主  管:中国石油和化学工业联合会
主  办:化学工业出版社,中国化工学会
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主  编:黄学杰
国内刊号:CN 10-1076/TK
国际刊号:ISSN 2095-4239
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2020年, 第9卷, 第2期 刊出日期:2020-03-05 上一期   
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2020 (2):  0. 
摘要 ( 13 )   PDF(20578KB) ( 36 )  
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贺信
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摘要 ( 6 )   PDF(1647KB) ( 12 )  
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庆祝陈立泉院士八十寿辰专刊
基于碳酸酯基电解液的4.5 V电池
詹元杰, 武怿达, 马晓威, 梁海聪, 黄学杰
2020 (2):  319-330.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0045
摘要 ( 91 )   HTML ( 12 )   PDF(6265KB) ( 124 )  

尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4(镍锰酸锂)正极材料相对于金属锂的平台电压高达4.7 V,高电压镍锰酸锂电池单体工作电压比磷酸铁锂电池高1.3 V,比三元材料电池高0.9 V,具有比能量高和成本低的优势,可满足后补贴时代新能源汽车对动力电池长续航里程和经济性的需求。镍锰酸锂电压平台高是一个巨大的优势,同时也是其商业化的重大障碍,其充电截止电压相对于金属锂高达4.9 V,一直以来被认为现有碳酸酯基电解液不可能承受如此之高的工作电压,导致其商业应用止步不前。氟化碳酸酯、噻吩、离子液体等曾被引入取代目前商用锂离子电池电解液中的碳酸酯溶剂,但仍然未见到循环性足够好和库仑效率足够高的全电池数据。本文展示了基于碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯溶剂的高电压正极全电池数据。通过对镍锰酸锂正极材料的界面进行改性,抑制电解液与界面的副反应,使全电池的效率和循环性能有了较大的提升,但性能离商业应用仍有略微的差距。在材料改性的基础上,通过使用含多种电解液添加剂的GDY电解液后,进一步抑制碳酸酯基电解液与界面的副反应,提高全电池的效率和循环性能,并与已报道的采用耐高电压溶剂的全电池数据进行对比,显示出了更为优异的电化学性能。全电池在25 ℃和1 C下循环1000周后容量保持率可达88.02%,充放电库仑效率为99.93%。55 ℃和1 C下循环300周后容量保持率高达93.88%,充放电库仑效率为99.80%,这些性能已经满足了动力电池的应用要求。此外通过全电池充放电曲线的中值极化电压和阻抗随循环的对比,显示了材料改性和电解液优化对电解液副反应的抑制作用。这表明具有4.5 V工作电压的LiNi0.5Mn1.5O4/石墨电池可以基于现有的碳酸酯基电解液实现商业化。

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电解液组成对固相转化机制硫电极性能的影响
吴湘江, 何丰, 曹余良, 艾新平
2020 (2):  331-338.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0282
摘要 ( 74 )   HTML ( 7 )   PDF(3476KB) ( 74 )  

锂硫二次电池由于潜在的高比能优势,被认为是最具发展潜力的新一代电化学储能体系。然而,构建高活性、长寿命的硫电极遇到了巨大的技术挑战。主要原因是常规硫电极在其充放电过程中伴随着多硫离子中间产物的溶解和流失,导致其循环稳定性较差。我们前期工作证实,利用碳酸亚乙烯酯(VC)溶剂与多硫离子之间的亲核反应在硫电极表面原位生成一层SEI膜,可以有效隔离硫与电解液的直接接触,实现硫与硫化锂之间的固-固转换,从而避免多硫离子的产生和溶出。为了获得更符合实际应用的研究结果,本工作中我们采用高面载量硫电极(7mg/cm2)为研究对象,探究了电解液组成,包括VC含量、LiTFSI锂盐浓度,对固相转化硫电极性能的影响。结果表明,在高VC含量和高LiTFSI浓度的“双高”共溶剂电解液[2.5 mol/L LiTFSI + VC/DOL/DME(体积比为10:5:5)]中,高面载量S/C复合电极展现出高的可逆比容量(1090mA·h·g-1)和优异的循环性能(50周容量保持率97.2%)。研究结果为构建高循环稳定性硫电极提供了可行的技术途径。

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全固态锂硫电池正极中离子输运与电子传递的平衡
叶戈, 袁洪, 赵辰孜, 朱高龙, 徐磊, 侯立鹏, 程新兵, 何传新, 南皓雄, 刘全兵, 黄佳琦, 张强
2020 (2):  339-345.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0002
摘要 ( 130 )   HTML ( 8 )   PDF(3062KB) ( 164 )  

全固态锂硫电池可抑制锂枝晶生长,且可避免多硫化物穿梭等问题,被认为是极具前景的下一代储能体系。固态正极中活性物质硫的绝缘性,使得电化学氧化还原需要离子传输和电子传递网络的双连通。而如何平衡固态正极中离子输运与电子传递路径是实现电池稳定运行的关键。面向未来高比能储能体系,本文在40%(质量分数,下同)的高硫含量复合正极中,通过调控复合正极中电子导体碳纳米管(CNT)与离子导体Li10GeP2S12(LGPS)相对含量,借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)与拉曼测试以及电化学测试与表征等,考察不同CNT与LGPS比例下硫正极的电子导率与离子导率,并通过对比硫正极的首圈放电容量以及在第二圈的容量保持率,从而探索正极设计的离子通路与电子通路的最优平衡条件。结果表明,硫正极中LGPS电解质含量低时,锂离子传输受阻;当LGPS电解质含量高时,电子传递阻力大且反应活性界面有限。因此,综合对比放电容量与容量保持率,可以得出40%高硫含量正极中,离子输运与电子传递的最优平衡条件是CNT和LGPS的含量分别为15%和45%,此时全固态锂硫电池首圈放电比容量621 mA·h/g,容量衰减率为3%。

