发电⁃储能一体化柔性电源系统结构热特性仿真研究

基于柔性薄膜砷化镓(GaAs)太阳电池、全固态薄膜锂电池(TFB)和柔性管理电路组成的发电-储能结构一体化电源系统,可以用作便携式应急电源,也可与无人飞行器、便捷式电子设备、无线传感网络节点等结合,实现自身能源的闭合供给,满足相关装备对电能源全天候、长时间、模块化等多样化应用的需求。但在实际工作中,系统的电转化效率只有30%左右,大部分太阳光的能量经太阳电池吸收后会转化成热,TFB在充电过程中也会发热。电源系统中,柔性太阳电池和TFB采用键合的方式结合,由于薄膜各层材料的热膨胀系数不同,产生的热量会在电源系统内部导致热应力,造成键合材料的分离,甚至破坏整个电源系统。通过计算机模拟柔性电源系统在月球表面环境下的工作状态,建立电源系统结构模型以及热传递数学模型,仿真得到不同结构电源系统工作时的温度场和应力场分布情况,对发电-储能一体化柔性电源系统结构优化和工作状态的掌握具有指导意义。

燃料电池的空间应用技术发展

燃料电池作为高效环保的发电装置,在空间应用上具有极大潜力。本文论述了近年燃料电池的空间应用技术,以求促进相关产业及研究的进一步发展。分别对微重力环境下的水、热管理技术进行了探讨,发现微重力中气流方向及燃料电池布置对电池性能具有显著影响,气流宜以相反方向通入,微重力环境对竖直放置和水平放置(阳极在上或阴极在上)的燃料电池性能影响不一,其中水平放置(阴极在上)和竖直放置的工况下促进了水的顺利排出。进而比较了3种常见散热方式在空间应用上的优缺点,并且对热管冷却的材料选择给出了建议。最后简要介绍了目前在航天应用上受到关注的可再生燃料电池。

废旧镍钴锰酸锂正极材料的固相直接修复再生技术

近年来,随着新能源汽车领域的快速发展,锂离子动力电池的出货量不断增加,三元锂离子电池因其优异的高能量密度性能已被广泛应用于便携式电子设备和新能源汽车等领域。随着锂离子电池即将迎来“退役”高峰,镍钴锰酸锂正极材料作为锂离子电池中最为关键的电极材料之一,其高效绿色循环利用具有重要的资源、环境、经济及战略意义。目前传统的镍钴锰酸锂正极材料回收技术以火法冶金和湿法冶金为主,这些方法可以从废弃的正极材料中提取高附加值金属,但普遍存在污染大、能耗高、循环周期长等问题。固相直接修复再生技术能够直接对废旧正极材料进行修复,实现正极材料的结构、组分及电化学性能的有效恢复,因其具有工艺简单、绿色高效等优势而受到广泛的关注。围绕固相直接修复再生技术,系统阐述镍钴锰酸锂正极材料的失效机制和修复机理,详细分析焙烧温度、焙烧气氛以及补锂工艺对固相修复再生镍钴锰酸锂正极材料结构和性能的影响及其作用机理,并指出了目前固相直接修复再生技术存在的问题,展望了该技术的未来前景。

PtIr双功能催化剂膜电极制备及抗反极性能研究

燃料供应不足会导致质子交换膜燃料电池膜电极电压反转,造成阳极催化层中的碳载体发生严重腐蚀,进而给燃料电池带来不可逆的损伤。为了解决该问题,采用双功能PtIr合金作为阳极催化剂制备膜电极,并对其进行了电极极化性能、反极和交流阻抗等测试。结果表明,PtIr/C电极的峰值功率密度可达1.49 W/cm^(2),较Pt/C-IrO_(2)(50%)电极(1.46 W/cm^(2))提高2.1%。反极结果表明,PtIr/C电极抗反极时间725 s,较掺杂IrO_(2)的Pt/C电极反极性能略差,但在整个反极过程中PtIr/C电极呈现出更低的绝对反转电压,以及反极后保持更高的结构稳定性。反极后PtIr/C电极峰值功率密度降为1.18 W/cm^(2),衰减约20.80%,而Pt/C-IrO_(2)(50%)电极的峰值功率密度降至1.09 W/cm^(2),衰减约25.34%。PtIr/C电极相较掺杂IrO_(2)的Pt/C电极具有更佳的初始极化性能和优异的抗反极能力。该研究结果对质子交换膜燃料电池高性能长寿命膜电极催化层设计具有重要的意义。

