火焰喷雾热解制备锂离子电池三元正极材料研究进展

电化学储能技术的发展与电动汽车的大规模应用可有效降低碳排放;锂离子电池能量密度高,循环寿命长,是锂电储能技术与电动汽车的核心部件,其容量的提升主要受到正极材料的限制;锂离子电池三元正极材料具有污染小、成本低、性能高、容量大等方面的优点。传统液相法和高温固相法制备三元正极材料步骤烦琐、耗时长,不利于工业放大;火焰喷雾热解方法(flame spray pyrolysis,FSP)可一步制备三元正极材料,合成效率高,合成过程中无废液产生,对环境友好且易于工业化放大生产,近年来受到广泛关注。本文综述了近几年FSP方法制备三元正极材料的研究进展,首先简要介绍了FSP的发展简史、基本原理、典型装置和主要优势,其次展开分析了前体溶液组成、温度条件以及退火条件等制备条件对三元正极材料组成、结构、微观形貌以及电化学性能的影响,然后简述了FSP在三元正极材料改性和沉积技术方面的最新研究进展,最后展望了FSP制备三元正极材料的未来发展趋势。

火焰喷雾热解法生产锂离子电池高镍三元正极材料的技术经济分析

正极材料约占锂离子电池制造成本的三成,是影响动力电池价格的主要因素;采用火焰喷雾热解法生产三元正极材料能耗低、设备少,可降低锂离子电池的制造成本。本文研究的主要目标是定量评估采用火焰喷雾热解法生产高镍三元正极材料的技术经济可行性。计算火焰喷雾热解法生产LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O(2)(NCM811)的原料、燃料、排放产物质量流量和盈亏平衡条件下的最低销售价格,并与传统共沉淀法比较。技术分析中物料与能量平衡计算结果表明,火焰喷雾热解法可使CO_(2)排放、电力消耗和用水消耗分别降低约41%、85%和29%。经济分析结果显示,盈亏平衡条件下NCM811材料的最低售价为221.1 CNY/kg,较当前市场销售价低约18%。最后,针对材料最低售价的敏感性分析结果显示,原材料成本是最敏感的因素,当原料价格降低25%时,盈亏平衡点售价可达172.0 CNY/kg。

促进氨燃料转化的预裂解器反应动力学分析

在国家双碳背景和节能减排要求下,以氨为燃料的微型燃气轮机是氨利用的热门方向。但其火焰稳定性差和NOx排放等问题亟待解决。设计燃烧器底部燃料喷射和旋流方式,加入旁通管路,利用燃烧器外壁热量使部分氨预裂解为氢气和氮气以强化燃烧。优化氨热解反应动力学模型并利用AnsysChemkin-Pro软件模拟温度和流速对旁路氨转化率的影响。结果表明,当温度达到1500K时,氨开始出现明显裂解行为;在1500~1800 K之间,氨转化率随温度升高迅速升高;当温度高于1800K后,氨转化率超过85%。流速的变化也会影响转化率,但明显小于温度的影响。同时,对不同温度下氨裂解反应路径开展敏感性分析,结果表明氨裂解反应路径受温度影响,在1700 K温度下,反应NH_(3)+NH_(2)⇋N_(2)H_(3)+H_(2)对氨裂解促进效果最显著。结论验证了使用部分预裂解氨稳定燃烧的可行性,可为下一步研究氨单一燃料在微型燃气轮机的稳定燃烧和降低排放提供理论支持。

一种螺旋翅片式相变储热单元的储热优化模拟

列管式换热器在相变储热领域应用广泛,但由于部分相变材料热导率偏低,导致相变换热器的换热性能较差,因此提高相变储热单元的换热效率从而缩短固液相变时间是研究重点之一。本文开展列管式相变储热单元储热过程的三维非稳态模拟工作,研究了翅片型式、螺旋翅片厚度、数目及螺旋周期对储热性能的影响规律,并探讨了相变材料熔化过程中平均温度、液相率以及储热量的变化趋势。模拟结果表明,与平板翅片相比,螺旋翅片储热单元熔化时间可缩短12.21%;随着螺旋翅片的厚度、数目、螺旋周期增加,虽储热量略降,但相变材料的熔化时间缩短,换热性能不断提升。