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P2-O3复合相富锂锰基正极材料的合成及性能研究
张建宇, 鲁理平, 于志辉, 宋进, 夏定国
2020 (2):  346-352.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0021
摘要 ( 83 )   HTML ( 5 )   PDF(2548KB) ( 117 )  

为了解决高比能富锂材料电压衰退、首圈库仑效率低、倍率性能差等问题,本文通过简单的固相烧结法合成P2-O3复合相富锂正极材料。该材料利用P2相在首次充放电过程中转化为O2相,避免过渡金属迁移,有效地降低了循环过程中的电压衰退,极大地提高了首圈库仑效率和倍率性能。电化学性能测试表明,在2.0~4.6 V以0.1 C(1 C=200 mA/g)电流进行充放电,P2-O3复合相富锂正极材料可以提供高于290 mA·h/g的比容量,首圈库仑效率高达97%。1 C放电比容量约为240 mA·h/g,100圈容量保持率接近80%;100圈平均电压衰退小于170 mV。该复合相富锂正极材料合成制备简单;在2.0~4.6V电压范围内,实现传统富锂材料在2.0~4.8 V下的高容量,这大大促进了富锂材料与商用电解液的匹配;此外,循环性能相对良好,电压衰退也得到了一定的抑制,有力地推动了富锂材料在电动汽车市场上的应用。

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锂离子电池正极材料β-Li0.3V2O5 的电化学性能研究
邹剑, 汪博筠, 杨家超, 牛晓滨, 王丽平
2020 (2):  353-360.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0222
摘要 ( 93 )   HTML ( 0 )   PDF(3267KB) ( 88 )  

随着金属锂电池和全固态锂电池的发展,具有高能量密度无锂/少锂正极材料逐渐受到大家的广泛关注。该文通过一步固相法合成了结晶良好的微米颗粒少锂正极材料β-Li0.3V2O5,电子电导率为2.20×10-4 S/cm。该材料具有良好的循环性能,在2.2~4.0 V区间,0.5C电流下可逆容量为247 mA·h/g,循环100周仍有204 mA·h/g;同时倍率性能优异,在10C下容量为160 mA·h/g。利用非原位XRD,研究了该材料在1.5~4.0 V区间锂的嵌入/脱出过程的相变化,具体过程为:β(0<x<0.27) → β'(0.57<x<0.75) → β1 (0.57<x<1.92) → β2(0.75<x<1.92) → β3(1.92<x<2.52)。整个充放电过程中,体积形变较小,晶胞参数a最大形变为3.1%(β2),晶胞参数c最大形变为4.5%(β3)。

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低温熔融盐辅助高效回收废旧三元正极材料
范二莎, 李丽, 林娇, 张晓东, 陈人杰, 吴锋
2020 (2):  361-367.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0283
摘要 ( 67 )   HTML ( 6 )   PDF(3483KB) ( 85 )  

针对退役锂离子电池回收过程中所产生的二次污染及高能耗等问题,提出了一种绿色高效提取废旧镍钴锰酸锂正极材料中有价金属元素的新方法,采用氯化铵作为助熔剂,通过低温煅烧转化与室温水浸复合技术,有效提高了锂离子电池正极材料中有价金属的浸出效率与环境友好性;系统研究了煅烧温度、助熔剂与正极材料质量比、煅烧时间等条件对金属浸出率的影响规律与反应机制。研究结果表明,在煅烧温度350 ℃,助熔剂氯化铵和正极材料质量比为3.5:1,煅烧时间20 min,室温下经水浸后,金属镍、钴、锰和锂的浸出率均在97%以上。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征煅烧前后材料的晶体结构和表面形貌,深入阐明了煅烧过程中正极材料中金属的相间转化与动力学机理。与传统的湿法冶金和火法冶金回收技术相比,该回收技术具有较为合理的能源强度和更高的工业可操作性。

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锂合金薄膜层保护金属锂负极的机理
王成林, 屈思吉, 李晶泽
2020 (2):  368-374.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0062
摘要 ( 87 )   HTML ( 2 )   PDF(3281KB) ( 140 )  

金属锂是下一代高能锂电池的首选负极材料,在其表面包覆锂合金薄膜层可以大幅度延长其循环寿命,但当前对其保护机理缺乏深入的认识。通过在金属锂箔衬底上磁控溅射制备74 nm厚的Al薄膜,采用扫描电子显微镜观察在锂沉积、锂溶解不同循环周数的锂负极的表面及截面,发现Li-Al合金混合导体保护层展现出异于纯电子导体或纯离子导体保护层的特性。锂离子在合金层的表面被还原,随即快速扩散进入锂合金层中,避免了金属锂在合金层表面的沉积,有效抑制了锂枝晶和副反应的产生。实现了将锂原子的还原和成核生长限域在负极的不同空间位置上,这种新颖的保护模式有效提高了金属锂负极的循环性能。但是,在充放电的中后期,合金层由于周期性的体积变化,出现了大量裂纹,致使电解液可以直接接触金属锂衬底,从而导致合金层的保护作用逐渐失效,电池性能快速恶化。开发具有高机械强度、高离子电导率、膜结构完整、化学反应活性低的薄膜保护层是金属锂负极商业化的必由之路。

