AI辅助电池材料表征与数据分析

随着锂离子电池(LIBs)的快速发展,传统实验方法在处理复杂数据和优化设计时面临挑战。近年来,人工智能(AI)技术在数据处理、模式识别和预测分析方面展现出巨大潜力,为LIBs的研发提供了新的解决方案。本文综述了AI在锂离子电池材料表征中的应用,包括谱学和成像表征技术。AI通过特征提取和数据分析,提高了谱学分析的准确性和效率;结合先进成像技术,研究者能够以前所未有的精度和速度探索材料内部结构。AI在图像识别、分类和分割中的应用,进一步提升了数据处理的效率和准确性。未来,AI将通过技术创新和跨学科合作,在电池材料科学领域发挥重要作用,推动高性能电池的研发和应用。

锂离子电池SEI多尺度建模研究展望

锂离子电池高还原性负极表面的固体电解质界面膜(SEI)是影响电池电化学性能与稳定性的关键组分,但SEI的形成涉及多尺度、多物理场下的复杂过程,且组分异常复杂。在电池外壳“黑箱”环境下,现有的非原位技术对其表征无能为力,而原位技术又难以得到较高真实度的结果,难以深入理解SEI的相关机制。采用数学的方法对SEI进行建模研究,有望将复杂的物理场进行解耦,进而精准描述SEI的形成和演化的机制与过程,是近年来电池领域的研究热点。本文按对象尺度由小到大从原子到介观尺度逐渐增大的顺序分别总结了第一性原理分子动力学、反应力场分子动力学、经典分子动力学、蒙特卡罗算法、宏观性质建模在SEI建模研究中的应用进展,介绍其在指导电极材料开发及电解液改性方面的成功案例,着重讨论分析了多尺度建模研究SEI的难点与不足。并提出针对SEI的电化学势场特性建立力场算法平台,采用动力学蒙特卡罗方法和机器学习辅助将模型拓展到数万直至数亿原子,并通过逐级计算结合试验验证及专家评估促使收敛,获得具有量子力学精度且带电化学势场的SEI模型,有望实现SEI的长时域建模。

锂硫电池用凝胶聚合物电解质的研究进展

锂硫电池因其高达2600 Wh/kg的理论能量密度、低廉的成本和对环境相对更高的友好性,成为最有望替代传统锂离子电池的候选者之一。凝胶聚合物电解质在锂硫电池中的应用,解决了全固态聚合物电解质带来的离子电导率差和界面阻抗大等问题,同时能够抑制传统液态锂硫电池中多硫化物的“穿梭效应”,提高电池的安全性,在电解质研究中日益受到青睐。从结构和性能方面总结了近年来凝胶聚合物电解质在锂硫电池中的研究成果,最后,展望了制备高性能准固态锂硫电池面临的挑战和发展方向。

锂离子电池负极材料TiNb_(2)O_(7)的研究进展

锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、使用温度范围广及循环寿命长等优点,在便携式电子设备、电动汽车和储能等领域得到广泛应用。TiNb_(2)O_(7)具有较高理论比容量(388 mAh/g),在充放电过程中体积形变较小,且在快速充电时可以避免锂枝晶的生成,使电池具有更好的安全性和更短的充电时间,是很有潜力的锂离子电池负极材料之一。但是,TiNb_(2)O_(7)的电子电导率和离子电导率较低,阻碍了其推广应用。本文作者通过对近期相关研究的探讨,结合国内外在TiNb_(2)O_(7)负极材料制备方面的最新研究进展,综述了TiNb_(2)O_(7)的结构、制备方法及改性策略,对其晶体结构及嵌锂机制进行讨论;同时介绍了高温固相法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、溶剂热法及模板法等几种TiNb_(2)O_(7)的制备方法,分别介绍了纳米化、掺杂、引入氧空位及添加导电涂层等四个改性方法及其对TiNb_(2)O_(7)电化学性能的改善效果。综述分析表明,纳米化可以缩短锂离子的扩散路径,掺杂以及氧空位的引入可以改变TiNb_(2)O_(7)结构,复合电极可以改善其导电性,不同的改性方法可以有效地提高电极材料的倍率及循环性能,有望使其在高功率储能器件中得到良好应用。

锂离子电池正极材料本体结构演变及界面行为研究方法

储能需求的不断增加,要求储能设备拥有更大的容量,而锂离子电池则在储能领域被寄予厚望。正极材料的结构稳定性及储锂电压直接决定了电池的比能量和比功率,其研究一直是锂离子电池研究的核心问题,近些年引起了人们的广泛关注,尤其是材料的结构和电化学行为的实时-原位表征研究对开发和设计性能更为优异的材料有极大的促进作用。对正极材料而言,我们希望获得微观结构形态、化学组分、离子价态变化、外观形貌、离子输运和电子迁移等特性信息以便于进行更为有效的材料制备、结构设计和改性预处理。本综述对表征方法的原理、表征技术使用的场景和相对应的信息等都做了一定的阐述,同时列举了近年来相关技术在锂离子电池正极材料研究中的一些应用。最后则对比讨论了当前表征技术的优缺点,说明了其在研究工作中面临的主要挑战。因此,本文总结了当前对正极材料的结构以及表-界面行为表征常用的技术,包括显微成像、结构与物相、组分与化学价态、成键与官能团的表征,为促进不同的表征技术联用和材料系统分析提供参考借鉴。

