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。

锂离子电池快速寿命评价技术与方法

随着锂离子电池寿命特性的提升,以及电力储能、电动汽车和航空航天等应用领域对长期运行可靠性的需求,迫切需要在较短时间内完成锂离子电池的高精度全周期寿命评价。近年来,针对锂离子电池剩余寿命的研究较多,但对以锂离子电池寿命特性验证与鉴定为目的的快速寿命评价技术和方法缺乏系统梳理。本文分析了锂离子电池寿命评价的快速、高精度、强适用性等特点,归纳了锂离子电池寿命预测的通用技术和加速寿命试验设计流程,总结了4种可操作性强的快速寿命评价方法实例,为锂离子电池设计、制造和应用提供参考和借鉴。

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。

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。

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。

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。

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。

基于多尺度的空间锂离子蓄电池单体电-热耦合模型

针对高比能兼顾高功率的锂离子电池,高电极载量、高压实、低电导等特性会显著增加电池大倍率放电的产热和内部温差,传统的热试验方法无法获取电池内部温度分布。将传统热试验与仿真相结合,以能量功率兼顾型空间锂离子蓄电池单体为研究对象,建立了一维电化学与三维热双向耦合模型,获取了电池在绝热环境下不同倍率放电的电压、温度和发热功率变化,仿真结果与实验值吻合度高,分析得到单体电池大倍率放电的本征热安全区间为0~75%放电深度(DOD)。同时,计算发现随着放电倍率的增加,放电结束时电池温度最高区域由电芯内部中心位置逐渐变成正极极柱,最大温差逐渐增大,3 C时达到0.82℃。假设增加底面恒温散热,3 C放电结束的最大温差高达11.18℃。本文建立的模型不仅适用于空间锂离子蓄电池单体的研发,还适用于电池组的热仿真设计。

小型SAR卫星用双高特性锂离子电池技术

小型合成孔径雷达(SAR)卫星对储能电池系统提出了轻量化、大功率的要求,现有的SAR卫星用电池难以满足需求,急需开发高能量高功率的锂离子电池。采用兼具容量和功率性能的镍钴铝酸锂(LiNi_(x)Co_(y)Mn_(z)O_(2),NCA)作为正极活性材料,高容量中间相炭微球(MCMB)作为负极活性材料,显著提升了电池体系的容量和比能量。通过设计极片的活性物质载量和电解液用量,保证了电池功率性能(≥10 C)的发挥;通过加大电极片面积和极柱尺寸,控制了大倍率放电时电池温升。研制了兼顾高比能和高功率的锂离子电池单体,额定容量20 Ah,1 C放电比能量达到180 Wh·kg^(-1),且10 C放电容量相较1 C保持率96.24%,15 C下持续放电比功率超过2000 W·kg^(-1),可以满足下一代轻小型SAR卫星能源供电需求。

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。

高能电子辐照对三结GaAs激光电池特性的影响

研究了能量为1 MeV的电子辐照对三结GaAs激光电池(LPC)性能的影响。不同剂量电子辐照后三结GaAs LPC光照下的I-V特性测试结果表明,三结GaAs LPC短路电流、开路电压和最大输出功率的衰减随电子辐照剂量的提高而增大。通过测量不同波长激光照射下三结GaAs LPC的宽电压范围I-V曲线,确定了各子电池对应的光生电流,结果显示各子电池光生电流衰减随辐照剂量增加而不同程度地增大,越靠近衬底的子电池电流衰退越严重。利用wxAMPS软件模拟了各子电池光生电流随缺陷密度的变化关系,结合实验和模拟结果得到了各子电池辐照后的缺陷密度及缺陷引入率,结果表明各子电池受电子辐照后的缺陷引入率大致相同,约为6.7。可通过优化各结子电池厚度达到提高三结GaAs LPC抗辐照性能的目的。

锂离子电池热失控产气的研究进展

对锂离子电池热失控产气危害及测试方法进行探讨,从锂离子电池热失控产气机理出发,分析锂离子电池热失控燃烧与常规火灾的区别,总结了近年来锂离子电池热失控产气的成分、产气量、产气速率对于火灾蔓延和毒性等级的影响研究进展。最后针对安全使用需求,对后续产气研究的测试装置及方法提出展望。