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尖晶石锰酸锂正极在Water-in-salt电解液中的电化学性能
熊小琳, 岳金明, 周安行, 索鎏敏, 胡勇胜, 李泓, 黄学杰
2020 (2):  375-384.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0069
摘要 ( 54 )   HTML ( 10 )   PDF(4764KB) ( 66 )  

尖晶石型锰酸锂正极作为一种主流的水系锂电池正极材料被广泛用于水系锂离子电池,研究表明其电化学性能高度依赖于锰酸锂材料自身化学组分、颗粒尺寸、形貌和晶体结构等材料属性。本文针对性选取了LiMn2O4、铝掺杂LiAl x Mn2- x O4、富锂Li1+ x Mn2- x O4三种典型的尖晶石型锰酸锂,通过一系列分析、表征手段研究循环前后其晶体结构、材料形貌以及化学组分的变化,探究在高盐浓度Water-in-salt电解液中3种材料电化学性能不同的原因。研究发现充放电时未经处理的尖晶石LiMn2O4因为严重的Mn溶解和Jahn-Teller效应产生了不可逆的相变和形貌变化,容量衰减严重,循环性能差;铝掺杂一定程度上抑制了尖晶石锰酸锂的Jahn-Teller畸变,但不能完全解决Mn溶解和晶格变形问题,也存在较严重的容量衰减;富锂Li1+ x Mn2- x O4可以有效抑制尖晶石锰酸锂在水系电解液中的Mn溶解和Jahn-Teller畸变,晶体结构稳定,综合电化学性能好,适合用于水系锂离子电池,提高其整体电化学性能。

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
探究锡在钠离子电池层状铬基正极材料中的作用
卞静静, 褚世勇, 奚凯颖, 郭少华, 周豪慎
2020 (2):  385-391.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0006
摘要 ( 43 )   HTML ( 1 )   PDF(2880KB) ( 58 )  

当今社会,人类对电子产品越来越依赖,因此,对电化学储能这项技术的需求也日益剧增。迄今,广泛应用的锂电池具有高的能量密度等优点,但是它的发展受限于越来越少的锂储量。钠离子电池的潜在应用有望解决这一问题,钠在地球中的储量丰富、分布广泛、价格低廉,并且与锂有相似的物理化学性质,可以作为锂的替代材料应用于电池中。在层状铬酸钠(NaCrO2)基础上发展的正极材料具有原料丰富、合成条件简单、成分可控等优点。但充电到高电压后,铬离子会从过渡金属层迁移到钠层中,铬酸钠的结构会发生不可逆结构转变,最终导致电池容量衰减。本研究通过向铬酸钠中掺入离子半径较大的锡(Sn)生成一种新的层状材料Na0.7Cr0.85Sn0.15O2。对材料进行X射线衍射分析和扫描电子显微镜表征,以及一系列的电化学测试和反应动力学测试,结果证明掺杂后的材料有平滑的电压曲线和稳定的晶体结构,并且缓解了容量的严重衰减,提高了循环稳定性。新型层状材料还具有更小的阻抗和极化,动力学性能更优异。此外,掺杂后的材料的空气稳定性也有很大提高。这种新型的层状铬基氧化物正极材料有望为钠离子电池正极材料的发展提供一个新的选择。

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
基于多氟代醚和碳酸酯共溶剂的钠离子电池电解液特性
车海英, 喻妍, 杨馨蓉, 廖小珍, 李林森, 邓永红, 马紫峰
2020 (2):  392-399.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0060
摘要 ( 50 )   HTML ( 1 )   PDF(4182KB) ( 48 )  

溶剂对锂/钠离子电池电解液离子电导率和安全性起着重要作用。碳酸酯类溶剂已应用于商业化的锂离子电池及钠离子电池研发中,但是其热化学稳定性有待提高。本工作率先在NaPF6/EC-DEC-FEC基础电解液中加入1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(F-EPE),部分取代DEC形成共溶剂,制备不同溶剂比的新型电解液,研究E-EPE对电解液可燃性、电导率、分解电位和电化学窗口等特性影响。将所制备的电解液应用于NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2(NFM)正极材料的电化学特征研究,揭示电极/电解液界面作用机理。结果表明,F-EPE能增强电解液的抗氧化能力,分解电压提高。随着F-EPE含量增加,电解液的阻燃性提高,当其含量达到30%时(EDH523F),形成不可燃电解液。当F-EPE含量为20%时(EDH532F),NFM容量保持率最佳,150圈后的容量保持率从75.7%(EC-DEC-FEC)提升至82.9%。SEM、ICP、EIS和XPS测试表明,相比基础电解液,EDH532F电池具有更稳定的电极界面和更低的界面阻抗,从而具有更好的循环性能。