锂合金电极材料的研究进展分析

随着固态电池、无负极高比能电池、锂基新型电池如锂-氧/锂-硫电池体系、高比能量锂一次电池的发展,锂金属电极材料的研究已经从将其单纯作为液态电池的参比或对电极材料,慢慢地转变为作为更重要的高比容量负极材料,但考虑到锂的安全性以及其自身的体积效应,安全性更高的锂合金电极材料的研究逐渐成为高性能储能器件构筑设计与研究关注的重点。主要基于锂合金电极材料,对近期相关电极材料在锂离子电池、锂空气电池、锂-硫等液/聚合物/固态电池领域的研究进展进行了梳理,比较了各类锂合金材料的优、劣势,以期为相关电极材料的下一步发展提供参考,也为新型高比能量、长循环寿命的储能体系的原理探索与设计提供科学借鉴。

植物发供电技术的研究进展

植物发供电技术是一种以植物作为发供电主体,利用电化学手段和植物自身的生理过程等,将自然界中的光能、机械能和生物质能等直接或间接转化为电能的绿色能源技术,具有节能环保、低成本和可持续的优点,对于基础科研和实际应用皆具有重要意义。本文通过对近年来该技术相关研究工作的分析探讨,综述了5类植物发供电技术的最新研究进展,包括牺牲电极植物原电池发供电技术、植物体离子浓度差发供电技术、类光合作用发供电技术、植物微生物燃料电池发供电技术和植物区域离子浓度扰动发供电技术。重点介绍了各类植物发供电技术的优势、原理、提高发供电能力的方法以及应用实例等,并将基于离子选择性纳米通道所设计的浓差电池的能量转换原理和应用展望到植物体内,有望推动植物发供电技术的进一步发展。最后,总结了植物发供电技术存在的问题及待解决的关键技术难点,并对植物发供电技术的应用前景进行了介绍。期望本文综述的植物发供电技术研究进展能够为新型清洁电力能源的获取提供新的思路,并能够推动植物发供电技术的实际应用进程。

军用便携式燃料电池技术发展

简述直接甲醇燃料电池(DMFC)、重整甲醇燃料电池(RMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜电池(PEMFC)在军用便携式电源中的研究进展,如优点(高比能量、静音和可靠性等)及面临的问题(催化剂稳定性、燃料转换效率和环境适应性等),并对发展前景进行展望。

Li_7La_3Zr_2O_(12)固体电解质合成方法进展

传统锂离子电池由于采用有机电解液,存在漏液和燃烧的危险,限制了其应用。采用固体电解质的新一代全固态电池在提高电池安全性的同时,也可使电池寿命大大延长。固体电解质可分为高分子聚合物和无机固体陶瓷两类。高分子聚合物固体电解质在室温下离子导电率低,难以用于全固态电池。类石榴石型LLZO(Li_7La_3Zr_2O_(12))是无机固体电解质的最新研究热点之一,具有离子导电率高、稳定性好等优点。基于此,对近年来LLZO固体电解质制备方法进行了综述。

碳材料在金属化合物固态储氢中的应用

氢的安全、经济和高效储运是制约燃料电池-氢能推广应用的重大障碍。金属化合物固态储氢因理论质量储氢密度高、体积占比小、储氢压力低和安全性高,是以潜艇为代表的密闭空间场合用燃料电池的首选氢源,但热力学稳定和动力学释放氢缓慢等问题限制了其性能的发挥。碳材料因强结构设计性、独特的电子性质和高导热性,在金属化合物储氢中的研究日益广泛。基于此,从纳米结构约束、催化剂和添加剂三个角度,对金属化合物储氢中碳材料的应用进行了归纳,阐述了金属化合物/碳复合材料的制备和结构以及碳发挥有益效果的作用机制。

军用低温起动电池发展研判

鉴于我国幅域辽阔、气候多变,发展低温起动电池是十分迫切的军事需求。有别于常规电池,低温起动电池不仅要求在低温下可有效工作,而且必须有大电流放电能力。同时,放电的时候,其冷起动电流(CCA)、电压降、安全性等都必须达到装备的既定要求,否则无法有效起动相应装备。因此,从铅酸电池、铅碳电池、锂离子电池、电容器以及上述单元组合的电源系统等方面对低温起动电池进行了论述,分析各类电池在低温起动应用方面的发展趋势以及对它们的未来发展予以初步研判。

聚丙烯腈在锂金属电池电解质中的应用

随着便携式电子设备、电动汽车和智能电网等快速发展,人们对高能量密度锂金属电池的关注日益增多。锂金属表面不均匀的剥落或沉积会导致锂枝晶生长,锂枝晶容易刺穿隔膜,存在引发电池短路的风险,而且高反应活性的锂金属会与电解液不断反应被消耗,生成不稳定的固体电解质界面(SEI)膜,造成不可逆的容量损失,因此兼顾高能量密度与高安全性是锂金属电池发展应用中亟需解决的关键科学问题。具有强吸电子基团(C≡N)的聚丙烯腈(PAN)聚合物与碳酸酯溶剂中C=O的相互作用能形成更稳定的SEI膜,PAN作为锂负极涂层还能抑制锂枝晶的生长;另外,PAN具有较低的最低未占据分子轨道、较高的电化学稳定性和较宽的电化学窗口,能作为锂金属电池的聚合物电解质,并匹配高电压正极,兼具高能量密度和高安全性,故PAN聚合物在锂金属电池的电解质中有着很大的应用潜力。本文从电解质的不同状态(液态、凝胶、固态)介绍了PAN聚合物在液态电解质中作为隔膜、锂负极保护层以及在凝胶电解质、固态电解质的最新研究成果,并对PAN聚合物在锂金属电池电解质中的发展趋势进行展望。