10 GW甘油介质双螺旋Blumlein脉冲形成线

为实现脉冲驱动源的高储能密度和紧凑化,研制了一种以甘油为储能介质,具有中筒螺旋和内筒螺旋的高功率双螺旋Blumlein脉冲形成线(BPFL)。首先,综合绝缘稳定性和储能密度考虑,分别计算BPFL的外线和内线尺寸。利用增加中筒和内筒螺旋的方式增加输出脉宽和形成线阻抗,实现BPFL的紧凑化设计。其次,利用场路协同仿真软件计算形成线内的瞬态场位形变化,结合瞬态场分布分析电压波在形成线内的传输过程,给出外线和内线传输时延的仿真结果。在此基础上,对中筒螺旋匝数、内筒螺旋匝数,以及开关电感等影响输出波形质量的情况进行详细分析。最后,根据仿真优化结果搭建基于双螺旋BPFL的10 GW实验平台。利用脉冲变压器对BPFL充电600 kV,在10 Hz重频条件下运行10 s,于50Ω负载上产生峰值电压712 kV、半高宽136 ns的准方波脉冲,单脉冲能量与BPFL体积比达到10.8 kJ/m^(3),脉冲平顶峰峰值抖动为3.8%,与仿真结果吻合度较高。

一种大电流三电极气体火花开关的工作特性

根据强流电子加速器的需要,研制了一种大电流三电极气体火花开关。开关采用防污染设计,将开关电极与金属腔体一体化,并采用金属挡板对绝缘封盖进行防污保护,从最大程度上减小了开关工作时对绝缘支撑物的污染,提高了开关寿命,并且对开关工作特性进行了实验研究。研究结果表明:当开关工作气压为0.10、0.15、0.20和0.25MPa时,其可控工作电压范围分别为25%～94%、38%～86%、40%～88%和44%～88%,具有可控工作电压范围宽的优点;当开关工作气压为0.25MPa、工作电压为40kV、欠压比为88%时,开关时延为50ns,抖动为1.28ns且分散性<3%,该开关已成功用于强流电子加速器系统且运行稳定可靠。

高电压长寿命型气体火花开关的设计及初步研究

根据强流电子加速器的需要，研制了一种高电压长寿命两电极气体开关。该开关采用防污染设计，将开关电极与金属腔体进行一体化设计，并采用金属挡板对绝缘封盖进行防污保护，从最大程度上减小了开关工作时电极材料喷射对绝缘支撑物的污染，提高了开关寿命。运用ANSYS软件优化设计了电极结构。该开关在0．1～0．2MPa气压条件下，工作电压为32～42kV，单次脉冲电荷转换量0．38～0．48C，工作稳定。

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。

碳质材料在锂硫电池中的应用研究进展

随着石墨负极的成功商用,锂离子电池在智能手机、笔记本电脑等便携式电子设备中已得到广泛的应用。经过20多年的发展,现有基于嵌锂化合物正极的锂离子电池已接近其理论容量,但仍不能满足高速发展的电子工业和新兴的电动汽车等行业的要求,寻找具有更高能量密度的电池系统迫在眉睫。锂硫电池系统具有极高的理论能量密度,在多种储能系统中是最具潜力的一种二次电池。但是锂硫电池中也存在硫的电导率极低、多硫化物溶解迁移等问题,使其在走向实用化的过程中遇到许多困难。纳米碳质材料在新型锂硫电池的开发过程中处于重要地位,通过纳米炭的引入,可以获得导电复合正极材料,控制多硫化物的穿梭,从而有望实现正极硫材料的高效利用。综述了基于纳米炭-硫复合正极材料,尤其是碳纳米管、石墨烯、多孔炭以及其杂化物等材料复合的电极,分析其结构与锂硫电池性能的关系,并展望锂硫电池的发展方向。

紧凑型Marx发生器高功率微波源研究进展

紧凑型Marx发生器不但体积小,重量轻,而且能量效率高,能以一定的重复频率运行,在窄带、宽带和超宽带高功率微波源中获得了广泛的应用。这种类型的高功率微波源是近几年来国内外的研究热点和重要发展方向。对国内外基于紧凑型Marx发生器的高功率微波源的研究进展进行了系统介绍,评述其输出参数和结构特点,并探讨其发展趋势,为正确把握基于紧凑型Marx发生器的高功率微波源的发展动态、科学探索其技术路线提供参考和依据。

一种结构紧凑重频高压ns脉冲电源的设计

为了满足介质阻挡放电、臭氧制取和材料表面处理等工业应用需求,设计了一种结构紧凑重频高压ns脉冲电源,该脉冲电源主要由初级能源、磁芯脉冲变压器,螺旋脉冲形成线和气体开关组成。通过电路和电磁场理论分析、TPpice电路仿真及KARAT程序模拟计算,该电源在阻抗约25Ω时能够输出100 kV,脉冲宽度>150 ns,重复频率能够达到1 kHz的高电压脉冲。该电源结构紧凑,造价低,并且输出脉冲的上升前沿<20 ns,具有重要的应用前景。