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动力电池轻度电滥用积累造成的性能和安全性劣化研究
马天翼, 王芳, 徐大鹏, 林春景, 刘仕强, 陈立铎
2020 (2):  400-408.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0010
摘要 ( 35 )   HTML ( 2 )   PDF(3551KB) ( 58 )  

随着车用和储能用锂离子电池能量密度的不断提高,锂离子电池在其整个生命周期的安全性已成为这项技术持续发展的关键问题。电池在使用中出现的电滥用行为对其性能和安全性具有严重影响,然而轻度电滥用积累造成的影响常常由于短时间内反馈不显著而被忽略。本文针对锂电池在电动汽车和电网储能实际使用中最可能遇到的轻度过放电现象,结合电化学测试、断层扫描分析和材料表征技术进行了“材料-电池-性能”多层级分析,并基于中子成像技术深入分析了轻度过放电积累对电池锂元素状态造成的影响。

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三元前驱体微观形貌结构对LiNi0.85Co0.10Mn0.05O2 正极材料性能的影响
陈龙, 张二冬, 李道聪, 杨茂萍, 夏昕
2020 (2):  409-414.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0291
摘要 ( 67 )   HTML ( 6 )   PDF(1979KB) ( 111 )  

通过调节共沉淀制备过程中氨水浓度和pH值控制三元前驱体的成核与长大过程,制备得到团聚态和均一态两种微观结构的Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2前驱体。两种前驱体的粒度分布,比表面,振实等理化指标接近。烧结后制备LiNi0.85Co0.10Mn0.05O2三元正极材料测试电化学性能表明,两种正极的克容量及倍率性能相近,但具有均一态结构的正极材料1C循环50周后容量保持率达到98.3%,高于团聚态结构正极材料的96.9%循环保持率。dQ ·dV -1分析表明,具有均一态结构的正极材料循环前后的氧化还原峰位置和压差稳定,显示了较小的极化损失。进一步通过SEM表征,循环前后具有均一态结构的正极材料断面密实,显示出较高的机械强度,因此在充放电循环过程中颗粒无明显破碎,有较稳定的电极/电解液界面,可改善循环性能。

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固体氧化物燃料电池高催化活性阴极材料SrFeF x O3- x - δ
董旭, 杜志鸿, 张旸, 李科云, 赵海雷
2020 (2):  415-424.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0011
摘要 ( 47 )   HTML ( 6 )   PDF(5713KB) ( 39 )  

该工作制备了F离子掺杂的SrFeF x O3- x - δ (SFF x x=0、0.125、0.25)阴极材料,研究了F离子掺杂对材料结构及电化学性能的影响。结果表明,F离子的引入可使材料在室温下保持立方结构,F离子掺杂显著提高SFF x 的电子电导率、降低材料的热膨胀系数、提高材料的氧表面交换系数和体扩散系数,降低电极反应的极化电阻,改善材料的电化学催化特性。电极反应动力学过程研究表明,F掺杂可显著促进氧分子的解离过程,以SFF x 与Sm0.2Ce0.8O2- δ (物质的量比1:1)的混合材料为复合阴极,以La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3- δ (300 μm)为电解质并作为支撑体,NiO-Gd0.1Ce0.9O2- δ 为阳极组装单电池。研究发现,F掺杂提高了电池的功率密度,当x=0.25时,700 oC和 850 oC时最大功率密度分别可达446和962 mW·cm-2

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压缩空气储能系统膨胀机调节级配气特性数值研究
刘嘉豪, 王星, 张雪辉, 李文, 朱阳历, 陈海生
2020 (2):  425-434.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0038
摘要 ( 28 )   HTML ( 0 )   PDF(5108KB) ( 25 )  

压缩空气储能被认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一。本文针对压缩空气储能系统变工况运行的需求和储气装置与膨胀机设备入口存在压力损失的问题,提出采用喷嘴配气降低节流损失的方法,并通过计算流体动力学方法对MW级压缩空气储能系统中某闭式向心膨胀机调节级进行了整机全周数值计算与分析,通过调整各喷嘴组进口的气体状态,研究喷嘴配气对调节级性能的影响。研究结果表明,喷嘴配气条件下,调节级流量可在额定流量的0.86~1.42倍之间变化,满足调节需求;流量额定时,运行全过程调节级出功相比节流配气调节时可提高11.2%,总效率最大可提升9.4%。通过以上研究,揭示了喷嘴配气方式对向心膨胀机性能影响的机理,为喷嘴配气向心膨胀机的设计、优化及系统运行控制提供了理论依据。

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低熔点混合硝酸熔盐的制备及性能分析
张灿灿, 吴玉庭, 鹿院卫
2020 (2):  435-439.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0023
摘要 ( 22 )   HTML ( 1 )   PDF(1502KB) ( 17 )  

混合硝酸盐具有低成本、低熔点和腐蚀性小等优点,广泛应用于太阳能光热发电及储能工程中。本团队经过十余年的完全自主研发,成功得到了低熔点高分解温度的LMPS系列混合硝酸熔盐。本工作首先采用同步热分析仪对不同种类混合硝酸盐的熔点和分解温度进行测试分析,与其他种类混合硝酸盐对比发现,LMPS II熔盐具有最低的熔点温度和最高的分解温度,液态范围区间最大。其次通过对1200 h高温恒温实验结果分析发现,低熔点混合四元硝酸盐的熔点最大波动范围为±4.89%,其分解温度的最大波动范围为±3.54%。LMPS II的比热容,导热系数和综合成本均优于LMPS I和LMPS III,因此在实际的工程应用中,低熔点、低成本和高分解温度的LMPS II具有优良的传热蓄热性能,同时可以减少系统的运行成本及其冻堵风险。

