高体积能量密度锂硫电池的构建:材料和电极

锂硫电池的出现为高能量密度储能器件的发展提供了机遇,但硫的固有性质也给锂硫电池的性能突破造成瓶颈。碳纳米材料显著改善了硫正极的性能,然而从器件层面上,锂硫电池的能量密度,特别是体积能量密度还远低于预期。高硫含量、致密化硫/碳复合电极设计是解决这一问题的关键,从材料设计出发,实现材料致密化、电极厚密化和器件轻薄化,是未来锂硫电池实现高体积能量密度储能的原则。本文讨论了实现锂硫电池致密储能的研究策略,提出液相组装是实现材料致密化的有效途径,评述了高性能硫/碳复合材料的研究进展,并对锂硫电池致密储能在航天、海洋探测等领域的应用前景进行了展望。

兼具高质量和高体积能量密度的水系全金属氧化物不对称超级电容器（英文）

超级电容器只有兼具高质量和高体积能量密度才能拥有更广泛的应用价值.本文采用具有纳米结构及高填充密度的RuO_2(纳米球,1.69 g·cm-3)和Co-Ni氧化物(纳米片,2.14 g·cm-3)分别作为负极和正极材料,成功地构筑了氧化物非对称超级电容器.所得不对称超级电容器具有高电压窗口、高质量比容量(217.5 F·g-1)和高体积比容量(412.3 F·cm-3)、高质量能量密度(61.8 Wh·kg-1)和高体积能量密度(121Wh·L-1)的优良性能,在1.4 V的电压下以2 A·g-1的电流密度历经5000次循环后比容量保持率为87%.

高体积能量密度石墨烯基超级电容器的研究概述

随着电动汽车和智能器件的快速发展,超级电容器的体积性能相比于质量性能越来越受到人们的关注。为了提高超级电容器的体积能量密度,人们研究了各种新型电极材料,并对其体积性能进行了详细的分析和评价。高密度电极作为超级电容器的核心器件,其具备较高的体积能量密度和优越的倍率能力是提高能量存储的关键。石墨烯具有独特的物理化学性质,被广泛认为是超级电容器理想的电极材料,然而其孔隙率和堆叠密度之间的矛盾制约着超级电容器的体积能量密度。为了平衡石墨烯电极材料的孔隙率和堆叠密度之间的矛盾,人们开展了大量的研究。本文介绍了近年来以致密石墨烯材料作为超级电容器电极的研究进展。从孔隙尺寸、孔隙连接性和复合材料的角度分析不同致密石墨烯基电极材料的设计,并介绍了不同的高能量密度超级电容器的石墨烯基电极材料的制备途径。

一种新的反应路径实现高体积能量密度的锂硒电池

作为硫(S)的同族元素,硒(Se)在化学和电化学性质上与硫类似。应用于二次锂金属电池时,Se作为正极活性物质,通过Se+2Li↔Li2Se的电化学转化进行可逆地锂化和脱锂,具有较高的理论比容量(675 mAh·g^(−1))。虽然其理论比容量低于S(1672 mAh·g^(−1)),但是Se的密度较大,从而其理论体积比容量(3253 mAh·cm^(−3))与S(3467 mAh·cm^(−3))相当1。另外,Se具有远高于S的电导率(Se:≈10−5 S cm^(−1);S:≈10−30 S·cm^(−1)),以及与商用碳酸酯电解液更好的兼容性2–4,这些特性使得锂硒(Li-Se)电池体系有望兼具高功率和体积能量密度。

