超薄镀镍碳纤维管状结构电池的制备及性能研究

碳纤维结构电池具有碳纤维增强复合材料优异的力学性能,同时又具有良好的储能性能,在航空航天、新能源汽车等领域有广阔的应用前景。本文采用湿法涂覆工艺,制备了超薄镀镍碳纤维电池(Nickel-plated Carbon Fiber Battery,Ni-CFB);基于嵌入集成式结构电池的设计方法,以该电池为芯部,碳纤维编织布为蒙皮,采用真空树脂传递工艺制备了碳纤维增强复合材料三明治结构电池管(Sandwich Structure Battery Tube,SSBT),测试了Ni-CFB的电化学性能,评价了SSBT在不同受载条件下电化学性能衰减行为。结果表明:Ni-CFB在0.1 C的充放电倍率下比容量达到156 mAh/g,比磷酸铁锂-石墨体系常规电池的比容量高30%;在压缩载荷比和弯曲载荷比分别达到550 N/g和89.1 N/g的条件下,SSBT的电容量分别保持在80%和60%以上,表明SSBT具有良好的结构效能和储能效能,在储能系统轻量化设计和安全性设计方面具有巨大的潜力。

结构电池的研究现况

航空航天技术的迅速发展对相应电源技术的要求不断提高,传统电池(如氢镍和镉镍电池)的性能越来越难以满足需要。结构电池将电池与结构件合二为一,可有效降低系统质量,提高电池的有效容量,节约有效载荷空间等优点,将取代传统电池,成为航空航天用高性能电池新型应用形式。

多功能结构电池的制备研究

结构电池将电源与结构件合二为一,可有效降低系统质量,节约有效载荷空间,将成为航空航天用高性能电池新型应用形式。利用硅橡胶热膨胀模塑成型法研究了聚合物锂离子电池的异型成型过程。研究结果表明,利用设计的模具,130℃条件下,具有最好的成型效果。制备得到的异型聚合物锂离子电池可满足微型无人机的力学要求,仅在电池性能上略有下降。

超薄碳纤维复合材料结构电池制备及其性能评价

智能系统、无人驾驶等现代交通的不断发展,对传统电池的轻量化、安全性、有效负载和循环寿命都提出了新的挑战。本文利用活性炭、介孔碳以及将两者按50%比例混合制备了三种不同的碳材料电极片,对其进行了微观形貌和电化学性能对比分析。选取性能最优的电极片与超薄碳纤维预浸料集成制备了结构电池,并采用万能试验机对其进行了拉伸、压缩、弯曲测试。实验结果表明:活性炭和介孔碳混杂制成的电极片具有更有利于离子迁移的表面形貌,用其制成的结构电池具有良好的充放电特性。在受载条件下,拉伸测试单位质量载荷小于240 kN/kg时,比电容和能量密度数据波动在15%以下;压缩测试单位质量载荷达到58 kN/kg时,比电容和能量密度提高了39.5%;弯曲测试单位质量载荷为16 kN/kg时,比电容和能量密度提高了12%。超薄碳纤维复合材料结构电池作为一种储能复合材料,在提高结构电池性能和系统轻量化方面具有巨大潜力。

动力电池包结构振动强度的仿真与优化

本文借助仿真软件在虚拟平台搭建电池包随机振动有限元模型,对电池包施加国标规定的垂直于路面方向的功率谱密度,计算电池包结构件的应力分布,根据结果进行结构的优化和验证。

太阳电池阵弧形基板结构振动分析及优化设计

针对弧面型太阳电池阵新型基板结构,在满足结构安全的前提下以多参数轻量化设计为目标。本文基于等效板理论获得弧形太阳电池阵基板的各向异性等效性能参数,建立新构型太阳电池阵基板的三维有限元数值模型,并通过正弦扫频振动试验验证了模型的可靠性,进而初步实现了结构薄弱区域定位。最后结合工程实际,基于参数化建模结合多目标迭代优化的方法,分析结构在典型随机振动载荷作用下的最大应力随各特征参数的变化规律,从而获得满足结构安全条件下的补强优化方案,相比于原始结构,可使面板最大应力下降21%,若加强结构为单向无纬布,结构最大应力可进一步下降15.6%,为新构型太阳电池阵基板的轻量化设计提供支撑。