光储逆变器的虚拟同步机自适应控制策略研究

针对具有固定转动惯量的常规光伏储能虚拟同步发电机并网发电系统容易出现功率振荡以及频率超调等问题,提出光储并网系统的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)自适应控制策略。首先,搭建虚拟同步发电机控制的光伏储能并网发电系统模型,系统前级采用光伏最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MTTP)控制以及储能控制策略;然后,根据功角特性和转子角频率特性曲线分析转动惯量对VSG动态特性的影响,将RBF神经网络应用到VSG中,对转动惯量进行自适应调整,同时,在固定阻尼比的基础上,随着转动惯量的变化自适应调整阻尼系数;在MATLAB/SIMULINK上建立光储并网系统的VSG自适应控制仿真模型,验证此控制策略的可行性;最后,将自适应转动惯量阻尼控制策略与其他控制策略进行对比,仿真结果表明:采用此控制策略能够使光储并网系统的有功功率振荡得到抑制,改善转子角频率超调。

SiON/SiO_2复合膜层对太阳能电池阵板间电缆的表面改性及其耐空间环境性能

在空间站工作的太阳电池阵板间电缆上下表面为聚酰亚胺薄膜,在低轨运行时会受到原子氧的强烈侵蚀,需要采取措施对其进行保护。采用射频磁控溅射法在电缆表面制备了颗粒尺寸均匀、排列致密的SiO_2膜层。通过表征空间环境试验前后样品发现由于电缆表面的凸起颗粒等缺陷无法完全被SiO_2膜层覆盖,导致原子氧会对缺陷位置产生侵蚀作用。采用全氢聚硅氮烷溶液对板间电缆基底进行表面改性处理,制备的聚硅氧氮烷涂层(SiON)可以有效地覆盖电缆基底表面的凸起颗粒等缺陷,使得其上溅射的SiO_2膜层表面光滑平整。经原子氧暴露试验,SiON/SiO_2层内部没有受到其侵蚀作用,可以防止原子氧对电缆基底的破坏。经多次冷热循环试验,SiON/SiO_2复合膜层仍然具备良好的结构特性与结合性能。

无机填料在复合固态电解质中的作用机制研究进展

全固态锂电池以其良好的安全性和更高的能量密度受到广泛关注,而固态电解质是决定固态电池性能的关键材料。由聚合物基体和无机填料组成的无机/有机固体复合电解质因其优良的可设计性而显示出广阔的应用前景。其中,锂离子传导能力是复合电解质性能的决定性因素,而无机填料对提升锂离子传导有重要作用。本文列举了典型无机填料的种类,总结了不同种类填料对加速锂离子输运过程的作用机理,讨论了无机填料的添加量、颗粒大小、分散性、形态对提升离子电导率的影响规律。除此之外,还归纳了无机填料对电化学窗口、锂离子迁移数、力学性能等其他性能的影响。

基于有限元分析的柔性薄膜太阳电池互连热适应性研究

太阳电池组件是航天器电源系统的重要组成部分,由于组件之间热膨胀系数的差异,在太空极限温度载荷条件下,串联2电池间的互连片组件可能会出现焊点连接失效问题。针对某柔性薄膜砷化镓太阳电池组件,根据高温设计条件,采用有限元仿真建模技术对太阳电池的局部焊点进行焊点拉力计算,并从柔性连接组件互连片出发,探究互连片形状和材料对焊点热适应性的影响,为太阳电池组件柔性连接设计提供参考。

载人月球车柔性太阳翼设计与分析

为满足载人月球车关于太阳翼的高刚度、可重复收展和轻量化的性能要求,在国内外星球车太阳翼、柔性太阳翼研究的基础上,提出了一种基于连杆机构的柔性太阳翼展开机构总体方案,根据能量守恒原理对太阳翼进行了展开运动学分析。将太阳翼结构简化为张拉索-梁模型,建立了柔性阵面和太阳翼的结构动力学分析模型,基于刚度需求对太阳翼结构进行轻量化优化设计,并通过ABAQUS有限元模型验证了结构优化设计的可行性和合理性。结果表明:太阳翼在涡卷弹簧驱动下展开到位时存在一定的冲击,但是对阵面影响较小。该张拉膜结构等效结构动力学模型可用于柔性太阳翼结构的快速迭代和优化设计,并实现柔性太阳翼支撑结构刚度和阵面张力的高效匹配。