煤焦油衍生模板碳孔隙重整及高体积电容性能

各类储能器件中,超级电容器因其功率密度高、充放电速度超快、循环寿命长等优点,是电化学储能技术的重要发展方向。其中,多孔碳电极是超级电容的核心材料。然而,传统多孔碳电极材料重点关注高孔隙率和高比面积的实现,从而导致疏松的碳骨架结构,使材料密度降低,进一步限制了超级电容器的体积性能。因此,具有合理孔隙结构和致密骨架的碳电极材料是提升双电层电容器体积性能的关键。以低成本煤焦油为碳源,对基于相转变过程制备的不同模板材料进行包覆后碳化,获得具有致密多孔结构的碳纳米片PCS。该材料中优化的分级孔结构降低了多余的中/大孔占比,使其具有高堆积密度(0.64 g/cm^(3)),可同时实现优异的质量和体积比电容性能。在水系双电层电容器中,制备的PCS电极在低质量负载2 mg/cm^(2)时可以获得277 F/cm^(3)的高体积比电容;在高质量负载8 mg/cm^(2)时,体积比电容仍保持244 F/cm^(3),且最大体积能量密度和功率密度分别为8.46 Wh/L和10.9 kW/L。此外,双电层对称电容器也表现出优异的循环稳定性(超过4万次循环),证明了PCS在双电层电容器高密度储能方面的应用潜力。

多电子转移镁/铝电池体系能量密度热力学计算

镁离子电池和铝离子电池因其高能量密度、地壳储量丰富、安全等优良特性有望成为下一代新型高能量密度储能体系,是未来二次电池研究的热点之一。本文采用热力学方法计算和分析了近300种镁离子和铝离子电池体系的理论质量能量密度、体积能量密度和电压。在所得数据的基础上,以目前商业化锂离子电池正极材料钴酸锂为对比参考,综合考虑质量能量密度、体积能量密度、标准电极电位、毒性、腐蚀性、易燃性、环境友好性等诸多因素,逐步筛选出符合条件的一系列镁离子正极材料(O_2、S、MnO_2、MoO_3、Fe_2O_3、Fe_3O_4、NiO、MoO_2、CuO、Cu_2O)和铝离子的正极材料(O_2、S、MnO_2、MoO_3、NiO、CuO、Cu_2O)。

固定翼民机的新能源关键技术研发现状与展望

新型能源的存储、运输及转化是制约新能源固定翼民机发展的主要“瓶颈”和关键技术,如动力电池的质量能量密度过低导致储能重量过大是制约全电新能源民机发展的“瓶颈”,氢气的体积能量密度过低导致的储能容积过大以及运输困难问题是制约氢能新能源飞机发展的“瓶颈”;可持续航空燃料(SAF)民机的应用则主要受到SAF的转化成本制约。能源到推进的转化(如纯电能推进、氢燃料电池电机推进及油电混动推进)存在的主要问题是高功率密度与大功率电机的研制,使用分布式电推进技术可以部分地解决这类电机问题,但氢燃料电池的质量与体积功率密度仍然是阻碍其在大型飞机上推广应用的主要制约因素,使用氢气作为航空发动机的燃料则不仅存在高压或低温燃料运输及在飞机上存储的技术问题,氢燃料的特殊理化性质也会带来有别于液体碳氢燃料的特殊安全性问题。本文对比和归纳了几种替代能源在民用航空器上应用的可能性,推论得到绿色SAF或液化天然气(LNG)类碳氢燃料,相对直接使用液氢燃料更具可行性,即绿氢与直接大气捕获二氧化碳的化工或生物合成燃料更具可行性,可作为新能源航空器发展的参考和指导。

基于损伤力学的增材制造金属材料疲劳寿命预测

增材制造(AM)技术发展迅速,广泛应用于航空航天领域合金构件的加工制造,而很多增材制造合金构件承受循环载荷,疲劳失效破坏十分普遍。通过建立考虑增材制造过程影响的疲劳损伤模型,计算了增材制造金属材料的疲劳寿命。给出了弹塑性本构模型和考虑增材制造过程参数的疲劳损伤模型,进而给出了疲劳寿命计算的有限元数值方法;对增材制造金属材料进行了疲劳寿命预测,预测值与试验值基本吻合,并从疲劳数据的分散性及增材制造金属材料内部的孔隙率2个方面分析了计算误差;讨论了体积能量密度比对增材制造金属材料疲劳性能的影响,并对结果进行了分析,为增材制造金属材料的疲劳损伤评定提供一种有效的方法。

