可充电锌空气电池双功能催化剂的研究进展

可充电锌空气电池具有能量密度高、环境友好、安全性好和成本低等优势,是非常有前景的新型储能体系,但面临着能量转换效率低、充放电稳定性差和电流密度低等缺点,需开发可同时催化氧还原反应/析氧反应的高催化性能双功能催化剂。现有的双功能催化剂存在贵金属催化剂价格昂贵、非贵金属催化剂稳定性差和碳载体腐蚀严重等问题。综述了近年来双功能催化剂作为空气电极在可充电锌空气电池中的应用进展,包括金属-有机骨架基催化剂、无金属基碳催化剂、金属基催化剂,分析了它们的优缺点,提出了双功能催化剂的一些设计思路,最后对双功能催化剂未来的研究和应用方向进行了展望。

α-MnO_(2)作为先进的双功能ORR/IOR电催化剂构建可充电锌空电池

析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)和氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)是可充电锌空电池(rechargeable Zn-air batteries,RZABs)重要的两个反应。其中,析氧反应具有较高的热力学平衡电位和复杂的反应路径,实际应用中需要高的充电电压驱动其发生,这将带来一系列问题并且限制了RZABs的商业化应用。基于此,本研究构造α-MnO_(2)并作为ORR/IOR双功能催化剂。在碱性体系中引入反应改性剂KI,α-MnO_(2)对碘离子氧化反应(iodide oxidation reaction,IOR)具有更低的阳极氧化电位和更快的催化动力学。当1.0 mol/L KOH电解液中添加0.5 mol/L KI时,相比于OER(1.709 V@10 mA/cm^(2)),α-MnO_(2)在IOR过程中电流密度达到10 mA/cm^(2)时阳极电位减小了398 mV(1.311 V vs.RHE),且表现出低至57.5 mV/dec塔菲尔斜率。相对于与Pt/C,在含有KI的KOH电解液中,α-MnO_(2)表现出与Pt/C相媲美的ORR活性。此外,以α-MnO_(2)为空气电极组装成RZAB后,该电池也表现出了优异的充电活性和良好的循环寿命,在5 mA/cm^(2)电流密度下,充放电电压间隙由0.97 V缩减为0.61 V,能量转换效率由54.9%提升至66.2%。

可充电锌离子电池共晶电解液的研究进展

可充电锌离子电池(RZIBs)因高安全性、低成本以及环境友好等优势广受关注。但传统水系电解液中水的高活性导致锌负极在循环过程中面临着枝晶和副反应问题,限制了RZIBs的发展。共晶电解液通过氢键和配位效应调节Zn^(2+)离子溶剂化结构中水分子数量,有效解决了上述问题。此外,其具有合成简单、无腐蚀性和环境友好等优势,在RZIBs领域备受关注。介绍了共晶电解液的基本原理和定义,然后重点阐述了共晶电解液在RZIBs中的应用现状,最后对共晶电解液的发展前景进行了展望,为制备出优异的共晶电解液提供了重要思路。

基于Petri网的无人机可充电传感器网络优化

为解决地面移动充电车难避障、易受干扰,以及数据收集受充电时间影响大的问题,提出包含一架数据收集无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)和多架充电无人机的网络架构。首次提出广义同步连续自控Petri网系统(generalized synchronizing continuous cyber Petri net system,GSCCPNS),用于建立无人机的能量传输和运动控制模型,从可视化和数学两方面刻画网络的决策控制、能量流动和飞行轨迹。首先,利用等边三角形簇头覆盖法确定网络锚节点数量和节点总体能耗。然后,为了使无人机充电收益最大化,在传统模拟退火算法的基础上,引入局部搜索和交叉算子,并结合Petri网提出Petri模拟退火(Petri simulated annealing,Petri-SA)算法。大规模仿真表明,死节点比例降低11%~26%,飞行能耗降低7%~17%。

有机硫化物在可充电电池中的研究进展

近年来,有机硫化物因具有结构灵活、种类繁多、资源丰富和环境友好的特点而在储能领域得到广泛应用,并展示出较大的发展前景.有机硫化物在充放电过程中会发生硫-硫(S—S)键的可逆断裂和形成,分子中S—S键的数目决定了电子转移的多少,而有机基团可以影响电池的电化学行为.本文综合评述了有机硫化物在可充电电池中的研究进展,主要包括有机硫小分子和聚合物正极材料在可充电锂电池中的应用,有机硫电解液添加剂对锂-硫(Li-S)和锂-硒(Li-Se)电池性能的影响及有机硫材料在其它可充电电池中的应用等4个方面.这些结构可调的有机硫化物展示出优异的循环稳定性,改变了传统Li-S和Li-Se电池的氧化-还原路径,参与正负极固体电解质界面的形成,能抑制多硫化物的穿梭效应,阻止锂枝晶的生长.最后,讨论了有机硫化物在可充电电池领域未来研究发展中面临的挑战.