追踪锂金属负极的压力与形貌变化

采用高载量氧化物正极(>4mAh·cm^(-2))和超薄锂金属负极(<50μm)可以构建高比能锂金属二次电池。然而,该类电池的循环寿命和安全性受到锂金属不可控沉积的严重制约。高比表面积的锂枝晶和锂“苔藓”导致了较低的库伦效率,前者有一定可能穿刺隔膜,造成电池内短路,是亟待解决的安全隐患。因此,提升锂金属二次电池的循环寿命和安全性的关键在于实现锂金属的致密沉积。文献中已有多种化学方法可达到这样的效果。由于锂金属较软,受力容易发生形变,对锂金属电池施加机械压力是另一种促进锂金属致密沉积和提高循环性能的方法。然而,机械压力、锂金属形态的演变、和循环性能之间的关系尚未被完全理解。本文报道了一种基于薄膜压力传感器的电池压力测量装置,可以实时跟踪纽扣型锂金属电池内部的压力变化,并且探究外加机械压力对电池循环性能的影响。研究发现,在纽扣电池和高比能的软包电池(5 Ah,>380 Wh·kg^(-1))中,一定程度的压力可以促进锂金属的致密沉积,改善电池循环性能;而过大的压力则会导致锂金属向负极内部沉积,造成负极变形和电池性能恶化。我们的研究结果凸显了压力控制对于锂金属沉积行为的重要作用,为进一步改善高比能锂金属电池的循环性能提供了指导。

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。

离聚物含量对质子交换膜燃料电池性能的影响

离聚物含量是构建质子交换膜燃料电池催化层三相反应界面的关键参数,为研究其对膜电极性能的影响,制备了不同I/C比(离聚物与碳载体质量比值)的膜电极,并进行了电极极化性能、敏感性和交流阻抗测试。结果表明:低I/C比(<0.4)或高I/C比(>1.0)时,膜电极均会因为较高的传质极化或浓差极化而导致电极性能较差;而I/C比在0.4~1.0范围内,不同工作条件下存在最佳的I/C比值,且更高的I/C比通常会导致更低的膜电极性能衰减。该研究结果对于膜电极开发过程中催化层结构优化设计具有重要意义。

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。

高功率混合型储能器件专利发展趋势分析

以高功率混合型储能器件我国专利为研究对象,通过对我国专利数据进行的分析和挖掘,总结分析专利的时序分布、主要技术主题以及重点申请人等方面,揭示该技术领域当前的专利活动特点,并提出未来该技术领域的专利创新特点,为我国在该领域的科技创新和产业化提供参考依据。

循环老化对锂离子电池在绝热条件下的产热及热失控影响

随着锂离子电池能量、寿命的提升,对安全性需求也越来越高,温度对电池的寿命和安全有着重要影响。以钴酸锂/中间相碳微球体系电池为研究对象,采用加速量热仪研究了不同工作电流、不同循环老化周期电池的产热特性和热失控行为,电池的发热量随着充放电倍率的增加而增大。通过比较不同循环老化周期电池的产热速率,发现容量衰减速度与直流内阻、产热量之间存在很强的关联性。从热失控行为研究发现,自放热起始温度为105.4℃,随后发生连续自放热,直到温度达到149.7℃热失控起始温度,发生内短路,最终导致电池热失控。循环后电池的热失控过程中自放热和热失控起始温度稍有变化,热失控时间大大缩短。

陶瓷隔膜对锂离子电池低温性能的影响

以普通聚烯烃隔膜为空白样,对比干法和湿法聚烯烃基材制备的陶瓷隔膜的本征性能,包括透气度、微观形貌、孔隙率和离子电导率等。干法陶瓷隔膜、湿法陶瓷隔膜和普通隔膜的透气度分别为168 s/100 ml、224 s/100 ml和555 s/100 ml,离子电导率分别为1. 115 m S/cm、0. 735 m S/cm和0. 467 m S/cm。分别用3种隔膜制备容量4. 5 Ah、比能量233 Wh/kg的软包装锂离子电池。在-40℃下,以4. 0 C连续放电,干法陶瓷隔膜、湿法陶瓷隔膜以及普通隔膜软包装试验电池的容量保持率分别是额定容量的81. 8%、62. 6%和51. 1%。与普通聚烯烃隔膜相比,陶瓷隔膜可提高锂离子电池在超低温(-40℃)下的倍率性能。以干法聚烯烃膜为基材的陶瓷隔膜对电池超低温倍率性能的增效作用,高于以湿法聚烯烃膜为基膜的陶瓷隔膜。

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。