子通量不均导致的界面接触损失和锂枝晶生长会不断加剧,从而造成电池循环容量迅速衰减。本文构筑了纳米化的银碳复合集流体,显著增强了全固态无负极锂金属电池中集流体-电解质界面的性能。使用该集流体的固态电池循环过程中接触良好,界面阻抗为~10Ω·cm^(-2)。从而实现了超过7.0mAh·cm^(-2)锂金属的均匀稳定沉积,并在0.25mA·cm^(-2)的电流条件下实现循环200次以上。

聚合物基全固态锂金属软包电池的设计与性能研究

全固态锂金属电池因其卓越的能量密度和安全性,有望成为下一代高能高安全电池技术首选。然而,由于技术难度大,全固态锂金属电池技术仍停留在电容量低、正极负载量低的微型扣式电池水平。本研究通过突破高温鞣制全固态聚合物电解质膜技术,实现了聚合物基全固态锂金属软包电池(700 mAh,3.7 V,三元层状氧化物正极|聚环氧乙烷基全固态聚合物电解质|金属锂负极)自主小批量制备,并对其进行了系统的性能测试和失效分析。利用X射线断层扫描、离子抛光-扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、气相色谱等表征技术,研究了聚合物基全固态锂金属软包电池中的机械-电化学耦合失效机制;利用绝热加速量热仪测试了电池的热失控过程,表明该电池具有显著的热安全优势。基于以上测试分析结果,本文为全固态锂金属电池提出了未来发展建议,为其性能进一步提升和应用提供了参考和指导。

全固态锂电池热安全性研究进展

随着液态锂电池的广泛应用,热失控现象时有发生,其热安全性成为亟待解决的问题。全固态锂电池以其优异的安全性显示出巨大的应用潜力。该文简要介绍了全固态锂电池的基本概念及组成结构,重点阐述了氧化物、硫化物以及聚合物固体电解质的最新研究进展,并对这3类全固态锂电池的热安全性差异进行了总结,包括固体电解质材料级别、固体电解质与活性材料或锂金属负极混合时界面级别以及全电池级别的热安全性。此外,锂枝晶现象对全固态锂电池安全性的影响仍不可忽视。目前,针对材料和界面级别的热安全性研究众多,但全电池级别的研究较少,且多集中在小容量电池,针对全电池级别的热安全性仍需进一步探究。最后,指出了未来高安全性全固态锂电池的商业化应用应着力于解决全固态锂电池中的关键界面问题以及锂枝晶问题。

全固态硫化物锂电池中NCM正极及其界面研究

采用硫化物电解质的全固态锂电池被视作解决传统液态锂电池安全问题与能量密度提升的最有效方案。正极材料作为锂电池的主要组成部分之一,很大程度上决定着全固态锂电池的基本性能。镍钴锰酸锂(NCM)三元体系正极材料因具备能量密度较高和成本较低的优点,以及与硫化物电解质的可兼容性而受到广泛关注。然而,NCM三元材料存在安全性低、循环稳定性差等缺点,与硫化物电解质接触界面仍存在许多问题亟待解决。因此,分析和研究NCM三元正极材料的结构组成和界面优化,对于提高全固态锂电池稳定性和安全性具有重要的意义。聚焦于当前主流三元正极材料以及与硫化物固态电解质界面问题的匹配性研究,阐述了NCM三元正极材料在全固态锂电池应用中所面临的挑战、解决策略和发展机遇,并对NCM三元正极的进一步发展和应用提出展望。

小型化微片阵列式被动调Q全固态激光器

本文针对无人机空中目标探测系统的空间限制,提出了一种多光束可分路扫描式被动调Q微片阵列全固态激光器的方案,采用六管芯半导体激光器阵列端面紧凑泵浦长条状的Nd:YAG/Cr^(4+):YAG键合晶体,在每一路1.6 W的泵浦功率下,产生了6路波长为1064.4 nm、脉冲宽度为2.4 ns、光束质量为1.39、峰值功率为3.75 kW、重复频率可达22 kHz的输出激光,整个系统的体积仅为2 cm×2 cm×1.5 cm,实现了6路激光同时输出。研究了调Q晶体的初始透过率和输出镜反射率对激光脉冲重复频率和峰值功率的影响机制,重点对泵浦源激光器管芯的出光一致性问题做了深入探讨,通过实验验证了使用一个激光键合晶体产生多路纳秒级窄脉冲激光束的可行性。研究结果以小型化结构实现了被动调Q全固态激光器的多光束出射,对实现激光探测系统光源的小型化和集成化有借鉴意义。

