热电化学电池电学性能测试设备研制与应用

针对当前热电化学电池电学性能测试设备功能单一、样品适用范围窄等现状,研制了热电化学电池电学性能通用测试设备。以纳米ZrO_(2)为中继反应位点,采用该设备研究了ZrO_(2)浓度对铁氰根/亚铁氰根氧化还原电对(FeCN^(3-/4-))电解液基热电化学电池电学性能的影响规律。当ZrO_(2)浓度为1.5 mmol/L时,ZrO_(2)-FeCN^(3-/4-)电解液基热电化学电池具有-2.16 mV/K塞贝克系数和0.26 W/m^(2)最大输出功率密度,相比FeCN^(3-/4-)电解液基热电化学电池,分别提升了54%和333%。该热电化学电池电学性能测试设备操作简单、工作原理清晰,可有效支撑机械设计和电化学等课程内容的教学研究。

锂离子电池正极材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的热电化学

采用电化学-量热法研究以LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2为正极材料的锂离子电池在不同环境温度和充放电倍率下的热电化学性能。结果表明:环境温度和充放电倍率是影响电池比容量的重要因素,随着充放电倍率和环境温度的增加,电池比容量逐渐减小。在低倍率(0.2C)下,电池充放电初始阶段的热流缓慢增大,且出现多个放热峰;而在较高倍率(0.5、1.0、2.0C)下,电池充放电初始阶段的热流快速增长,且充电和放电过程分别仅出现一个明显的放热峰。通过热电化学研究,可获得电池充放电过程的产热量、化学反应焓变(ΔrH_m)以及化学反应熵变(ΔrS_m)等热力学参数。

溶剂热电化学法制备Li_(3+x)V_(1-x)Si_xO_4薄膜

采用溶剂热电化学法,于SiO2、V2O5、LiOH的乙醇溶液组成的反应体系中,在Pt基体上制备出致密的Li3+xV1-xSixO4薄膜.XRD、IR、Raman分析表明,薄膜结晶状态良好,具有γ-Li3PO4型结构.其化学组成为0.4(Li4SiO4)-0.6(Li3VO4).薄膜中无Li2SiO3杂质相存在.低沸点乙醇溶液体系,能够提高反应釜内的压力,有利于促进薄膜的生成.组成元素在醇溶液体系离子浓度小,薄膜生成速度小,导致薄膜结构致密,表面光滑.

热电化学的发展及近期研究动向

介绍热电化学 1 0 0多年来的发展情况 ,阐述不同时期、不同研究者所依据的理论基础、采用的研究方法和测试技术 .同时介绍近期国内热电化学研究的动向 。

超级电容器的热电化学耦合研究

首先建立了超级电容器的电化学模型和热模型,并实现了其热电化学的耦合;利用有限元法模拟了超级电容器温度场的分布;分析了不同电流密度、相同环境温度下和相同电流密度、不同环境温度下超级电容器的热行为;仿真结果表明,超级电容器的温度场分布和变化情况与电流密度和环境温度有关,超级电容器在放电过程中,其中心区域温度最高,越靠近表面温度越低;电流密度越大,环境温度越高,超级电容器的温度越高,散热效果越差;最后综合以上研究内容,提出了改进意见。

高精度恒温环境电化学量热系统的建立及Fe(CN)6^3-／Fe(CN)6^4-体系的热电化学

以SRC-100溶解反应量热仪恒温系统、温度传感器和数据采集软件,结合CHI660B电化学工作站建立了控温精度为±0.001K的高精度恒温环境下电化学量热系统。采用恒电流极化方法对5组不同浓度的Fe(CN)63-/Fe(CN)64-体系进行热电化学测试,获得该半电池反应电极电压—电流—温差—时间4维数据,根据热电化学基本方程计算得该电对偶反应"热电化学表观焓变"和绝对标度下标准氢电极熵变分别为?80.16kJ/mol和87.57J/(K·mol)。

中性红电聚合的热电化学与现场光谱电化学行为

用现场紫外可见光谱电化学以及热电化学方法研究了在不同的pH下中性红的电聚合过程.实验表明,聚合前的电引发作用是产生阳离子自由基,该阳离子自由基与中性红或另外一个阳离子自由基反应生成中性红低聚合物.中性红低聚合物能在较低的电位下氧化成相应的阳离子自由基,并进一步与中性红或另外一个阳离子自由基反应生成更大分子量的中性红聚合物.因此聚合前的电引发有利于中性红单体在较低电位区间的电聚合并获得好的聚中性红膜.

热电化学电极的制备及其灵敏度测试

文章主要研究热电化学电极的制备及其灵敏度的测试.实验表明,所研制的热电化学电极,可以和常规电化学测试仪器,如CHI电化学工作站系列仪器等联用,进行热电化学测试.