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原位合成纳米ZnO对太阳盐比热容的影响
熊峰, 程晓敏, 李元元, 戴佩, 王秀丽, 钟皓
2020 (2):  440-447.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0297
摘要 ( 15 )   HTML ( 0 )   PDF(3081KB) ( 9 )  

太阳盐具有良好的热物性,在太阳能热发电储热系统中有良好的应用前景。提高太阳盐比热容可以显著提高其储热能力。本文采用水热法在太阳盐中原位合成片状纳米ZnO,采用燃烧法在太阳盐中原位合成颗粒状纳米ZnO。借助X射线衍射(XRD)、能谱分析技术(EDS)、场发射电子扫描显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)和差式扫描量热仪(DSC)研究纳米ZnO对太阳盐的结构与性能影响。结果表明,水热法制备的改性太阳盐中ZnO纳米片的尺寸为50~200 nm,当ZnO纳米片含量为1 %(质量分数)时,ZnO纳米片能够较好分布在基盐中,改性太阳盐固态和液态比热分别达到2.09 J/(g·℃)和1.78 J/(g·℃),分别提高71.3%和38.0%。燃烧法制备的改性太阳盐,ZnO纳米颗粒的尺寸在30~200 nm,当ZnO纳米颗粒含量为0.75%时,在基盐中分散性好,改性太阳盐固态和液态比热分别达到2.20 J/(g·℃)和1.88 J/(g·℃),分别提高82.0%和45.7%,比热性能要更优于水热法制备的改性盐。本研究有助于推动纳米颗粒改性无机盐的应用,为高比热容的太阳盐技术的研发提供实验依据。

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高能量密度锂电池开发策略
李文俊, 徐航宇, 杨琪, 李久铭, 张振宇, 王胜彬, 彭佳悦, 张斌, 陈相雷, 张臻, 杨萌, 赵言, 耿瑶瑶, 黄文师, 丁泽鹏, 张雷, 田启友, 俞会根, 李泓
2020 (2):  448-478.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0050
摘要 ( 85 )   HTML ( 10 )   PDF(42812KB) ( 261 )  

近年来各国政府对锂电池的发展都提出了阶段性的目标,要在满足安全性和其他综合技术指标的前提下,不断提高锂电池的能量密度,其基本思路是不断开发高比能电池材料的组合,并优化电芯设计及制造工艺。本文从材料筛选和电芯设计两方面出发,介绍了高能量密度锂电池的主要开发策略和未来发展趋势。在活性材料方面,总结了高比能锂电池正负极活性材料的研究现状,综合考虑了材料本身的性能和工程化、商业化前景,提出了富锂锰基正极材料和复合金属锂负极材料是高能量密度电池最具发展前景的活性材料;在非活性材料方面,总结了电解液、固态电解质、隔膜在不断提高能量密度的电池体系中可能面临的问题以及解决思路,提出了原位固态化技术是可行的技术路线之一;在电芯设计方面,评估了辅材选择和结构设计对电芯能量密度的影响,提出了高能量密度电芯设计的具体思路。最后,本文对高能量密度锂电池的开发做了全面的展望,提出锂电池的开发应从高能量、高安全、长寿命、快充放、低成本、耐高低温六个维度进行综合考虑,在保障其特定应用场景的使用要求下,不断提升能量密度是用户的终极需求。

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锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法
黄晓, 吴林斌, 黄祯, 林久, 许晓雄
2020 (2):  479-500.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0296
摘要 ( 80 )   HTML ( 5 )   PDF(12753KB) ( 139 )  

锂离子固体电解质是发展高安全性固态锂电池的关键材料,其性能与全电池的性能表现密切相关。离子电导率、电子电导率、化学窗口和对锂界面稳定性是锂离子固体电解质的基础电化学性能。对这些基础性能的准确测试有助于分析锂离子固体电解质材料的特性与功能,指导固态电池的构建。本文详细介绍交流阻抗谱法测试锂离子固体电解质的离子电导率的原理,并结合实例分析了仪器设备、阻塞电极、电极引线和测试偏压对测量结果的影响。针对氧化物、硫化物和聚合物三类锂离子固体电解质体系,本文介绍对称电池的制作方法并结合实测得到的典型阻抗谱曲线分析不同种类电解质材料的差异。此外,本文详细阐述了基于离子阻塞电极的直流极化方法测量电解质的电子电导率、基于改进的Hebb-Wagner电池构型的循环伏安法测量电解质的电化学窗口和基于金属锂对称电池的电化学循环方法测量电解质与锂的界面稳定性,并结合具体案例阐述数据的分析。

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基于硫化物固体电解质全固态锂电池界面特性研究进展
吴敬华, 姚霞银
2020 (2):  501-514.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0065
摘要 ( 40 )   HTML ( 5 )   PDF(1990KB) ( 59 )  

