锂离子电池三元正极核-壳结构的电化学-力学模拟

利用有限元模拟技术构建了电化学-力学耦合的三维多物理场锂离子电池模型,进而获得了核-壳正极在放电过程中Li+浓度、应变和应力的分布与演变情况,并研究了放电结束时不同放电倍率、壳厚度和核粒径对应变和应力的影响.结果表明,颗粒中心及核-壳界面处的应力在放电初期迅速达到最大值,然后随着Li+扩散过程的进行,应力逐渐减小.另外,黏结剂和相邻颗粒对电极应力分布有显著影响.减小放电速率和核粒径以及增加壳厚度能够降低电极中的应力.研究结果可为核-壳正极结构的设计与优化以及锂离子电池放电策略提供参考.

锂离子电池硅碳复合负极结构的研究进展

锂离子电池具有能量密度高、倍率性能好、循环寿命长、自放电率低等优点,是目前主要的电化学储能设备。商用锂离子电池负极材料为石墨,但石墨的低理论容量限制了锂离子电池性能的进一步提升。硅储量丰富,具有高理论容量和稳定工作电压等特点,是新一代锂离子电池最有前景的负极材料。硅基负极存在体积膨胀效应大、首次库仑效率低、电导率低和固体电解质界面膜不稳定等缺点,导致硅基负极循环稳定性较差,严重阻碍了其实际应用。通过具有良好稳定性和高电导率的碳修饰硅基负极制备硅碳负极能够有效克服上述问题,硅碳负极作为一种高理论容量的材料更有规模化商业前景。本文根据硅碳负极的结构设计,将近年来研究的硅/碳负极材料分为零维-纳米颗粒、一维-纳米线和纳米管、二维-层状结构和三维-微米级球体材料,并对不同结构的硅碳复合负极材料的结构和电化学性能进行了对比讨论。此外,本文还总结了现有硅/碳复合负极设计的进展和局限性,并展望了该领域的工业化前景。

锂离子电池双螺旋结构流道液冷板数值优化

液冷系统具有高热导率和高比热容,而液冷板在液冷系统中至关重要,液冷板内部流道的结构状态直接影响锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性。为了实现在5C放电速率、环境温度为299.15 K的工作情况下,电池最高温度和温差在安全工作范围内的目标,本工作设计了一种由余弦函数组成的双螺旋状流道液冷板,以电池最高温度和温差为评价指标,运用Ansys Fluent有限元分析软件研究了双螺旋流道不同函数振幅、入口流速、函数周期和流道宽度对冷板散热性能的影响,然后采用正交试验和极差分析对4种影响因素进行重要程度排序。结果表明:入口流速和流道函数周期能够显著影响锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性;增加入口流速、流道宽度和流道函数周期,锂离子电池的最高温度和温差均减小,温度均匀性得到提升;函数振幅对电池温度影响最小。确定了最优结构的组合为振幅25 mm、入口流速0.2 m/s、周期2、流道宽度5 mm。与初始结构相比,优化后的结构电池组最高温度和温差分别降低了2.36 K和1.27 K。

低速电动汽车锂离子电池组结构的设计

在对锂离子电池充放电原理进行分析的基础上,设计了低速电动汽车锂离子电池组结构。介绍了低速电动汽车锂离子电池组箱体的具体结构,以及箱体与电芯的装配,并给出了电芯、叠片电芯、正极片与上盖的结构。

一种以多孔结构吸附相变材料为冷却介质的锂离子电池组热管理方法

电池包作为电动汽车的动力源,其性能决定着电动汽车的成本与安全,有效的热管理系统对电池包的安全运行起到至关重要的作用。在追求更高能量密度的同时,如何有效降低热失控现象并提升电池组的热管理性能成为亟待解决的问题。针对传统相变材料(PCM)热管理方法存在的局限性,提出了一种基于多孔结构吸附PCM的创新热管理方案。基于仿真分析,相比传统PCM热管理方法,该方法使电池组在4C放电电流工况下的前0.2 h内,最高温度降低了2.1%;与此同时,最高温度与平均温度之差缩小了45.5%且各单体间平均温差幅度降低了34.1%。结果表明,该方法能够有效提高PCM的导热性并减小电池包内温度梯度,使得电池包内温度分布更加均匀,从而降低热失控的风险。此外,多孔结构吸附PCM还具有良好的安全性和耐久性,能够有效延长电池组的使用寿命。

CuO及其他过渡金属氧化物纳米结构材料在锂离子电池中的研究进展

锂离子电池(LIBs)因其能量密度高、体积小、质量轻等优点在便携式储能设备中广受欢迎。然而,传统商用LIBs存在可逆容量低、循环性能差、成本高、安全性差等问题,需要进一步提高其功率密度、能量密度、寿命和安全性。过渡金属氧化物负极材料提供的可逆容量与传统石墨材料相比高2~3倍,且具有更高的嵌锂电位和更高的安全性。同时,纳米结构电极材料由于其高比容量、快速的电子/离子转移速率,以及具有可减轻体积膨胀的自由空间等优点,成为电池电极的理想材料。本文综述了氧化铜(CuO)纳米结构材料用于LIBs的研究进展,包括球状、线状、片状等纳米结构,还阐述了它们的优势;还介绍了其他过渡金属氧化物纳米结构材料在LIBs中的应用;最后,讨论了CuO及其他过渡金属氧化物纳米结构材料未来在LIBs中应用的机遇和挑战。