无线可充电传感器网络下的高维多目标动态充电规划

随着无线充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Networks,WRSNs)的出现,针对延长无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)的寿命问题,大量的研究者们提出了多种充电方案.然而大多数充电方案都属于离线的,没有考虑充电路径规划会随着新需充电节点的加入而发生动态变化的多时间窗问题.因此,针对上述问题,本文提出了高维多目标动态充电路径方案模型.通过最小化路径距离、死亡节点数量、通信延迟以及最大化无线充电车(Wireless Charging Vehicle,WCV)剩余能量,以减少死节点数量,延长WRSNs的生命周期.同时为求解该动态模型以及适应路径编码方式和响应环境变化,通过引入改进的进化策略和环境响应机制到强帕累托进化算法2(The Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2,SPEA2)中,提出了改进的SPEA2.仿真实验结果表明,该动态模型和改进算法能够有效地延长WRSNs的生命周期.

碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用

具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co_(3)(OH)_(2)(HPO_(4))_(2)(Co-OH-HPi)。研究表明:Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co(Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^(-2)电流密度下816 mAh·gZn^(-1)的大放电比容量和150 mW·cm^(-2)的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。

日本东京科学大学开发出可充电镁电池正极材料

很多元素都可以作为可充电电池的高效能量载体,其中镁(Mg)是具有前景的一种。除了安全性和丰度外,镁电池容量潜力大,但首先要解决镁离子电压窗口低以及镁电池材料循环性能差等问题。为了解决这些问题,日本东京科学大学的Yasushi Idemoto教授领导的研究小组一直在寻找用于制造Mg电池的新型正极材料,长期以来他们专门从事基于镁-钒体系正极材料性能改进的研究。

日本研发新型全固态可充电空气电池

电池负极活性材料通常为金属。最近有人利用具有氧化还原活性的苯醌基或胺基有机化合物,作为可充电金属-空气电池上质子和氢氧根离子进行氧化还原反应的负极材料。这种电池表现了极佳性能,其容量接近理论上的最大值。此外,在可充电空气电池中,使用具有氧化还原活性的有机分子,不会出现金属枝晶等问题,枝晶会影响电池性能,也不安全。

可充电钠离子电池隔膜研究进展

介绍了可充电钠离子电池的工作机理及其在成本、寿命、安全和大规模储能等方面的优势。简述了隔膜性能对电池的电化学性能、耐用性及安全性的影响。回顾了近几年钠离子电池隔膜的研究进展,包括聚烯烃微孔膜、玻璃纤维膜、聚合物电解质膜、静电纺丝膜、纤维素基隔膜和阳离子交换膜等,并分析了各自的优缺点。讨论了隔膜产业化过程面临的问题尤其是在安全方面面临的挑战,指出电解质润湿性更佳、离子电导率更高、耐枝晶性更强、热稳定性更好是隔膜研究的方向。

基于数字技术的可充电保暖登山服设计

针对登山服生产端存在的设计修改频次高、周期长和服装美观性不足以及当下登山服不能满足消费者多维度需求的问题,从登山服功能、电子原件电路、登山服服装本体3个板块对登山服进行设计,并依托Style 3D软件进行3D可视化模拟,提出基于数字化技术的可充电保暖登山服的设计及实践路径。结果表明:融合数字技术可实现充电保暖登山服的三维设计,虚拟仿真设计出具有可充电、保暖等功能的智能户外登山服,有望解决登山服在前期设计和生产过程中存在的问题。

日本东北大学在长寿命钙基可充电电池的研发上取得突破性进展

随着电动汽车和电网储能系统使用的增多,替代锂离子电池(LIBs)的探索更加迫切,钙(Ca)金属电池是其中的一种。作为地壳中丰度第五的元素钙,唾手可得且价格低廉,能量密度要比LIBs高。此外,钙离子在电解质中的快速传输以及在正极材料中的快速扩散特性,使钙离子电池(替代LIB)比镁和锌更具优势。

无人机辅助的无线可充电传感网充电路径规划方案

针对传统无线可充电传感网(WRSNs)存在传感器节点较为分散导致的充电效率低问题,提出了一种基于对WRSN进行分簇的无人机(UAV)充电路径优化方案(Optimized Charging Path Scheme, OCPS).方案首先将目标区域根据聚类算法划分为不大于充电器最大可覆盖范围的子区域并称其为簇;然后确定各簇区域锚点以及优先级并对充电最优路径进行选择;最后借助无人机给所有簇内传感器节点充能并返回充电中心(Charge Center, CC).仿真实验验证了方案的可行性,实验结果与AEC、MUC方案相比,OCPS方案的充电效率分别提高了约19.5%、27.9%,平均饿死节点数分别降低0.3、1.2个.与CRP、HCCA方案相比,OCPS的飞行长度与充电时长都有明显缩短.