采用不可燃的无机固体电解质代替液体有机电解质的全固态锂电池,被认为是解决锂电池燃烧和泄漏等安全问题的终极解决方案之一。同时,锂金属负极的应用可以进一步提高电池的能量密度。近年来,得益于无机固体电解质锂离子电导率方面的突破,硫化物固体电解质被认为是最有前途的锂离子导体之一。然而,在该领域仍有许多挑战亟待解决,主要包括硫化物固体电解质的稳定性、硫化物固体电解质与电极之间的不稳定界面以及锂枝晶的形成与生长。因此,构建稳定的电极/固体电解质界面是实现高性能全固态锂电池的关键。本文针对当前基于硫化物固体电解质全固态锂电池面临的挑战和机遇,总结了目前存在的各种界面问题以及界面调控策略,最后探讨了全固态锂电池可能的研究方向和发展趋势。

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钠离子电池:从基础研究到工程化探索
容晓晖, 陆雅翔, 戚兴国, 周权, 孔维和, 唐堃, 陈立泉, 胡勇胜
2020 (2):  515-522.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0054
摘要 ( 67 )   HTML ( 4 )   PDF(3020KB) ( 80 )  

近年来,对低成本储能技术日益增长的需求促使越来越多的科研人员和工程师加入到钠离子电池基础研究和工程化探索的事业中来,钠离子电池以可观的速度在近10年内快速成长。本文首先分析了全球锂资源形势,尤其是我国锂资源存在的潜在风险;随后回顾了钠离子电池的前世今生,并着重介绍了近些年全球钠离子电池的产业化现状。根据本领域最新的研究进展,提炼出了钠离子电池在成本、性能等方面的7大优势,这些优势使钠离子电池具有巨大的发展潜力。最后重点介绍了本研究团队在铜基层状氧化物正极和无定形碳负极等低成本电极材料研发及其工程化放大,以及钠离子电池研制和示范应用方面的工作。钠离子电池的成功示范证明了其实际应用的可行性。通过对电极材料、电解液、制造和成组工艺以及电池管理等方面进行优化,有望进一步提升钠离子电池的综合性能,尽快实现在低速电动车、数据中心后备电源、通讯基站、家庭/工业储能、大规模储能等领域的应用。

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固态电解质锂镧锆氧(LLZO)的研究进展
姜鹏峰, 石元盛, 李康万, 韩百川, 颜立全, 孙洋, 卢侠
2020 (2):  523-537.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0286
摘要 ( 91 )   HTML ( 6 )   PDF(5127KB) ( 91 )  

高安全、高能量密度以及长寿命全固态电池被视为下一代最重要的储能技术之一,而开发高性能固态电池的核心之一就是制备性能匹配的固态电解质。石榴石型的Li7La3Zr2O12 (LLZO)固态电解质因其高离子电导(室温下约10-3 S/cm)、高电化学稳定性和对正极材料及锂金属负极良好的化学稳定性,自2007年被发现之后,便被认为是颇具前景的一类固态电解质材料。本文系统地综述了LLZO在结构调控、掺杂策略、离子输运机制认识以及界面稳定策略等最新进展;总结了对富锂石榴石结构、快离子输运行为的认识过程;并系统介绍了优化正极/负极与石榴石型固体电解质界面结构,改善界面润湿性的解决思路及LLZO基固态电解质材料构筑固态电池的进展,以期为探索全固态锂离子电池的实际应用提供借鉴。

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三元NCM锂离子电池高电压电解质的研究进展
毛舒岚, 武倩, 王卓雅, 陆盈盈
2020 (2):  538-550.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0287
摘要 ( 98 )   HTML ( 7 )   PDF(4603KB) ( 118 )  

层状三元材料LiNi x CoyMn1- x - y O2(以下简称NCM)具有较高的比容量和工作电压平台及良好的倍率性能,在电动汽车领域占据重要地位。为满足电动汽车续航里程的需求,提高工作电压被视为提升三元锂离子电池能量密度的一种有效手段。然而现存电解液电化学窗口窄,无法实现高电压下的稳定循环。本综述对高工作电压下的NCM电池电解质进行探讨,从电解液在高工作电压下分解相关的前线轨道理论及电极与电解液界面反应出发,指出了提高三元正极材料锂离子电池高压工作性能的关键,总结了近年来高工作电压下三元正极材料锂离子电池非水系电解质在溶剂、锂盐、添加剂等方面的设计进展以及固态电解质和离子液体在高工作电压下NCM电池中的应用。最后对电解液在高工作电压下的实际应用提出改进方案,对未来固态电解质的发展趋势提出展望。

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双离子电池研究进展
周小龙, 欧学武, 刘齐荣, 唐永炳
2020 (2):  551-568.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0252
摘要 ( 115 )   HTML ( 4 )   PDF(7507KB) ( 133 )  

作为清洁能源的重要载体,传统摇椅式锂离子电池(LIBs)由于具有循环寿命长、无记忆效应等特点,已广泛应用于消费类电子产品、电动汽车、储能电站等领域。然而,由于锂、钴等资源有限且分布极为不均,以及动力电池和蓄能电站等行业的快速发展,促使人们发展高效、低成本、安全可靠的新型储能技术,例如非锂阳离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Al3+等)二次电池、锌空电池、双离子电池(DIBs)等。其中,DIBs作为一种阴、阳离子共同参与电化学反应且正极主要依靠阴离子插层石墨类材料的新型储能技术,赋予了新型储能系统正负极材料更多的可选择性。此外,DIBs具有工作电压高、温域宽、安全性好、成本低、环境友好等优点,在规模化储能等领域具有良好的应用前景。本文首先简要地回顾了DIBs的发展历程,进一步从DIBs的工作原理着手,系统阐述了其研究现状,并对其所面临的挑战进行了展望。