Fe(CN)_6^(3-)/Fe(CN)_6~)4-)与Ag/AgNO_3体系的热电化学研究

用差示测温技术测定了Ｆｅ（ＣＮ）３－６／Ｆｅ（ＣＮ）４－６体系及Ａｇ／ＡｇＮＯ３体系阳极过程的热效应，实验中采用热敏电阻测定电极表面的温度变化，利用电流、电极电位、温差和极化时间等数据，运用热电化学基本方程得出电极反应的焓变值．实验结果表明，由热电化学方法决定的焓变与由相对应的离子的热力学数据计算得来的焓变的差值为一恒定值，进一步得出２９８．１５Ｋ下标准氢电极反应的绝对熵值为８８．４Ｊ·Ｋ－１·ｍｏｌ－１．

热电化学方程在金属氢化物半电池体系中的应用研究

研究了热电化学方程在金属氢化物半电池体系中的应用，考察了荷电状态（SOC）对贮氢材料热电化学性能的影响，结果表明：在相同的SOC点（50％SOC），贮氢电极放氢反应焓变的绝对值略小于吸氢反应焓变的绝对值，电极进行放氢反应时的电极内阻小于其进行吸氢反应时的电极内阻；荷电状态对贮氢电极吸、放氢反应焓变均有很大的影响，当荷电状态小于10％时或者大于60％时，电极吸、放氢反应焓变变化都很大，当荷电状态在10％到60％之间时，吸、放氢反应焓变均趋于恒定，这与P-C-T曲线非常相似，二者均存在一个平台；荷电状态对贮氢电极吸、放氢反应时的电极内阻也有很大的影响，随着贮氢电极充填氢程度的提高，无论是发生吸氢反应还是放氢反应，电极内阻都有增加的趋势。

基于电化学-热-力耦合模型的锂离子电池热失控研究

为提升锂离子电池的安全性能,减少由热失控导致的安全事故,分析电池温升的原因并有效降低其温度,依据电化学反应中浓度、电势与热模型中温度的相互影响关系,建立电化学-热-力耦合模型。通过模拟单电池和电池组温度分布的实时情况,分析单电池温度不均匀分布和电池组温度正态分布情况的原因,探讨换热面积和流通量对散热量的影响,研究电池组中单体电池的位置分布及不同传热介质的散热情况。研究结果显示:低温和相对高温环境下,欧姆热、极化热及电化学反应热产热占比不同,但产热最高温度未达到电极材料与电解液分解反应的临界温度420 K;高温环境下,电池温度持续升高接近临界温度,出现热失控趋势,对流换热系数对电池影响较大。电池组间隙为10 mm和20 mm时,整体温度比间隙为0时分别降低了1.1%和1.8%;与无间隙电池组相比,以铜板和铝板为传热介质的电池组温度分别降低了2.0%和1.6%。

混合锂离子超级电容器电化学与热特性研究

【目的】为研究混合锂离子超级电容器(hybrid lithium ion supercapacitor,HLIC)的性能,分析多种干扰因素对其电化学与热特性的影响。【方法】首先建立HLIC电化学热耦合模型;其次通过试验与数值模拟相互验证来证明模型的可靠性;最后分析阳极活性材料颗粒粒径、充放电倍率、电芯结构状态对HLIC的电化学与热特性的影响,并通过建立核壳模型绘制核壳图,从微观的角度分析了阳极活性材料颗粒粒径对HLIC电化学性能的影响过程。【结果】HLIC在高倍率的条件下,减小粒径可使阳极活性材料颗粒锂化程度显著提高,10 C倍率下粒径15.5μm与0.5μm的单体相比,前者能量密度降低了63.14%,平均发热率增加了121.66%,最大温度上升了17.7 K;而在低倍率的条件下,粒径对HLIC的性能影响不大,无须增加成本过分减小粒径,并且电芯在层压方向导热性较差,需要在层压方向上增加散热以保证其工作性能良好。【结论】本研究对各个场景所需的HLIC性能参数的选取具有一定的参考意义。

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池容量衰减研究

锂离子电池电极上的SEI副反应是导致电池容量衰减的主要原因之一。本文基于SEI副反应建立了模拟电池容量衰减的电化学-热耦合模型,研究了不同环境温度和不同放电倍率下的SEI膜厚度增长规律,分析了电池相对容量的衰减问题,得出了一些有用的结论。结果表明:高温在一定程度上会加快SEI反应速率,但温度的升高对于SEI膜生长速度的影响是有限的。高倍率放电情况下,倍率大小对SEI膜厚度增长影响很小,低倍率放电情况下,倍率越低,SEI膜越厚。SEI膜厚度与电池相对容量在一定程度上呈负相关。

基于WLTC工况电化学-热耦合仿真的NCM锂电池极耳优化分析

电化学-热耦合模型是锂离子电池设计开发过程的关键技术。采用基于WLTC(Worldwide Light-duty Test Cycle)工况的锂离子电池电化学-热耦合模型,分析了111型镍钴锰酸锂电池(Li(Ni_(x)Co_(y)Mn_(z))O_(2))同侧极耳分布的方形电池的温度场以及电特性,并优化极耳尺寸及极耳间距。研究发现,WLTC工况下放电倍率对温度场和电特性有显著影响,随着放电倍率的增大,WLTC工况的两个循环结束时刻电池的最大温升和温差均以凹型曲线的趋势升高,放电倍率为2C时温升达12.705℃、温差为1.359℃;电压曲线的变化趋势也随放电倍率的增大而大幅下降。进一步研究发现,电池的最大温升和温差与正、负极耳的宽度及极耳间距显著相关,当正极耳宽度为0.03 m,负极耳宽度为0.05 m时,电池的最大温升与温差最小;当正、负极耳间距为0.05 m时,电池的最大温升与温差最小。