卤素水系可充电电池的研究进展

简单介绍了卤素水系可充电电池的优势以及所面临的困难,详细综述了近年来卤素水系电池电解液和相关电极材料的一些研究进展,结合卤素水系电池面临的挑战,将研究策略进行分类总结,主要包括提高电解质中盐浓度、电极材料的“化学吸附”、引入络合剂固定卤素的氧化产物以及通过卤素转换形稳定的卤间化合物等有效解决方案,其中对卤素水系电池电解质、电极材料以及主要的电化学性能总结,为促进高性能卤素水系电池的发展提供借鉴参考作用。最后展望了卤素水系电池未来的发展前景。

锂离子电池——可充电的世界

锂离子电池创造了一个可充电的世界.锂离子动力电池的升级换代,有利于实现2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标.本文简介了锂的基础知识,回顾了锂离子电池研发历程,说明了锂离子电池结构、原理、特点,并提供了一个物理教学片段.

无线可充电传感器网络中充电规划研究进展

传感器网络作为当代信息获取的重要手段之一,受到各国各界的广泛关注.在传感器网络中,能量问题一直是限制其广泛应用的重要约束和挑战.由于无线充电技术和智能移动节点的发展,使得综合使用这两种技术能够彻底解决传感器网络中的能量问题.这类采用无线充电方案的传感器网络称为无线可充电传感器网络.其中,充电规划影响无线可充电传感器网络在解决能量问题时的成本和效果,因此成为研究的热点.综述了最近几年无线可充电传感器网络研究中充电规划设计,从软、硬件层面的6个不同维度对这些方案进行分类概述和对比分析,总结在不同应用场景下进行充电规划设计的一般性思路,并通过3个实例进行演示,验证该设计思路的易用性和实用性.

无线可充电传感器网络中能量饥饿避免的移动充电

无线可充电传感器网络(wireless rechargeable sensor networks,简称WRSN)中,如何调度移动充电器(mobile charger,简称MC),在充电过程中及时为传感器节点补充能量,尽量避免节点能量饥饿的同时降低MC充电代价及节点平均充电延迟,成为无线充电问题的研究挑战.大多数现有WRSN充电策略或是不能适应实际环境中传感器节点能量消耗的动态性和多样性,或是没有充分考虑节点及时充电问题和MC对充电响应的公平性,导致节点由于能量饥饿失效和充电策略性能下降.当网络中请求充电的节点数量较多时,节点能量饥饿现象尤为明显.为此,研究了WRSN中移动充电的能量饥饿问题,提出了能量饥饿避免的在线充电策略(energy starvation avoidance online chargings cheme,简称ESAOC).首先,根据各节点能量消耗的历史统计和实时值计算当前能量消耗率.接着,在调度MC时,根据当前能量消耗率计算各请求充电节点的最大充电容忍延迟和当某节点被选为下一充电节点时各节点的最短充电等待时间,通过比较这两个值,始终选择使其他待充电节点饥饿数量最少的节点作为充电候选节点以尽量避免节点陷入能量饥饿.仿真分析表明:与现有几种在线充电策略相比,ESAOC不仅能有效解决节点的能量饥饿问题,同时具有较低的充电延迟和充电代价.

多基站可充电无线传感器网络建模及优化研究

研究问题为引入无线能量补给设备后,多基站无线传感器网络的跨层优化问题。以设计无线传感器网络中的数据路由、传感器节点的功率控制及无线能量补给设备的工作策略为研究目标,通过提出无线传感器网络中传感器节点活跃度的概念,分析无线传感器网络物理层与网络层需要满足的约束条件,结合无线能量补给设备需要满足的约束条件,提出可充电无线传感器动态网络跨层优化问题,并将其转化为易于求解的线性规划问题。根据求得的最优解获得无线传感器网络中传感器节点动态且周期的数据路由及功率控制策略,并得到无线能量补给设备周期性工作策略,且无线能量补给设备驻站时间比较之前研究成果提升在100%以上。

可充电锌电极的研究进展

因为可充电锌电极具有比能量高、原料丰富、成本低等优点,随着可充电锌锰电池和锌镍电池的发展,近年来对可充电锌电极的研究越来越受到重视,锌电极的性能有了明显的提高。概括了锌电极存在的一些问题,如变形、枝晶、腐蚀、钝化等,并提出了相应的解决途径,尤其是提高可充电锌电极电化学性能的途径,包括在电极和电解液中加入各种添加剂、改进隔膜和充电方式等。对近年来的研究进展进行了总结,并预测了可充电锌电极的应用前景。

C-MCC:无线可充电传感器网络中一种基于分簇的多MC协同充电策略

已有研究显示,将无线能量转移机制应用到WSN中能够从根本上改善WSN的寿命.为了提供稳定的并且高的充电效率以提高网络的性能,提出了一种基于分簇的多移动充电器(Mobile Charger,MC)协同充电策略C-MCC,文中定义MC相对合适度用于衡量网络中的MC相对于簇头节点的合适程度,并结合MC的当前剩余能量和MC与簇头节点的距离给出了相应的计算公式.在C-MCC中,整个网络被划分为多个充电簇,簇头节点只向网络中相对合适度最大的MC传送簇状态信息.MC在进行充电决策时,不仅考虑了充电簇的当前剩余能量,还考虑了MC与簇头节点之间的距离.仿真结果表明,C-MCC提高了充电效率,在网络中存活的节点数方面较DCLK都有所增加,网络路由鲁棒性和网络连通度较DCLK提高了7.7%.