基于概率盒模型的林用电池结构可靠性分析方法

为评估林用锂电池在实际使用中的性能表现,并识别潜在的故障和风险,对其进行结构可靠性分析,用于指导电池结构的改进和优化。本研究将电池初始堆叠压力、端板厚度和垫片厚度作为不确定性变量,并描述为非参数化概率盒模型。在双层代理模型构建过程中,基于K折交叉验证原理构建指示函数以度量深度学习模型在候选样本点的局部预测不确定性,并考虑候选样本点与训练样本之间距离的影响,结合以上两因素制定主动学习函数。在内层中构建原始功能函数响应关于3个输入变量的深度学习模型,停止准则采用基于主动学习函数而制定的一个阈值。在外层中建立功能函数累积分布函数(CDF)边界所对应的辅助响应关于一系列标准均匀分布变量的深度学习代理模型。借助于外层代理模型使用蒙特卡洛仿真方法获得电池结构的失效概率上下边界。通过双层深度学习代理模型方法,成功计算出电池结构在不同条件下的失效概率边界,明确了各不确定性变量对电池结构可靠性的影响程度。本文所提出的结构可靠性分析方法有效评估了软包电池在使用过程中的安全性,为其设计和应用提供了重要的理论支持。

基于泛雅平台探究线上线下混合式教学模式——以《锂电池结构与原理》为例

随着现代技术和“互联网+教育”的发展,因其创新的方法,移动学习引领着数字化和信息化学习的巨大改变,混合式教学也随之发展迅速。研究通过《锂电池原理与结构》课程在泛雅网络教学平台投入运行,搭建混合式教学模式平台,将传统教学模式和现代信息技术进行融合,提升了学生的学习效率和丰富个性化的课程资源,进一步改进了教育教学方法。

冲击载荷下不同荷电状态结构化锂离子电池负极响应分析

传统的锂离子电池研究多注重本身相关机理以及储能能力的提高,而结构化电池不仅能够储能,且可以作为结构本身承受一定载荷.本文设计了一种新型结构化电池石墨负极板,通过修正准静态下石墨的力学指标得到对应高应变率下的压缩应力-应变曲线、失效应变,采用数值分析方法对石墨负极板的承载能力进行了分析.同时,由于荷电状态(State of charge, SOC)会影响石墨的弹性模量、失效应变、厚度以及压缩应力-应变曲线等力学性能,因此在石墨的本构方程中考虑并修正了SOC产生的影响.通过有限元模拟了不同SOC下石墨负极板受到冲击后的响应,结果表明随着应变率或SOC增大,石墨负极板承载高速冲击的能力也随之降低.本文的研究成果可以为结构化电池负极的结构设计提供参考.

锂离子电池前沿技术

工业、航空、国防等领域的快速发展,对电池能量密度、功率密度、安全性、使用寿命、极端环境适用性和降低成本等方面提出了更高的要求。同时我国也面临国际的竞争,这些年日本、美国、英国、欧盟都提出了一些电池的国家计划来加强基础研究,希望在源头上进一步布局,抢占制高点[1]。我国应当加强电池技术领域基础研究,加强高比能、长寿命、智能化电池材料及电池系统技术开发,重视固态锂电池等新兴电池技术的发展,从源头上实现科技自立自强,希望能够主导新一代电池的发展。前瞻性电池技术主要包含电池材料创新、电池结构创新、电池先进制造/表征技术、电池数字化等。

超低成本电池阴极材料研发成功

据报道,美国佐治亚理工学院领导的多机构团队开发出一种革命性低成本阴极材料——氯化铁,其成本仅为典型阴极材料的1%~2%,但可储存相同数量的电量。该项成果将极大地改善了电动汽车市场和整个锂离子电池市场。电动汽车等大规模能源用户对锂离子电池的成本尤其敏感。目前,电池约占电动汽车总成本的50%,这使得清洁能源汽车比许多内燃机汽车更昂贵。在电池结构中,阴极材料会影响容量、能量和效率,在电池的性能、寿命和价格承受能力方面发挥着重要作用。从2019年开始,研究团队尝试使用氯化物基固体电解质和传统商用氧化物基阴极制造固态电池,结果证明阴极和电解质材料无法兼容。团队最终发现,氯化物基阴极可以与氯化物电解质更好地匹配,从而能提供更好的电池性能。其中氯化铁的晶体结构更适合储存和运输锂离子。目前,电动汽车中最常用的阴极材料是氧化物,需要大量昂贵的镍和钴,这些重元素可能有毒,对环境构成挑战。相比之下,新开发的阴极材料只含有铁和氯。这两种元素常见于钢铁和食盐中,储量丰富、价格低廉。