全固态电池电解质研究进展及趋势分析

随着新能源汽车产业的快速发展,市场对锂离子电池提出了更高的要求,传统液态电解液的能量密度达到了瓶颈期。固态电解质不仅能有效解决锂离子电池的安全问题,而且兼具高能量密度、长寿命等特点,是目前新能源领域的研究重点。本文梳理了氧化物、硫化物、聚合物及卤化物固态电解质的发展现状,通过专利分析预测了固态电池技术发展趋势。总结固态电解质目前研究的方向,进一步展望了固态电池的未来发展前景,旨在为相关企业战略布局提供有价值的技术指引。

高性能全固态电池Li_(7-x)PS_(6-x)Cl_(x)电解质中氯含量的优化

在全固态电池快速发展的背景下,硫银锗矿型电解质Li_(6)PS_(5)Cl因其高离子导率、加工性能好等特点备受瞩目。电解质中的氯取代显著影响其离子电导率和稳定性等特性,但调节氯含量对界面影响的研究仍有待完善。本文采用固相烧结法制备了x=1.0~1.5的Li_(7-x)PS_(6-x)Cl_(x)电解质,评估氯含量(x=1.0~1.5所对应的氯摩尔分数分别为25%~37.5%)对其理化性质的影响。此外,基于电解质在电池不同部件中的性能表现,结合X光电子能谱与阻抗弛豫时间分布等,系统评估氯含量对界面与性能的影响。Li_(5.7)PS_(4.7)Cl_(1.3)材料在正极中展现出优秀的倍率性能;而对于电解质层,高氯含量材料Li_(5.5)PS_(4.5)Cl_(1.5)将导致正、负极界面劣化,降低循环性能。通过调控氯含量,可平衡离子电导与界面反应,从而提升综合性能。所组装的LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)@Li_(5.7)PS_(4.7)Cl_(1.3)|Li_(6)PS_(5)Cl|LiIn电池,在20 mg/cm^(2)载量、0.5C倍率循环300圈后仍有132.8 mA·h/g的比容量。

全固态锂电池的产业化和技术研究进展

采用固态电解质代替有机电解液的全固态锂电池具有高安全性和高能量密度等优点,有望成为下一代能量存储设备的解决方案之一。虽然行业内对全固态锂电池发展的趋势普遍持有共识,但目前全固态锂电池产业化仍面临很多挑战,如硫化物电解质的水氧稳定性差和阴极与固态电解质界面问题、氧化物电解质的界面阻抗高和加工性能差以及聚合物电解质室温离子电导率低和电化学窗口窄等关键问题尚未解决,制约全固态锂电池的规模化应用。本文通过调查研究,综述了国内外全固态锂电池的技术发展现状,剖析提出了全固态锂电池技术难点和解决方案,最后,对全固态锂电池未来攻关方向进行了展望。

2μm单纵模全固态脉冲激光技术研究进展(封面文章·特邀)

2μm激光属于人眼安全波段,具有高大气透过率和水吸收特性,能覆盖CO_(2)等温室气体的吸收峰,因此在大气环境监测、光通信、激光雷达、材料加工、医疗手术等领域有广泛应用。其中,单纵模运转的全固态2μm脉冲激光器以其高稳定性、窄线宽和优良的光束质量等优势,可作为多普勒测风、相干差分吸收等激光雷达应用的优质光源,在工业、国防和科研等领域具有重要意义。目前,实现2μm激光输出的主要方法有光参量技术和直接泵浦法。相比光参量技术,直接泵浦法更具高效率、可调节性和集成性等优点,已成为2μm全固态激光的主流方式。文中总结了常用的2μm固体激光增益介质,分析了空间结构振荡器单纵模选择的原理和特点,综述了2μm单纵模全固态脉冲激光的研究进展,并对不同结构激光器的输出特性进行了比较,最后对2μm单纵模全固态脉冲激光的发展前景进行了展望。

LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用

全固态薄膜锂离子电池具有易微型化与集成化等优点,因此,非常适合为微系统供电。负极对全固态薄膜锂离子电池的性能有重要影响。现有电池通常采用金属锂作为负极,然而其枝晶生长问题及低的热稳定性限制了相应电池在工业、军事等高温、高安全场合应用。为此,本文系统研究了LiNbO_(3)薄膜的电化学性能,结果表明:LiNbO_(3)薄膜呈现高比容量(410.2 mAh·g^(-1))、高倍率(30C时比容量80.9 mAh·g^(-1))和长循环性能(2000圈循环后的容量保持率为100%),以及高的室温离子电导率(4.5×10^(-8)S·cm-1)。在此基础上,基于LiNbO_(3)薄膜构建出全固态薄膜锂离子电池Pt|NCM523|LiPON|LiNbO_(3)|Pt,其展现出较高的面容量(16.3μAh·cm^(-2))、良好的倍率(30μA·cm^(-2)下比容量1.9μAh·cm^(-2))及长循环稳定性(300圈循环后的容量保持率为86.4%)。此外,该电池表现出优秀的高温性能,连续在100℃下工作近200 h的容量保持率高达95.6%。研究表明:LiPON|LiNbO_(3)界面不论在充放电循环还是高温下均非常稳定,这有助与提升全电池综合性能。

分布式全固态波形可调高压脉冲发生器研制

为了满足多领域对幅值、脉宽、波形、重复频率等参数的不同要求,基于分布式理念,提出了一种分布式全固态波形可调高压脉冲发生器。该脉冲发生器由多个结构相同的子模块构成,单个模块采用半桥结构的全固态Marx主拓扑,驱动采用磁隔离方案;每个模块具有统一设计的连接端子与通信协议,多个模块可以独立工作,也可以直接串联工作以获得更好的性能。整个装置采用分层式设计,结构紧凑。详细阐述了该发生器的电路拓扑、工作原理与波形产生方法,并搭建了3台8级基本单元的9电平试验样机,串联后可输出25级电平的单极性任意高压脉冲波形,最大输出电压达到16 kV。

金属氯化物固态电解质及其全固态电池研究现状与展望

基于无机固态电解质体系的全固态电池,具有高能量密度、长循环寿命和高安全性等特点,被认为是下一代电化学储能电池中备受期待的候选体系。实现高性能全固态电池的关键在于设计和制备具有高离子电导率、界面稳定且易形变的固态电解质材料。金属氯化物型固态电解质作为一种新兴的材料体系,同时具备氧化物固态电解质的抗氧化性以及硫化物固态电解质的高离子传导率和机械延展性,且制备过程简单,无须严苛的环境和极高的烧结温度,可规模化生产潜力大,正逐渐成为实现全固态电池商业化的技术路线竞争者之一。本文通过对近五年来相关电解质材料研究进展的深入分析,对金属氯化物固态电解质体系的研究现状进行了系统评述,涵盖了其合成方法学、晶体结构学、离子传导机制、性能优化策略、电极-电解质界面兼容性以及实用化可行性分析等多个方面。同时,展望了金属氯化物固态电解质未来可能的发展方向,为基于金属氯化物的高性能全固态电池的研究提供了理论和实验参考。

全固态锂离子电池用硫化物电解质研究进展

全固态锂离子电池用硫化物电解质体系具有离子导电率高、制备方法简易、延展性良好和电化学性能稳定等优点,但距离大规模应用仍有一定难度。综述全固态锂离子电池硫化物电解质的研究现状,介绍包含玻璃态、玻璃陶瓷态和晶态等类型的电解质种类,列举硫化物固态电解质的常见制备方法,总结现有的正极与电解质界面、负极与电解质界面以及电解质自身稳定性等问题及相关解决方案。对硫化物电解质在全固态锂离子电池的应用前景作出展望。

全固态连续拉曼激光器谐振腔结构的设计分析

谐振腔结构参数的选择对激光器性能提升尤为重要。采用ABCD传输矩阵法对连续波全固态拉曼激光器谐振腔的结构设计进行理论分析,详细研究了直线腔和折叠腔两种腔结构中晶体热透镜效应以及腔镜曲率半径、腔长等参数对腔内振荡激光腔模参数的影响。在研究实现振荡基频激光与抽运光斑良好模式匹配的同时,减小拉曼介质中基频激光光斑尺寸,以获得高效率的拉曼转换,提高拉曼激光的输出功率和光束质量。所得研究结果将为优化设计拉曼激光器谐振腔的结构提供参考。

全固态Nd:GdVO_(4)四倍频228 nm深紫外激光器

在室温下实现全固态Nd:GdVO_(4)激光器四倍频228 nm深紫外脉冲输出。本文采用LD端面泵浦912 nm Nd:GdVO_(4)、声光调Q技术和LBO/BBO级联倍频产生228 nm脉冲激光,并通过理论和实验优化激光器参数设计,最终在LD泵浦功率为23.5 W时,重复频率在10 kHz下,获得了平均功率为14 mW的228 nm深紫外光输出,其脉冲宽度为59 ns,光斑呈椭圆形。