基于三维双连续纳米孔结构的大功率锂离子微型电池

目前锂离子电池的制造方法较多,但是质量轻的高功率微型电池的制造仍然是难点。本文采用空气直接热氧化法制备了多孔NiO电极,并对其进行结构表征,还制备了2个基于三维双连续纳米孔结构的大功率锂离子微型电池。试验结果表明,当放电速率为1.5 C时,微型电池A能量密度为15μWh/cm^(2),功率密度为23μW/cm^(2);当放电速率为870 C时,微型电池B的能量密度为0.6μWh/cm^(2),功率密度为7400μW/cm^(2),本文制备的微型电池的能量密度和功率密度相对较高,取得了功率和能量密度之间的平衡,产生了高性能电源,能够扩展到其他领域。

浅述锂离子电池硅碳负极材料复合结构

硅基材料作为最具发展前景的锂离子负极电池材料之一,其具有较高的理论比容量和优异的快充性能,符合目前新能源汽车的发展需求。但由于其在充放电的嵌脱锂过程中体积发生严重膨胀,使得电极材料结构被破坏,继而出现粉化脱落现象,制约了该材料的商业化应用。有学者提出若将碳和硅2种材料复合,即可得到容量高、导电性能和循环性能佳的负极材料。笔者先分析了硅基负极的储锂机制,对硅碳负极复合材料的核壳结构、蛋黄壳结构、多孔结构、嵌入结构4种结构设计进行了简单总结,并针对不同结构的特点进行分析。最后对硅碳负极复合材料未来的研究及低成本的产业化发展进行展望。

软包锂离子电池极耳结构设计及充电性能分析

针对软包锂离子电池快速充电过程中的老化问题,建立锂离子电池仿真模型,分析不同充电倍率对电池性能影响规律。研究表明:采用不同倍率充电时,电池正、负极集流体电势变化与充电倍率呈正比关系,随着充电倍率增加,电极利用率增大,导致电极利用率略有不均,加速电池老化。同时针对锂离子电池生产过程中,极耳因结构较薄产生的翻折、弯曲、扭转等问题设计了七种不同加强筋结构,通过仿真分析确定最佳形状,为企业生产提供参考。

锂离子电池隔膜的制备技术现状及发展方向

研究锂离子电池隔膜材料、制备技术及性能等,以更好地了解锂离子电池隔膜的工作原理。首先简要介绍了锂离子电池的发展现状及其隔膜的研究;其次,详细介绍了锂离子电池隔膜材料的研究现状,包括高分子电解质膜、陶瓷电解质膜和金属电解质膜等;然后,介绍了隔膜的制备技术,包括涂覆法、溶胶-凝胶法、原位生长等;最后,陈述了锂离子电池隔膜的电化学性能,包括电导率、耐压强度、热稳定性等方面的研究。

车用锂离子电池快速均衡方法研究

为解决电动车电池在工作时出现的能量不一致的问题,设计了一种基于三绕组变压器的双层均衡拓扑结构,该拓扑可实现任意单体与单体、单体与部分单体、部分单体与单体、单体与整体之间的能量传输,并通过比较电池之间的荷电状态(SOC)、工作时的产热情况,确定分状态的均衡控制策略。使用MATLAB/Simulink软件进行模型搭建并仿真,试验表明:该均衡方法能够有效缩短均衡时长,缓解电池间的不一致性问题,对比传统变压器均衡方法,静置、充电、放电所需均衡时间分别缩短67.7%,66.12%,30.05%。

锂离子电池浸没式冷却的研究进展

浸没式冷却是极具潜力的热管理技术之一。罗列浸没式冷却的优势,描述浸没式冷却的工作机理,归纳目前常用的冷却工质,讲述冷却工质改性的作用。介绍浸没式冷却技术的研究进展,梳理调整流道结构与传热附件以增强冷却性能的研究。对浸没式冷却抑制热失控的机理进行初步探讨。将浸没式冷却技术未来的发展分为3个研究方向,分别为冷却工质改性、调整结构参数以强化系统的冷却性能、浸没式冷却抑制热失控机理的研究。