钠离子电池正极材料研究进展

钠离子电池与锂离子电池工作原理相似,却有着更低的成本和更高的安全性。在钠离子电池中,正极材料的研究尤为重要。本文对现有的钠离子电池正极材料进行了系统性的归纳,首先介绍了各类正极材料的结构和电化学特性,基于此分析目前钠离子电池正极材料面临的两个主要制约因素:一是钠离子半径大,充放电过程中对材料结构的影响大,导致容量衰减迅速;二是动力学过程慢,导致其倍率性能差。在此基础上归纳了现有的各类钠离子电池正极材料的改性方法如掺杂、包覆等。总结了材料改性及改善材料电化学性能的方法以及应用在现有材料中时所获得的效果,基于此为未来的钠离子电池正极材料及其改性研究提供了基础。

全固态薄膜锂电池研究进展

同锂离子电池相比,全固态锂电池不仅安全性好,而且在提高比能量、比功率密度以及循环性能方面也有更大的空间,从而得到广泛关注。在现有全固态锂电池中全固态薄膜锂电池(TFB)的制备工艺成熟,电池性能优异,已率先实现了商品化生产。同传统的锂离子电池不同,TFB的主要制备方法是物理成膜形成致密正极、电解质和负极薄膜,各层薄膜采用原位叠加方式形成。本文总结了近十年来TFB的研究工作,力图囊括全固态薄膜电池的完整制备过程以及各制备环节的技术进展和存在的科学技术问题。本文首先分述了固态电解质薄膜、正极薄膜、负极薄膜等三个主要构成部分的研究进展和关键问题,在此基础上,归纳了电极/电解质界面的设计、制备以及TFB制备过程及其关键问题和技术的研究进展,最后还介绍了基底、集流体、封装三个辅助部分的制备过程以及最近报道的新型特殊结构TFB。

三维结构化锂硼合金的锂沉积/溶解特性研究

锂金属负极不可控的枝晶生长导致了高容量锂金属电池极低的库仑效率和较差的循环稳定性。采用具有三维骨架结构的锂硼合金作为锂金属电池负极,系统研究了锂硼合金中锂的溶解/沉积行为及电化学性能。结果表明:具有独特三维结构的锂硼合金可以显著降低局部电流密度,诱导锂均匀沉积;同时,容纳锂金属的无活性硼3D结构限制了锂枝晶的生长。因此,使用锂硼合金的锂金属电池表现出良好的循环稳定性,与硫匹配组装的全电池在经过100次循环后,容量保持率高达89.4%,库仑效率平均值达99.4%。

基于RBF-LADRC的虚拟同步发电机控制策略

随着大规模分布式发电技术的出现,为支持微电网的稳定运行,提出虚拟同步发电机(VSG)技术。由于VSG常用的电压电流双闭环控制存在动态响应时间久、抗扰动能力弱的缺点,考虑LADRC对扰动具有更优异的动态响应速度,该文提出一种用于VSG电压外环控制的线性自抗扰控制方案,并采用RBF对LADRC中的关键参数进行在线整定,以实现控制器的实时优化。在Matlab/Simulink平台下搭建仿真模型,并对所提出的改进策略与传统控制策略进行仿真对照,结果显示该策略可有效提高并网环境下虚拟同步发电机功率和频率稳定性。

电化学阻抗谱测量与应用研究综述

电化学阻抗谱(EIS)是一种广泛应用的锂离子电池无损表征方法,其表征的阻抗是确定电池工作边界、评估性能和跟踪功能状态的关键之一,它已被广泛应用于锂离子电池的研究,可用于电池筛选、运维以及性能评估等各环节。综述了基于电化学阻抗谱的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)估计的应用概况,并概述了电化学阻抗谱测量的频域和时域方法。总结了电化学阻抗谱在电池状态估计中的应用前景和挑战,展望了电化学阻抗谱应用的发展方向。

锰系锂离子筛的制备与改性的研究进展

随着新能源电动汽车、储能产业的快速发展,确保锂资源的供给成为热点话题。锰系锂离子筛因其有对锂离子的高选择性、高吸附量、低成本等优点,在盐湖提锂方面已成为最具发展潜力的吸附剂材料之一,然而其在循环吸、脱附过程中,锰的溶损以及Jahn-Teller效应等问题会影响离子筛结构的稳定性,使吸附剂的吸附性能降低。近年来,围绕吸附性能提升,从制备方法方面进行改良的研究工作很多,可通过不同的制备方法调控锂离子筛的结构和形态。针对其存在的问题,总结了可以改善其性能的方法,包括掺杂、表面包覆以及造粒和成膜等,并在此基础上对改性锂离子筛材料在工业应用方面的发展方向进行展望,制备出高数量级循环下稳定的锂离子筛材料是未来的主要发展方向。