激光选区熔化制备高熵合金的研究进展

高熵合金因其独特性能优势,使其在航空航天、船舰等领域有着巨大的潜在应用。传统熔炼等制备方式难以满足高自由度设计、低成本等工业化需求。激光选区熔化作为一种典型的增材制造技术,具有高近净成形能力,在制备复杂金属零部件方面存在巨大潜力。本文介绍了高熵合金粉体的制备方式,激光选区熔化制备高熵合金的基本原理及优势特点。归纳总结了国内外关于激光选区熔化制备高熵合金的工艺参数优化、组织性能及后处理工艺研究。指出了解决大尺寸零部件制备、原位合金化研究是激光选区熔化制备高熵合金的下一步发展趋势。

碘化钾调控孔结构的石墨烯及其电化学电容器应用

较低的体积能量密度限制了当前电化学电容器的应用,而提高体积能量密度的关键在于发展具有致密化储能特性的多孔炭材料。目前,毛细致密化已成为平衡多孔炭密度和孔隙率从而提高材料体积比电容的主要方法,但仍在孔结构的精细调控方面存在不足,制约了毛细致密化多孔炭与高电压离子液体的兼容性。本文提出了碘化钾(KI)辅助的毛细致密化策略,通过在石墨烯网络中预载KI来控制毛细致密化过程,实现了对孔结构的有效调控。同时电化学性能表征结果表明KI具有增加离子到达表面积和提供赝电容的作用。基于此,所制碘化钾/石墨烯材料的密度达到0.96 g cm^(-3),在离子液体中的体积比电容为115Fcm^(-3)。由该材料所组装的电化学电容器可以提供19.6WhL^(-1)的体积能量密度。

致密储能:基于石墨烯的方法学和应用实例

“致密储能”,即在尽可能小的体积内存储尽可能多的能量,是解决储能器件“空间焦虑”的必由之路。以石墨烯为基元组装获得的碳材料用作电极关键材料,可促进电化学反应并在优化电极和电池体积性能方面扮演着重要的角色。本文首先总结了二次电池致密储能的重要性及其关键挑战,立足石墨烯致密自组装及其在高体积比容量超级电容器电极中的应用,提出了基于石墨烯的致密储能方法论;基于此着重梳理了高体积性能二次电池,特别是致密型锂离子电池电极中“收放自如”碳网络构建的研究进展,最后展望了实用工况下致密储能体系循环稳定性、快充、热安全等方面问题的应对思路。

锂离子动力电池产业技术发展概述

1概述电动汽车和传统燃油汽车于19世纪末诞生,此后的一个世纪由于电动车的造价较燃油车昂贵,致使电动汽车的发展几近停滞。直到21世纪电池行业的兴起,电动汽车才迎来了研发及生产制造的热潮。全球电动车的存量取决于美国和中国电动车市场的增长与发展。预计到2020年,全球新能源汽车销量将接近500万辆。其中,中国约200万辆、美国约100万辆,2国销量占全球销量的3/5。

二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片的可控合成及其高性能微型超级电容器

石墨烯基二维介孔材料能够有效耦合石墨烯基底、功能化材料和介孔结构的优势,被认为是一种理想的微型超级电容器电极材料。基于此,本文以苯胺为前驱体,氧化石墨烯为二维导向剂,二氧化硅纳米球为介孔模板,采用双模板界面诱导自组装法制备介孔氮掺杂炭/石墨烯(mNC/G)纳米片,并实现了其介孔孔径的精确调控和电化学性能的优化。研究表明,7 nm孔径的介孔氮掺杂炭/石墨烯(mNC/G-7)展现出267 F g^(−1)的高比电容,且应用于准固态平面微型超级电容器表现出21.0 F cm^(−3)的体积比电容和1.9 mWh cm^(−3)的体积能量密度,证明了该二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片在微型超级电容器应用方面具有良好的前景。