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。

过渡金属比例对锂离子电池LiNi_(x)Co_(y)Mn_(z)O_(2)层状材料电化学性能及热特性的影响

为了揭示LiNi_(x)Co_(y)Mn_(z)O_(2)(NCM)的性能随过渡金属(TM)成分的变化规律,系统研究TM比例对不同NCM材料的结构、形貌、电化学性能和热行为的影响。镍含量的增加能够提高可逆容量,但速率性能和循环稳定性变差。在富镍NCM中,Li^(+)的动力学抑制和电子导电性差是容量损失的主要原因。通过原位和非原位微量热法对不同NCM的热行为进行对比。结果表明,随着Ni含量的降低,材料的热稳定性显著提高。通过对NCM中Li剩余量的分析,对相变相关的氧释放量进行评估。结果表明,富镍材料在脱锂后出现更严重的结构恶化,起始温度更低,热释放量更多。综合表征表明,LiNi_(0.5)Co_(0.3)Mn_(0.2)O_(2)在电化学性能和安全性能间实现良好的平衡。

基于Sn-MOF组装的C/SnS/MoS_(2)纳米管及其锂离子电池性能研究

二硫化钼(MoS_(2))以高理论容量(662 mAhg^(-1))和较大层间距(0.62 nm)一直是锂离子电池负极材料的研究热点。然而,由于MoS_(2)的固有电子/离子导电率差且充放电循环过程中电极材料的体积变化严重,导致MoS_(2)的比容量迅速衰减,阻碍了MoS_(2)材料作为电池电极。在这项工作中,设计并合成了一种新型的C/SnS/MoS_(2)纳米管。具体来说,将Sn以Sn-MOF的形态包覆在一维的MoO3纳米带上,然后硫化得到保留了表面纳米片结构的C/SnS/MoS_(2)纳米管。这种制备方法不仅保留了表面的纳米片结构,也在表面留下来一层薄薄的非晶碳。得益于优越的结构设计,且SnS与MoS_(2)存在着协同作用,这不仅提高了导电性,并且也提升了电池循环的稳定性。做为电极材料时,复合材料能够在0.1 Ag^(-1)电流密度下80次循环后还保持着1110.2 mAhg^(-1)的放电比容量,在2 Ag^(-1)大电流密度下860次循环后保持801.7 mAhg^(-1)的放电比容量。

三元材料锂离子电池的多阶段恒流恒压快充

锂离子电池多采取单阶段恒流恒压快速充电,容量衰减严重,并有析锂的风险。结合XRD、SEM、TEM、显微共焦拉曼(Raman)光谱等方法分析以LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)(NCM523)为正极活性物质软包装锂离子电池在单阶段和多阶段恒流恒压策略下的循环行为。经过600次循环后(电压3.80~4.35 V、电流0.60~1.50 C),采用多阶段恒流恒压快充方法的电池的循环容量保持率为94.24%,较单阶段提升了4.91个百分点,欧姆阻抗及电荷转移阻抗的增长率为21.05%和2.86%,对比单阶段循环后分别降低了26.32及3.11个百分点;三元正极材料的层状结构比单阶段完整,多阶段负极的石墨化度为0.061 7,比单阶段低0.028 2,析锂现象更轻微。多阶段恒流恒压充电在快充工况中的性能优势更加明显。

硅碳负极材料的维度设计、制备及在锂离子电池中的应用

硅具有极高的理论容量、较低的电压平台和丰富的自然资源,是最有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料之一。但其电导率低,循环过程中体积变化大,难以直接作为负极材料。硅碳复合材料结合了硅的高比容量和碳的高电导率,同时确保电极的结构完整性。从维度结构、复合材料、应用性能等方面综述了近年硅基负极材料的研究进展,并对硅基材料面临的问题进行了简要总结,对其作为锂离子电池负极的研究前景进行展望。

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.

锂离子电池铁基负极材料研究进展

铁基负极材料具有理论比容量高、反应电位低、环境友好等优势,成为锂离子电池领域的研究热点。然而,铁基负极材料在电池循环中存在体积膨胀大、离子/电子输运能力差等问题,较大地影响了铁基负极材料的广泛应用。基于这些问题,从纳米化构筑、碳材料复合和晶体结构调控等方面,综述了铁基负极材料的相关研究进展,以期为高性能铁基锂离子电池负极材料的研究和发展提供有效建议。

二氧化硅空心球/碳锂离子电池负极材料

锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、绿色环保、安全性能良好等优点。二氧化硅具有较高的理论比容量、储量丰富、绿色无污染等特点,是最有前景的锂离子电池负极材料之一。但二氧化硅在脱嵌锂过程中产生的体积效应,使得锂离子电池的性能大大降低。为提高锂离子电池的电化学性能,本文制备了二氧化硅/碳(SiO_(2)@C)复合材料,并将其作为锂离子电池负极材料。中空结构有效地缓解了二氧化硅充放电过程中的体积膨胀,提高了复合材料在锂化过程中的结构稳定性。碳层可以作为“缓冲层”,缓解了二氧化硅的体积膨胀,同时碳具有良好的导电性,可以提高复合材料的导电性。在0.1 Ag^(-1)电流密度下经过50次循环后,SiO_(2)@C的放电比容量为766.2 mAhg^(-1),表现出良好的电化学性能。