NASICON结构Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(0≤x≤0.5)固体电解质研究进展

锂离子电池在生活中的广泛应用大大提高了人们的生活品质。但是由于采用了易燃的有机液体电解质,传统锂离子电池存在安全风险,能量密度也受到了限制。使用固体电解质替代有机液体电解质发展全固态电池有望解决这些问题。在各种固体电解质中,NASICON结构固体电解质Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(LATP,0≤x≤0.5)具有离子电导率高、耐环境稳定性好,合成条件温和等优势,因此有广阔的发展前景和应用潜力。本文先从晶体结构、离子扩散机理、合成方法、提升离子电导率的途径4个方面综述了LATP材料的研究进展;另外,电化学稳定性差以及和电极活性材料界面阻抗大的问题限制了LATP固体电解质在全固态锂电池中的应用,所以在后半部分总结了这些关键问题的解决途径和方法。最后指出,界面问题是限制LATP固体电解质在全固态电池中应用的主要问题,还需要发展更好的策略来进一步优化LATP与电极活性材料之间的界面。

稀土元素上转换材料在钙钛矿太阳能电池中应用的研究进展

无机有机杂化钙钛矿太阳能电池被认为是最有发展前景的第三代光伏技术之一,经过短短几年时间的研究,钙钛矿太阳能电池现今的最高效率已经突破22%.随着钙钛矿太阳能电池的效率越来越接近理论效率,为了进一步提升电池效率,研究人员将目光投向了钙钛矿材料不能有效吸收的近红外波段.在本文中,我们回顾了近两年来将上转换材料与钙钛矿太阳能电池相结合的研究,将它们分成较为传统的方法和新型方法.传统的方法即是使用较为单一的NYF纳米颗粒对钙钛矿太阳能电池进行掺杂,利用稀土离子的上转换效应,吸收近红外光,扩宽钙钛矿的吸收范围,从而提升太阳能电池的性能;而新型的方法即是在传统的单一使用稀土离子的基础上,添加其他离子或者引入重掺杂半导体材料来进一步提升太阳能电池性能的方法,从实验结果看,这两种方法都取得了较好的结果.

自修复材料在储能器件中的研究现状

对自修复材料的外援型和本征型两种自修复机理进行介绍,对修复模型进行分析,并详细阐述本征型自修复材料作为储能器件中的电极黏结剂、聚合物电解质、集流体、电极涂层和液态金属电极等的研究进展。总结自修复材料在当前研究中的困境,并对发展方向进行展望。

热电池用正极-电解质一体化复合薄膜的制备及性能研究

面向新一代小型化轻量化武器装备对热电池电源的实际需求,通过流延涂布工艺制备了正极-电解质一体化复合薄膜极片。所制备的一体化薄膜具有良好的机械强度,极片厚度仅为180 mm,远小于传统粉末压片工艺制得极片的厚度。将一体化薄膜极片与锂硼负极组装成单体电池进行放电,放电结果表明,在100 mA/cm^(2)的电流密度下,450℃时单体电池的峰值电压为2.01 V,截止电压1.0 V时,放电时间达到125 s,对应比容量可达1806 A·s/g;同时,单体电池内阻也相对较低,仅为40 mΩ。

基于碳纳米薄膜/砷化镓范德华异质结的高性能自驱动光电探测器研究

基于碳纳米材料/体半导体范德华(vdW)异质结的光电器件可以同时实现碳纳米材料的超高载流子迁移率以及体半导体的优异光电性能,且具有结构简单、工艺简便、易于调控界面等优点。尤其是通过调控单壁碳纳米管(SWCNT)的直径/手性、费米能级等可以与体半导体形成能带匹配、具有原子级界面的新型混合维度vdW异质结。本文报道了一种基于(6,5)手性为主的SWCNT薄膜与n型GaAs所形成的pn结的宽光谱自驱动光电探测器,并利用石墨烯降低SWCNT薄膜内载流子的复合几率和促进载流子传输。实验结果表明,器件对405~1064 nm波段光子表现出高灵敏的光电响应,零偏压条件下最大光电响应度和比探测率分别可达1.214 A/W和2×10^(12) Jones。