刻槽绝缘子真空表面闪络特性分析

基于一台长脉冲低阻抗强流相对论电子束加速器,对聚四氟乙烯、高分子量聚乙烯和聚碳酸酯在真空百ns高压脉冲下的绝缘特性进行了测量,重点研究了周期刻槽结构对材料绝缘强度的提升能力。实验表明:刻槽结构的引入可以有效地提高介质材料的闪络时延;聚碳酸酯是3种材料中比较优越的一个,刻槽处理可以使其闪络延时获得90%左右的提升。扫描电镜分析的结果也表明材料的表面特性是影响介质样品闪络时延的一个重要因素。

脉冲形成线中筒与外筒间电感对二极管电压的影响

从理论上分析了脉冲形成线中筒与外筒之间的连接电感对二极管输出电压的影响,使用Pspice软件对理论计算结果进行模拟验证,并利用水介质螺旋脉冲形成线型电子束加速器进行了实验研究。理论分析、软件模拟和实验结果均表明:中筒与外筒之间过大的电感可使输出电压脉冲的平顶变短,上升沿时间延长,波形峰值降低。当连接电感小于200 nH时,可在加速器场发射真空二极管上输出接近方波的电压脉冲。

强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究

强流电子束加速器运行时,临近的计算机和示波器会发生黑屏,这是由于在该过程中产生了较强的电磁辐射干扰。采用实验研究的方法,对实验室研制的强流电子束加速器产生的电磁辐射进行了测量和分析。结果表明:强流电子束加速器产生的电磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气体主开关自击穿导通3个过程。其中,初级气体开关导通时辐射的电磁波强度较大,其强度最大处在与开关相同高度的位置。此外,强流电子束加速器在运行过程中的电磁辐射为低频辐射,主频为21MHz。

刻槽绝缘子真空表面闪络光学特性

利用超高速相机Hsfc-Pro对绝缘子真空表面闪络光学特性进行了研究,重点分析了平板和刻槽结构圆盘形介质样品在指状电极下闪络通道的差异以及刻槽结构对材料绝缘强度的提升。实验结果表明:槽纹的引入改变了闪络通道的形成位置,平板结构介质样品的表面闪络一般是沿两电极中心连线发展,而刻槽结构介质样品的表面闪络则是沿介质边缘发展。这导致后者的闪络时延至少是前者的π/2倍,证明了刻槽结构可以在不增加器件尺寸的前提下有效提高介质材料的绝缘强度。

结构紧凑陶瓷电容器型脉冲调制器

设计了一种结构紧凑的陶瓷电容器型脉冲调制器，对其电路进行了理论计算，分析了主要参数对调制器输出波形的影响，并用PSpice软件建立电路模型进行验证，模拟结果与理论计算结果相符较好。该调制器能够产生上升前沿小于10ns、脉宽30-40ns、幅度为100-200kV的可调高电压脉冲。该调制器用陶瓷电容器作为储能器件，用SFs作为绝缘介质，是一种无液体的脉冲调制器，具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点。

锂枝晶的原位观测及生长机制研究进展

随着人们对储能设备需求的日益增加,开发高能量密度的二次电池受到了广泛的关注。金属锂以其低密度、高理论比容量、最低的还原电势等优势成为高性能二次电池电极材料的首选。然而,枝晶生长及其随之而来的电池安全隐患和循环寿命的降低严重困扰着金属锂负极的实际应用。通过原位观测金属锂枝晶生长行为,探究其生长机理与影响因素,有助于提高金属锂电池的安全性、利用率和循环寿命。本文综述了金属锂电池原位观测方面的研究进展,总结了现有的原位实时观测装置,锂枝晶的原位观测现象以及模拟模型,最后对锂金属枝晶原位观测的下一步发展进行了展望。

柱状金属锂沉积物:电解液添加剂的影响

二次电池的能量密度已成为推动电动汽车和便携式电子产品技术向前发展的重要指标。使用石墨负极的锂离子电池正接近其理论能量密度的天花板,但仍难以满足高端储能设备的需求。金属锂负极因其极高的理论比容量和极低的电极电位,受到了广泛关注。然而,锂沉积过程中枝晶的生长会导致电池安全性差等问题。电解液对金属锂的沉积有着至关重要的影响。本文设计了一种独特的电解槽体系来进行柱状锂的沉积,研究了不同电解液体系(1mol·L^(-1)LiPF6-碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(EC/DEC,体积比为1:1)、1 mol·L^(-1) LiPF6-氟代碳酸乙烯酯(FEC,体积分数5%)-EC/DEC (体积比为1:1))对金属锂沉积的影响。对两种电解液中金属锂沉积物长径比的研究表明,电解液的组分可以显著地影响金属锂的沉积形貌,在加入氟代碳酸乙烯酯(FEC)添加剂之后,柱状锂的直径从0.3–0.6μm增加到0.7–1.3μm,长径比从12.5下降到5.6。长径比的降低有助于减小金属锂和电解液的反应面积,提高金属锂负极的利用率和循环寿命。通过考察循环后锂片的表面化学性质,发现FEC的分解增加了锂表面固态电解质界面层中氟化锂(LiF)组分的比例,提高了界面层中锂离子的扩散速率,减少了锂的成核位点,从而给予锂核更大的生长空间,降低了沉积出的柱状锂的长径比。