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锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展
周军华, 罗飞, 褚赓, 刘柏男, 陆浩, 郑杰允, 李泓, 黄学杰, 陈立泉
2020 (2):  569-582.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0012
摘要 ( 100 )   HTML ( 13 )   PDF(13233KB) ( 137 )  

高能量密度锂离子二次电池对于缓解能源和环境危机具有重要意义。硅基材料理论比容量远超石墨,是目前公认的下一代锂离子电池负极材料。中国科学院物理研究所自1999年在国际上首次报道纳米化对于硅负极性能提升的重要作用以来,持续对纳米硅基材料的基础科学问题以及产业化应用进行了大量探索,主要包括纳米硅基负极材料的脱嵌锂机理、结构及形貌的动态演变过程、应力积累与裂纹的产生和SEI的三维可视化研究等内容。本文将对这些工作的一些基础研究进行总结,并对今后负极材料的发展提出自己的见解。

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高安全性锂电池电解液研究与应用
陈晓霞, 刘凯, 王保国
2020 (2):  583-592.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0027
摘要 ( 56 )   HTML ( 3 )   PDF(4706KB) ( 78 )  

锂离子电池(LIBs)由于具有较高的能量密度和良好循环稳定性而成为应用最广泛的储能设备之一。但是,其安全问题极大的限制了LIBs的生产及应用。LIBs的安全问题主要是由电池系统的热失控引起的,近年来,科学家们针对引起电池热失控的原因进行了研究,表明固体电解质界面(SEI)膜的分解是电池热失控的起点,随后电解液会与正负极材料发生反应,而目前使用的电解液具有闪点低、高度可燃等特点,存在着较大的安全隐患。因此,使用高安全性电解液可以有效提高LIBs的安全性。本文从可替代易燃的有机电解液角度,阐述了提高电解液安全的理论方法与技术途径,包括阻燃电解液、自身不易燃电解液、智能电解液以及水系电解液等方面。这些技术方法,还有望应用于有机液流电池体系,为高安全性大容量储能系统研究提供借鉴。

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学术争鸣
锂硫电池的实用化挑战
王维坤, 王安邦, 金朝庆
2020 (2):  593-597.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0295
摘要 ( 89 )   HTML ( 10 )   PDF(641KB) ( 103 )  

本文针对锂硫电池产业化进展缓慢的现状,从实用化层面分析了制约锂硫电池发展的基本问题:正极面容量低,电解液用量高,电池倍率性能差及锂负极的不稳定性,并结合自身工作,提出了解决方案。

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关于动力电池梯次利用的一些思考
来小
2020 (2):  598-602.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0269
摘要 ( 67 )   HTML ( 1 )   PDF(529KB) ( 73 )  

目前,针对动力电池的梯次利用存在着争议,一种观点认为退役电池不具备梯次利用的价值,应直接回收;另一种观点则认为退役电池大多数可梯次利用。本文从能否梯次利用的判断准则、梯次利用时的关键问题及应该做的工作3个方面阐述了笔者的看法,其中能否梯次利用应从安全性和经济性来判断,要考虑的关键问题包含电池状态的快速诊断、电池重组和应用场景的选择,当下应该做的工作包括突破退役动力电池安全隐患诊断等关键技术、开展小规模示范应用和完善数据体系。

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热点点评
锂电池百篇论文点评(2019.12.12020.01.31
张华, 田孟羽, 季洪祥, 田丰, 起文斌, 金周, 武怿达, 詹元杰, 闫勇, 俞海龙, 贲留斌, 刘燕燕, 黄学杰
2020 (2):  603-616.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0079
摘要 ( 40 )   HTML ( 1 )   PDF(767KB) ( 71 )  

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2019年12月1日至2020年1月31日上线的锂电池研究论文,共有3412篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了层状氧化物,特别是高镍三元(乃至全镍)的衰减机理和如何通过表界面修饰加以改善,富锂和高电压钴酸锂也有一部分。负极材料研究侧重于金属锂负极和硅负极,其中金属锂负极可通过制备界面膜,电解液添加剂,或者修饰集流体促进锂离子均匀沉积,减少枝晶;硅基负极则聚焦于制备复合材料来抑制体积膨胀和提高电子电导,进而提升库仑效率和循环稳定性。固态电解质研究涵盖了无机陶瓷和有机凝胶,两者的复合也是热点,液态电解质则重点研究新型添加剂或者锂盐添加效果。固态、锂硫和锂空等新技术还处在萌芽阶段,研究人员致力于寻找合适的电池形态和制备方法,保持电极的电子、离子传输性能以及反应可逆性。在测量和表征技术上,多种原位技术可以获取电极内部的形貌、锂元素分布,电位分布等信息在充放电过程中的动态变化,从而为机理研究和性能提升提供依据。理论模拟工作侧重于界面SEI形成机理分析,此外还有一些介观和宏观尺度的理论模型被提出,来理解实际使用中的力学和热力学问题。