天然气管道掺氢对天然气分析计量的影响

天然气管道掺氢输送是现阶段实现氢气长距离输送、规模化使用的有效手段之一,也是天然气工业向“碳中和”目标迈进的重要途径。氢气与天然气中其他常量组分物性差异较大,天然气管道掺氢将影响天然气的物性参数分析计量标准和设备适用性。为此,以3种典型天然气为例,系统分析了天然气物性参数随掺氢浓度的变化趋势,并讨论了天然气管道掺氢对天然气分析计量和相关设备的影响。研究结果表明:(1)当掺氢浓度达40%时,不同天然气的高位发热量、相对密度、沃泊指数、黏度、体积能量密度(10 MPa、20℃)分别下降约27%、35%、10%、20%和40%,压缩因子、声速(10 MPa、20℃)分别上升18%和34%左右;(2)现行天然气产品标准规定的指标限制了天然气掺氢浓度的范围,现有天然气分析计量标准、设备适用的氢气浓度较低,不利于掺氢天然气的准确分析和计量。(3)建议综合各参数确定技术经济性合理的掺氢浓度,修订《天然气:GB 17820—2018》和《进入天然气长输管道的气体质量要求:GB/T 37124—2018》,并开展实验及优化研究拓展分析计量方法、标准和设备的适用范围,合理选用天然气物性参数计算标准。结论认为,天然气管道掺氢对天然气分析计量的影响分析,有助于推动掺氢天然气工业的高质量发展,加快实现“碳中和”具有重要作用。

新能源汽车动力电池模组的设计开发

随着新能源汽车动力电池的能量密度和功率密度越来越高,动力电池模组作为动力电池的模块,电池模组的重量约占整个电池系统的85%,提高电池模组的成组效率尤为重量,电池模组的设计开发是电池pack集成设计的一个重中之重。阐述了动力电池模组的设计开发过程,包括功能分析,结构形式,生产工艺,质量检验和试验验证。

锂离子电池在电动无人机中的应用研究

电池是新能源电动飞机技术发展的关键部件。锂离子电池能量密度高、寿命长、经济性和安全性好,是电动技术发展方向,已经在电动汽车等电动交通运输领域得到了大量应用,在电动飞机技术发展中也有非常好的应用前景。本文介绍了锂离子电池的原理以及电芯能量密度和系统能量密度的概念,研究了锂离子电池应用情况,分析锂离子电池与电动无人机设计原理,提出动力电池系统设计方案,为电动飞机核心动力系统设计提供借鉴。

复合掺杂改性尖晶石型锰酸锂的研制

采用固相合成工艺路线,通过复合掺杂对尖晶石锰酸锂进行改性处理,研究了复合掺杂工艺以及掺杂比例对尖晶石锰酸锂材料性能的影响.实验结果表明:采用两步固相合成,一次合成时掺杂纳米Al2O3、稀土氧化物复合掺杂剂,二次合成时添加少量Nb2O5制备的改性锰酸锂材料的首周放电比容为121.5mAh/g,55℃循环100周容量保持率达到91.4%,材料的体积能量密度达到344.73mAh/cm3.

锂离子蓄电池技术方兴未艾

一、市场呼唤高能高密小型化电池 自十九世纪中叶发明一次性干电池和蓄电池以来,电池已被广泛应用于军事、工业、民用等各个领域。100多年来,从锰干电池、碱锰电池等一次性电池,铅蓄电池和镍镉蓄电等二次电池到水银电池、锂一次性电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池,随着技术进步,几枯几荣,电池产业已发展成庞大的家族,种类繁多、新品层出不穷,许多十九世纪发明的电池现在仍在使用。

新一代高能钠流电池

新一代高能钠流电池ＡＢＢ公司最近开发出新一代高能蓄电池，这种电池与过去的产品相比，其优点是有较高的体积能量密度和重量能量密度，能量比是１０４Ｗｂ／ｋｇ，因而最适合在电动汽车上使用。这种电池采用钠和硫作为反应剂，电池改用液体冷却代替空气冷却，其特点是电...

美国电动汽车电池技术取得突破

美国电动汽车电池技术取得突破武汉电池厂潘汉桥美国特洛伊能量转换装置公司的欧文尼克公司最近宣布，他们研制成功了一种镍／金属氢化物（Ｎｉ／ＭＨ）电池，可在电动汽车上实用。从欧文尼克公司报导的性能数据来看，它确实是电动汽车电池的革命性发展。以普通的铅酸蓄电...