第一性原理计算在锂硫电池中的应用进展评述

与传统的锂离子电池相比,锂硫电池具有高能量密度而被认为是一种理想的下一代储能器件。但多硫化物的"穿梭效应"、电解质的不稳定、金属锂枝晶的生长等问题严重阻碍了锂硫电池的实际应用。第一性原理计算等理论研究方法的兴起,促进了对锂硫电池关键科学问题的理解及其实用化进程。本文基于密度泛函理论、Hartree-Fock方法、从头算分子动力学模拟等广泛应用的理论方法,综述了第一性原理计算在锂硫电池正极、电解质、负极中的具体应用以及对解决锂硫电池关键科学问题的作用,并阐述了其未来在锂硫电池研究领域的发展空间。

两节反谐振式网络输出方波脉冲的参数计算

研究了反谐振式脉冲形成网络的紧凑化、小型化问题。介绍了两节反谐振式网络的组成和特点,并建立了相应的电路模型,运用电路的拉普拉斯变换和方波的傅里叶级数展开,通过波形拟合和参数对比的方法,找到了一种解决此类型电路输出方波脉冲的参数计算方法。模拟仿真结果显示:此网络输出的方波脉冲平顶约占整个脉冲时间的1/4且基本无抖动,前沿约占整个脉冲时间的1/7,半高宽约占整个脉冲时间的5/7。利用此方法设计了一套实验装置,并进行了初步的实验探究,实验结果表明:利用两节反谐振式网络可获得输出波形质量较好的百ns级方波脉冲输出,与理论分析结果基本一致。

柔性锂金属电池用无枝晶生长的碳基复合锂电极

柔性储能器件是推动柔性电子器件持续发展的关键动力,也是展示储能技术的高端平台。金属锂负极具有极高的比容量、最低的还原电势以及优异的机械柔性,是高比能二次电池最有前景的负极材料。然而,采用金属锂构筑柔性的锂金属电池易在负极侧产生锂枝晶,带来电池安全隐患和较低的循环寿命,阻碍锂金属电池的实际应用。本文采用石墨烯和金属锂复合形核柔性复合电极,通过碳骨架中引入的杂原子诱导金属锂均匀成核,实现负极侧无枝晶生长,并展示了其在柔性高比能锂金属电池中的应用。

基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源初步研究

设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源,其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器,用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能,再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源,初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时,该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号,脉宽约194 ns,验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性,为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。

电容储能型重频强流电子加速器控制系统

针对电容储能型重频强流电子加速器对自动控制的要求,研制了一套基于LabVIEW和PIC单片机的远程触发控制系统。本系统用普通的数据采集卡和单片机硬件实现了复杂的电路控制和时序控制,具有信号采集、调用表格数据、控制晶闸管触发等功能,以实现储能电容对变压器原边电容的稳定谐振充电。将该控制系统应用在重频强流电子加速器平台,重复频率运行时,能够保持原边电容充电的一致性和稳定性,系统长时间运行可靠、稳定、抗干扰能力强。

全固态锂硫电池正极中离子输运与电子传递的平衡

全固态锂硫电池可抑制锂枝晶生长,且可避免多硫化物穿梭等问题,被认为是极具前景的下一代储能体系。固态正极中活性物质硫的绝缘性,使得电化学氧化还原需要离子传输和电子传递网络的双连通。而如何平衡固态正极中离子输运与电子传递路径是实现电池稳定运行的关键。面向未来高比能储能体系,本文在40%(质量分数,下同)的高硫含量复合正极中,通过调控复合正极中电子导体碳纳米管(CNT)与离子导体Li10GeP2S12(LGPS)相对含量,借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)与拉曼测试以及电化学测试与表征等,考察不同CNT与LGPS比例下硫正极的电子导率与离子导率,并通过对比硫正极的首圈放电容量以及在第二圈的容量保持率,从而探索正极设计的离子通路与电子通路的最优平衡条件。结果表明,硫正极中LGPS电解质含量低时,锂离子传输受阻;当LGPS电解质含量高时,电子传递阻力大且反应活性界面有限。因此,综合对比放电容量与容量保持率,可以得出40%高硫含量正极中,离子输运与电子传递的最优平衡条件是CNT和LGPS的含量分别为15%和45%,此时全固态锂硫电池首圈放电比容量621 mA·h/g,容量衰减率为3%。