全固态锂离子电池内部热输运研究前沿

本文简要阐述了全固态锂离子电池的特点及其内部热输运研究的意义.介绍并总结了国内外与正极材料、负极材料、固态电解质,以及电极与电解质界面热输运性质相关的实验和理论工作.针对脱嵌锂过程对电极材料热导率的影响机理尚不明确,非晶态转变对电极材料热输运研究的挑战,界面热输运模型与方法不足等问题,系统梳理了全固态锂离子电池内部热输运的重要前沿科学问题.     

基于分布参数系统和单粒子模型的锂离子电池工作状态实时监控模型

提出了一种基于分布参数系统偏微分方程描述和单粒子模型的锂离子电池工作状态实时监控建模方法,能够实时跟踪锂离子电池阳极的锂离子密度和残差变化,并通过仿真实验验证了本文模型对锂离子电池工作状态故障报警的有效性和精确性.     

锂离子电池相关材料的Raman光谱学研究

锂离子电池是目前综合性能最好的可充电池。本文总结我们实验室用Raman光谱学研究锂离子电池相关材料的一些结果 ,包括聚合物电解质的微结构和离子输运机制 ,低温热解碳负极材料的结构表征和锂离子在其中的嵌入 /脱出机理 ,元素替代引起正极材料LiMn2 O4的结构变化以及在充放电过程中电极 /电解质界面形成的钝化层的性质及其对电池性能的影响     

富锂正极材料在全固态锂电池中的研究进展

开发高能量密度、长循环寿命、低成本和高安全性的全固态锂电池是发展下一代锂离子电池的重要方向之一.富锂层状氧化物正极材料由于阴阳离子协同参与氧化还原反应,可以提供更高的放电比容量(>250 mAh/g)和能量密度(>900 Wh/kg),将其应用于全固态锂电池中有望推动锂离子电池能量密度突破500 Wh/kg的中长期目标.然而,富锂正极材料的电子导电性差、阴离子氧的不可逆氧化还原反应以及循环中的结构相变,导致该材料在电化学循环过程中存在初始库仑效率低、循环稳定性差和电压衰退等问题.此外,富锂正极材料的工作电压较高(>4.5 V vs.Li/Li⁺),使正极/电解质之间不仅面临常规的界面化学反应,释放的氧还会加剧界面的电化学反应,对正极/电解质的界面稳定性提出了更高的要求.因此,富锂正极材料的本征特性和富锂正极/电解质间严重的界面反应极大限制了富锂正极材料在全固态锂电池中的应用.本文首先详细阐述了富锂正极材料在全固态锂电池中的失效机制,其次综述了近年来富锂正极材料在不同固态电解质体系下的研究进展,最后总结和展望了富锂全固态锂电池未来的研究重点和发展方...     

用于全固态锂电池的有机-无机复合电解质

固态电解质被认为是解决传统液态锂金属电池安全隐患和循环性能的关键材料，但仍然存在离子电导率低，界面兼容性差等问题.设计兼顾力学性能、离子电导率和电化学窗口的有机-无机复合型固态电解质材料是发展全固态锂电池的明智选择.近年来，基于无机填料与聚合物电解质的有机-无机复合电解质备受关注.设计与优化复合电解质结构对提高复合电解质综合性能具有重要意义.本文详细梳理了有机-无机复合固态电解质在全固态锂电池中展现的多方面优势，从满足不同性能需求的复合电解质结构设计角度出发，综述了有机-无机复合电解质在锂离子传导、锂枝晶的抑制、界面稳定性和相容性等方面的研究进展，并对有机-无机复合电解质的未来发展趋势和方向进行了展望.     

基于数据驱动的卫星锂离子电池寿命预测方法

锂离子电池由于具有工作电压高、体积小、质量轻、比能量高、寿命长和自放电率小等优点,成为 替代传统镍氢、镍镉电池的第三代航天器用储能电源。寿命预测是锂离子电池健康管理的重要方面,是掌 握电源衰退的重要手段。锂离子电池剩余使用寿命预测问题已成为电子系统健康管理领域的研究热点和具 有挑战性的问题之一。本文基于NASA埃姆斯中心的锂离子电池地面试验采集数据,首先分析了3种类型 的锂离子电池预测方法,之后重点研究了几种有效的数据驱动的锂离子电池寿命预测方法,并对各种预测 方法的效果进行了评价。实验结果表明,本文提出的方法能够有效的用于基于数据驱动的锂离子电池寿命 预测中,具有较强的工程应用价值。     