无阳极钠固态电池面世

美国科学家最新研制出全球首个无阳极钠固态电池。这一成果有助开发出廉价且能快速充电的大容量电池,以用于电动汽车和电网。相关研究论文发表于最新一期《自然·能源》杂志上。锂基电池已成为电动汽车和移动设备的标配,但其性能受到多方面因素制约。首先,锂在地壳中的储量有限。另外,锂离子电池需求激增,导致锂的价格不断攀升。而钠在地壳中的储量约为锂的1 000倍,同时也是一种更环保的电池材料。传统电池结构包括一个阴极和一个阳极。在充电过程中,阳极储存离子。

质子交换膜燃料电池新型静态排水结构

设计了一种新型的质子交换膜燃料电池的静态排水结构。与动态排水结构相比 ,该结构可以不另加电池增湿系统 ;当反应气为纯氢和纯氧时 ,可实现尾气零排放 ,特别适用于水下和航天应用。通过实验考查了电池温度和介质压力对静态排水结构燃料电池的影响 ,并进行了 3 0 0h的寿命实验 ,在实验范围内此结构运行稳定。

微生物燃料电池阴极电子受体与结构的研究进展

从工程应用的角度分析了微生物燃料电池的结构变化趋势;从电化学角度介绍了几种两室微生物燃料电池中阴极室采用不同电子受体对提高电池输出功率的影响和单室空气阴极微生物燃料电池的研究现状及应用前景;分析了电池组在电池放大过程中可能存在的串挠和电压反转等问题,为微生物燃料电池的工程应用提供了理论参考。

侧面柱碰撞条件下电动汽车电池系统结构优化

将动力电池短路失效分析引入电动汽车侧面柱碰撞研究中,利用动态拓扑优化方法对某电池系统结构进行优化设计,基于拓扑结果搭建具有更佳承载路径的新型电池系统结构,同时通过正交试验对其厚度分布进行优化。相比于原结构,新结构在不增大质量的情况下极大地减小了侧面柱碰撞后电池系统的结构变形和电池短路失效,显著提高了动力电池的碰撞安全性。

基于Workbench的电池组支架结构分析及优化

以混合动力汽车用电池组底部支架为例,建立了其三维有限元模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对预设计底部支架进行静力学及动力学分析,并据此对底部支架进行结构改进,以在设计阶段预测其工作的性能,并为底部支架的结构优化设计提供理论依据。

ZnO纳米管有序阵列与Cu_2O纳米晶核壳结构的光电化学性能及全固态纳米结构太阳电池研究

采用电化学方法在铟锡氧化物（ITO）导电玻璃基底上制备了高度有序的ZnO纳米管阵列，然后在ZnO纳米管阵列上电化学沉积Cu2O纳米晶颗粒，获得了一维有序Cu2O／ZnO核壳式纳米阵列结构，通过控制Cu2O纳米晶的沉积电量得到不同厚度的Cu2O壳层，并对该核壳式纳米阵列的形貌和结构进行了分析．以Cu2O／ZnO一维核壳式纳米阵列结构为光电极组装全固态纳米结构太阳电池，研究了Cu2O壳层厚度对光电极光吸收性能、光电性能以及组装电池光伏性能的影响，优化了电池中对电极材料的喷金厚度．结果表明，以Cu2O沉积电量为1．5C的Cu20／ZnO为光活性层，以4mA电流下真空镀金20～25min的铜基底为对电极组装的简易太阳电池最高可获得0．013％的光电转换效率．

混合动力汽车用电池包结构分析及改进

动力电池是混合动力汽车的主要储能元件,对整车的性能具有重要影响。而电池包作为电池模组的载体,则起着保护电池模组正常、安全工作的关键作用,其结构强度是否可靠直接影响整车的安全性。以某混合动力汽车用电池包为研究对象,建立其三维有限元模型,通过Abaqus软件分析电池包结构在6种典型工况下的应力及位移分布情况。基于强度分析结果对电池包结构进行改进设计。仿真结果表明,改进后的电池包结构强度满足混合动力汽车对电池包的强度要求,为电池包产品结构的定型设计提供理论依据。

锌空气电池中电催化剂与电池结构设计研究进展

锌空气电池(ZABs)的理论能量密度高达1086Wh·kg^-1,具有原料丰富、环境友好、成本低及安全性高等优点.该文介绍锌空气电池的基本原理、关键问题、研究进展及面临的挑战,围绕锌空气电池的组成部分详细讨论,主要内容包括空气阴极双功能电催化剂和电池结构设计.最后,以锌空气电池的应用为目标,展望其未来的应用前景.

高效晶体硅太阳能电池结构分析

晶体硅太阳能电池占据了光伏市场的主要份额,在产业化的道路上一直追求高效低成本。晶体硅太阳能电池的性能与其结构息息相关,文章介绍了几种高效晶体硅太阳能电池的结构,分析了其结构特征和性能参数。