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储能材料与器件
非水氧化还原液流电池研究进展
邢学奇, 刘庆华
2020 (2):  617-625.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0237
摘要 ( 16 )   HTML ( 2 )   PDF(3798KB) ( 4 )  

氧化还原液流电池是一类新兴的电化学储能技术,具备安全性好、寿命长、功率和容量解耦、效率高等特点,适用于可再生能源消纳、电力辅助服务、输配电、分布式发电和用户侧等应用场景。主流的水系液流电池具备较好的安全性,但是能量密度普遍低于50 W·h/L,发展非水液流电池有利于打破水溶剂电化学窗口的限制,提高活性物质的电压和有效含量,目前成为国内外广泛关注的热点。本文对近几年非水液流电池的研究进展进行了介绍。根据电池活性物质种类的不同,综述了非水金属配合物体系、非水有机体系、非水聚合物体系和非水金属锂/有机混合体系的研究工作,并简要阐释了每类非水体系的优势和存在的挑战。目前,一些非水液流电池的开路电压超过3 V,理论能量密度高于200 W·h/L,具备了显著的高能量密度的优势,有望做为动力电池使用,将液流电池的应用拓展到电动车领域,实现液流电池应用领域拓展和动力电池技术路线选择范围增加的双突破。

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预锂化对锂离子电池贮存寿命的影响
程广玉, 刘新伟, 顾洪汇, 高蕾, 王可
2020 (2):  626-632.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0253
摘要 ( 86 )   HTML ( 0 )   PDF(2744KB) ( 98 )  

为了研究拓展锂离子电池贮存寿命的方法,本工作研制了两款额定容量为2.0 A·h的软包锂离子电池,分别为采用了预锂化工艺的贮存电池和常规设计的对比电池。对比了预锂化对电池倍率性能、循环性能及贮存寿命等的影响。结果表明,预锂化可以有效降低电池自放电、提升循环容量,但会间接降低电池的倍率性能。在软包电池的设计基础上进行了18650电池的研制,同样采用预锂化处理工艺,该电池额定容量2.0 A·h、10 C放电容量达到0.2 C容量的99.8%,表现出卓越的倍率性能。55 ℃搁置8个月容量保持率86.6%,搁置数据拟合结果表明,其在该温度下贮存寿命是市售同类电池的2.5倍以上。另外,该电池循环300次容量无衰减,表现出优异的循环性能。

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储能标准与规范
锂离子电池热失控泄漏物与毒性检测方法(草案)
孙杰, 李吉刚, 周添, 卫寿平, 解洪嘉, 唐娜, 党胜男, 杨凯, 李泓, 邱新平, 陈立泉
2020 (2):  633-637.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0055
摘要 ( 40 )   HTML ( 4 )   PDF(531KB) ( 42 )  

在国内外锂电产业和电动汽车产业的发展渐趋稳态之时,锂电池热失控泄漏物的毒性问题在密切关注之下正在逐步解决。在陆军防化学院、国家电网、国家自然科学基金委和国家科技部相继支持下,开展了锂电热失控泄露物的成分和毒性检测标准方法的研究,方法草案已提交国家重点研发项目“动力电池测试与评价技术”的项目办公室,并拟提交电动汽车安全性-全球技术法规(EVS-GTR)。此文为草案,非正式文本。

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储能测试与评价
磷酸铁锂动力电池备电工况寿命试验研究及分析
刘仕强, 王芳, 马天翼, 林春景, 白广利, 韦振, 陈立铎
2020 (2):  638-644.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0007
摘要 ( 33 )   HTML ( 2 )   PDF(2031KB) ( 45 )  

随着新能源汽车使用周期的增长,车用动力电池逐渐进入报废阶段。本工作以电动汽车用磷酸铁锂动力电池为研究对象,基于通信基站备电工况,开展了温度和恒压充电电压双因素工况的可用周期试验验证工作。研究结果表明,当备电工况的环境温度增高时,样品的性能衰减明显加速,出现非线性加速衰减的趋势;当备电工况的恒压充电电压变化时,样品的可用容量衰减趋势差异较小,放电直流内阻的变化差异明显。研究结果说明,当磷酸铁锂动力电池在备电工况再利用时,需要根据实际工况需求控制环境温度和恒压充电电压。

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全钒液流电池建模与流量特性分析
邵军康, 李鑫, 莫言青, 邱亚, 董学平, 朱浩宇
2020 (2):  645-655.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0215
摘要 ( 46 )   HTML ( 0 )   PDF(4814KB) ( 124 )  

流量是影响VRB运行效率的重要因素,现有的全钒液流电池(VRB)模型较少体现流量和离子扩散耦合的影响,无法充分反映全钒液流电池系统的运行特性。为了提高VRB系统的运行效率,本文建立了全钒液流电池混合模型,该模型是在等效电路模型上增加了流体力学模型和电化学模型,其中等效电路模型体现了钒电池的电学性能,流体力学模型体现了流量对钒电池系统的影响,电化学模型体现了钒电池的化学性能,综合三种模型的特性更加全面准确的展现了VRB的相关性能,并通过仿真对比验证了混合模型的准确性。在混合模型的基础上,分析流量对钒电池系统效率的影响,结果表明充放电期间的最优流量是关于荷电状态(SOC)的函数,通过仿真分析得到不同SOC下的最优流量值,并采取SOC分段控制流量,有效地提高电池系统效率。

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