基于光纤布拉格光栅传感的锂电池内部状态原位监测

锂电池内部的应力和温度变化难以监测是影响电池安全运行的最大隐患，提出采用光纤布拉格光栅传感技术，在锂电池内部植入光栅对电池阳极的温度和应力变化信息进行实时采集，实现了对锂离子电池阳极的原位监测，建立了电信号与光学传感信号之间的联系。实验结果表明，锂电池工作循环中，锂离子的脱嵌和嵌入会引起温度变化，对应传感器波长偏移达100 pm，温度上升11.1℃；在排除温度因素的影响后，循环电流的跳变会引起阳极收缩，产生的应力使波长漂移达21.96 pm，约为18.3με。此外，研究了不同充放电速率对电池的影响，10 mA电流比2.5 mA电流时温度提高了2.8倍，应力提高了4.4倍。所植入光栅监测系统既可以高精度地测量电化学反应引起的温度、应力变化，同时解调速度快，有利于实时、准确监测锂电池的热失控及形变鼓包故障，研究结果有望为锂电池的安全使用提供有效的实验依据。     

锂离子电池多尺度数值模型的应用现状及发展前景

锂离子电池是一种较为复杂的电化学系统, 其涵盖质量传递、电荷传递、热量传递以及多种电化学反应等物理化学过程. 其不仅物理尺度跨越大, 从微观活性颗粒、极片、电芯跨越到电池模组, 还面临着成组配对以及均衡性的问题, 这些问题加剧了电池设计和性能综合评估的难度. 通过计算机数值仿真技术, 建立数学模型, 全面和系统地捕捉电池工作过程各物理场的相互作用机理, 分析其演化规律, 能够为优化电池系统设计提供理论支撑. 本文对锂离子电池的数值模型研究进展和发展趋势进行了综述. 同时对主要理论模型进行了分类整理, 总结了它们的特点、适用范围和局限性, 指出了将来进一步研究的方向和难点所在, 这些对锂离子电池多尺度数值模型的理论研究和工程应用都具有指导性的意义.     

原位电子显微学探索固体中的离子迁移行为

离子在固体材料中的迁移是很多应用的基础,包括锂离子电池、存取器件及催化剂等。研究固体材料中的离子迁移行为是固态离子学的核心内容。微观上,固体中离子迁移的行为取决于材料微观结构所确定的局域势垒特征。因此,研究离子迁移行为与微观结构的关联至为重要。文章讲述了具有高空间分辨率的原位透射电子显微镜技术用于锂离子电池材料、阻变存储材料等体系中离子迁移行为的研究现状与发展趋势。     

氧化石墨制备温度对石墨烯结构及其锂离子电池性能的影响

采用改进的Hummers 法, 以石墨粉为原料制备氧化石墨, 然后使用微波还原法制备石墨烯, 最后以石墨烯作为负极材料组装锂离子电池. 系统的研究了高温氧化阶段中温度对氧化石墨的氧化程度、石墨烯的还原程度和比表面积以及锂离子电池性能的影响. 利用场发射扫描电镜(FESEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、BET测量仪对氧化石墨和石墨烯的微观结构及比表面积等进行测试和表征. XRD, XPS及电化学测试的结果显示当高温阶段氧化温度为90 °C时, 氧化石墨的氧化程度最高, 相应的石墨烯也具有最高的还原程度和最大的比表面积423.2 m²/g, 同时石墨烯锂离子电池也具有更好的性能: 首次放电比容量为1555.5 mAh/g, 充电容量为1024.6 mAh/g, 其循环放电比容量达到600 mAh/g.     

基于三维激光扫描的物体重构建模

针对锂离子电池SOC(荷电状态)难以估算的问题,通过对电池建立等效的Thevenin电路模型,对不同时刻的SOC的模型参数进行拟合得到动态的模型参数,在Matlab中借助Simulink建立仿真模型,采用模块化结构,建立基于卡尔曼滤波算法的电池SOC估算系统;利用测得的电池电压电流,仿真系统可直接估算出实时的电池SOC,与实际的电池SOC对比,误差保持在2.5%以内,表明该方法可以有效的估计电池的SOC,对于锂离子电池在实际应用的容量估算有着重要意义。     

基于Simulink的锂电池建模仿真

针对锂离子电池SOC(荷电状态)难以估算的问题,通过对电池建立等效的Thevenin电路模型,对不同时刻的SOC的模型参数进行拟合得到动态的模型参数,在Matlab中借助Simulink建立仿真模型,采用模块化结构,建立基于卡尔曼滤波算法的电池SOC估算系统;利用测得的电池电压电流,仿真系统可直接估算出实时的电池SOC,与实际的电池SOC对比,误差保持在2.5%以内,表明该方法可以有效地估计电池的SOC,对于锂离子电池在实际应用的容量估算有着重要意义。     