基于分层电化学热耦合模型的锂电池放电过程研究

软包锂离子电池由许多电池单元叠压形成,其中电池单元的电和热行为对电池的整体安全性有很大的影响。为了研究电池单元与单体之间的关系,采用多孔电极理论建立了大容量软包锂电池的分层多维模型,并考虑了瞬态温度变化与电化学反应间的相互作用关系。利用该分层模型研究不同温度下电池放电过程中的电化学和热特性,得到更为真实的电池温度场分布。此外,介绍了表征电池单体内不同电池单元荷电状态分布的均匀指数。仿真表明,电池单体内的温度梯度差异加剧了不同电池单元间的过电位不一致和电流密度不一致程度,有利于进一步研究单体电池的衰退演化轨迹。

基于电化学-热耦合的4680电池模拟研究

针对特斯拉4680电池,通过建立动态响应参数的电化学热耦合模型,研究其在不同倍率、不同环境温度下的热特性,并进一步分析电池内部的产热机理。研究发现高放电倍率和低温环境加剧了电池内部的温度不均匀性;高倍率放电下,集流体的欧姆产热占有绝对优势,而4680电池全极耳的设计,则有效改善了传统极耳情况下集流体产热过大的问题,降低了电池的内外温差。该研究对评价锂离子电池的热特性及电池组热管理系统的设计具有重要的参考价值。

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型,首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试,验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下,无论倍率大小,负极产热总是小于正极产热,虽然负极的极化热高于正极,但其可逆吸热较大,导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加,正极产热所占比例减小,负极所占比例先增加后减小,而集流体产热所占比例持续增加。然而,低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性,首先,低温导致低倍率负极产热率比例大大增加,负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少,正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势,高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全,在低倍率0.5~1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全,这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散,造成电阻增加与电压快速降低,同时大量产热导致自身温升,从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。

溶剂热电化学还原氯仿制备类金刚石碳膜的研究

报道了采用溶剂热电化学法还原氯仿制备类金刚石碳膜(DLC)的新体系.实验在-1.2或-1.6V(vs.Ag/AgCl/Cl-)下,对溶解在以Bu4NCl作为支持电解质的碳酸丙烯酯(PC)溶液中的氯仿进行电化学还原.研究了温度、氯仿/PC比例和电极材料对沉积的影响.采用拉曼光谱,SEM,FTIR,XPS等方法对产物进行表征.结果表明,在100℃,氯仿/PC比例为1:3,Pt电极上沉积的DLC膜含有较高的sp3杂化态碳.论文还提出了电化学还原氯仿沉积DLC薄膜的机理.

基于多尺度、电化学-热耦合模型的锂离子电池生热特性分析

为实现精确的电池热管理,选取正、负极材料分别为LiyMn_2O_4和LixC_6的层叠式锂离子电池为研究对象,建立了微观-宏观尺度耦合、电化学-热耦合模型,分析了不同放电倍率下单体电池的放电特性及电池包的平均温升、单体电池内部生热机理及变化特性,并详细定量分析了生热量各组成部分所占的比例及变化.分析结果表明:高放电倍率下,电池放电性能变差,温升显著提高,5C放电倍率下,温度升高63,℃.低放电倍率下,可逆热是主要的生热来源,高放电倍率下,液相中的欧姆热是主要的生热来源;相比之下,负极生热量最高,其主要来源于负极的可逆热,隔膜中所占百分比次之,正极最少,其主要来源于正极的不可逆热和欧姆热.

Fe(CN)_6^(3-)/Fe(CN)_6^(4-)体系阳极过程的电化学Peltier热

采用热电化学方法测定电极反应电化学Peltier热。实验中将高灵敏度热敏电阻紧贴于工作电极表面,结合SRC-100溶解-反应量热仪与电化学工作站组装成高精度热电化学测试系统,其控温精度达±0.001 K。运用该测试系统分别对5个不同浓度等物质的量比的Fe(CN)63-/Fe(CN)64-体系阳极过程进行恒电流极化,得到该电极反应电极电势和温度变化与时间的关系曲线,运用热电化学方程,得到298.15K时Fe(CN)63-/Fe(CN)64-体系阳极过程电化学Peltier热,分别为41.51 kJ/mol(0.075 mol/L),43.48 kJ/mol(0.10 mol/L),46.95 kJ/mol(0.15 mol/L),50.77 kJ/mol(0.20 mol/L)和54.81 kJ/mol(0.25 mol/L),由此获得该温度下的标准氢电极反应在绝对标度下的熵变。