碳酸盐/高炉矿渣定型复合相变储热材料的制备与性能

碳酸盐(Na_(2)CO_(3)和K_(2)CO_(3))是极具潜力的高温相变材料,高炉矿渣(blast furnace slag,BS)作为基体材料兼具环境和经济效益,但是碳酸盐在高温熔融状态下通常会与高炉矿渣发生反应。为此,本工作发展两步法制备路线以攻克这一问题。首先,使用碳酸盐对高炉矿渣进行改性,得到化学性质稳定的改性矿渣(modified blast furnace slag,MBS);其次,通过混合烧结法制备碳酸盐/改性矿渣定型复合相变材料(form-stable phase change materials,FSPCMs)。经过冷热循环测试制备的K_(2)CO_(3)/KMBS复合相变材料比Na_(2)CO_(3)/NMBS的定型效果更优。分析发现,K_(2)CO_(3)与KMBS具有良好的化学相容性,随着K_(2)CO_(3)含量增加,K_(2)CO_(3)/KMBS定型相变材料的潜热逐渐增加,且测试结果与计算一致,在质量比4∶6(40K_(2)CO_(3)/60KMBS)时,潜热为94.8 k J/kg,且热稳定性最好。

泡沫金属复合PCM微结构传热储热过程模拟

以石蜡作为相变材料(PCM),采用六面通圆孔三维结构模型,对泡沫金属复合PCM内相变熔化过程进行了数值模拟。研究了不同材料(Cu、Al、Ni、Fe)泡沫金属孔密度和孔隙率对复合PCM传热和储热性能的影响。结果表明,泡沫金属复合PCM传热过程受热传导和自然对流作用综合影响;随孔密度增加,复合PCM完全熔化时间缩短幅度逐渐减小,且泡沫金属热导率越高,孔密度对传热速率影响越大;泡沫金属复合PCM内存在非热平衡现象,孔密度和孔隙率增加均可减小最大平均温差,但对最终平衡时间的影响却截然不同;此外,泡沫金属复合PCM单位质量储热密度随孔隙率增大而增大,相比泡沫Cu、Ni、Fe复合PCM,泡沫Al复合PCM的单位质量储热密度较大,增加速率也较大。

无钴富镍正极材料的火焰辅助喷雾热解合成与性能研究

锂离子电池富镍三元正极材料因其成本低、容量高的优势受到广泛关注,受限于钴的高毒性、低储量,富镍正极材料无钴化成为锂离子电池未来的发展趋势。传统液相法制备无钴富镍材料存在步骤繁琐、耗时长、副产物多等问题。火焰辅助喷雾热解(FASP)方法可一步合成正极材料,具有设备简单、耗时短、环境友好等优点。采用FASP方法制备LiNi_(0.8)Mn_(0.2)O_(2)(NM82)无钴富镍正极材料,探究合成条件对NM82结构、形貌和电化学性能的影响。结果表明,FASP可一步合成NM82正极材料,且其在载气流速1.5L/min、锂过量10%、退火温度800℃条件下的锂镍混排水平最低,放电比容量最高,在0.1C倍率下达到180.2mA∙h/g。

太阳盐/钢渣定型复合相变储热材料的制备与性能研究

全球范围内的能源短缺和环境污染问题迫使人们积极开发可再生新能源。储热技术是解决新能源不稳定性问题的关键技术。相变材料是重要的储热介质之一。熔盐相变材料因其储热密度高,可操作温度范围广的优势,成为储热材料领域研究的热点。为解决熔盐液相易泄漏、低导热和高成本的问题,选择钢渣为基体材料,制备了太阳盐/钢渣定型复合相变储热材料,并通过扫描电子显微镜(SEM),热重–差示扫描量热法(TG–DSC),闪射法导热仪(LFA)和X射线衍射仪(XRD)对复合材料的微观结构、热性能和化学相容性进行了测试与表征。结果表明,钢渣与熔盐质量比5:5的复合材料定型效果最优。复合材料结构紧密;钢渣与熔盐化学相容性良好;复合材料潜热为64.0 kJ/kg,100~500℃内储热密度为945 kJ/kg,热导率高达2.23 W/(m·K)。太阳盐/钢渣复合相变储热材料不仅有利于储热技术的大规模应用,而且为钢铁工业废弃物回收利用提供了良好的参考,对节约资源、保护环境以及提高经济效益具有重要的意义。