纳米储锂材料和锂离子电池

简单综述了锂离子电池的基本原理和发展现状,对中国科学院物理研究所固体离子学课题组在纳米储锂材料方面的研究进展做了介绍.用HRTEM等手段研究了纳米SnO、纳米Si以及纳米SnSb合金在Li入脱嵌过程中结构的变化.着重介绍了一种具有纳米微孔的球形硬碳材料和纳米SnSb合金钉扎的复合负极材料,在高功率密度和高能量密度锂离子电池方面具有广阔应用前景.     

一种求解锂离子电池单粒子模型液相扩散方程的新方法

电解液中的锂离子浓度表达是锂离子电池电化学模型求解的基本任务之一.为了平衡单粒子模型的液相动态性能和计算效率,假设反应仅发生在集电极和电解质界面上,为此,提出一种基于液相扩散方程无穷级数解析解的界面浓度求解新方法.在恒流工况下,利用数列单调收敛准则将解析解转化为一个收敛和函数.在动态工况下,将该解析解简化为输入与和函数的无限离散卷积.利用和函数随时间单调衰减并收敛至零的特性对其进行截断,从而得到有限离散卷积求解算法.对比专业有限元分析软件,该方法在恒流工况和动态工况下均能以较少的计算时间获得相当好的精度.而且,该方法仅有一个配置参数.因此,所提方法将有效减小应用于实时电池管理系统上的电化学模型计算负担.     

一种求解锂离子电池单粒子模型液相扩散方程的新方法

电解液中的锂离子浓度表达是锂离子电池电化学模型求解的基本任务之一.为了平衡单粒子模型的液相动态性能和计算效率,假设反应仅发生在集电极和电解质界面上,为此,提出一种基于液相扩散方程无穷级数解析解的界面浓度求解新方法.在恒流工况下,利用数列单调收敛准则将解析解转化为一个收敛和函数.在动态工况下,将该解析解简化为输入与和函数的无限离散卷积.利用和函数随时间单调衰减并收敛至零的特性对其进行截断,从而得到有限离散卷积求解算法.对比专业有限元分析软件,该方法在恒流工况和动态工况下均能以较少的计算时间获得相当好的精度.而且,该方法仅有一个配置参数.因此,所提方法将有效减小应用于实时电池管理系统上的电化学模型计算负担.     

双相多孔锂离子电池液/固界面的声反射与声透射

采用传递矩阵法,同步联立改进的Biot理论,对含液固界面的双相多孔锂离子电池的超声反射与透射系数进行理论求解。考虑锂离子的摇摆特性对电极力学性能的影响,计算了对应状态下液/固界面的双相多孔锂离子电池声反射及透射系数的角度谱与频率谱。同时,构建了不同荷电状态时含单元锂离子电池的频域仿真模型,以萃取对应的超声反射及透射角度谱及频率谱,并与理论计算结果对比吻合良好。随后,以多单元锂离子电池为例,在不同的荷电状态下,分析了反射与透射系数随斜入射角度、入射波频率的变化关系,并分别指出了其角度谱及频率谱特征点随荷电状态的变化特征,为锂离子电池运行状态的超声无损测量提供了理论基础。     

石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

正1.引言化石能源日益短缺的危机使得可再生能源和能量存储技术受到广泛关注。基于在能量存储方面的优异表现,锂离子电池被认为是极具发展前景的电化学储能体系之一,其在民用、国防和航空航天等领域显示出强大的应用潜力。锂离子电池又称摇椅电池,其储放能过程如图1所示。锂离子电池的性能主要受到电极材料、电解质和器件组装技术等因素的制约,而正负极材料是决定电池性能的关键所在。现阶段研究的负极材料,依据电极反应的机理来划分,主要有嵌入型、合金反应型以及转换反应型三大类。然而由于三种类型电极材料的固有缺点如理论     

锂离子电池中的物理问题及其研究进展

锂离子电池作为一种性能优越的新型可充放电池已经或将要在移动通信、手提式计算机和电动汽车等诸多领域获得广泛的应用 .然而与锂离子电池相关的物理问题却往往被人们忽视 .例如 ,如何从本质上来提高正极材料的体相电子电导率 ,而不是在正极活性物质中添加炭黑之类的电子导电材料 .文章将着重针对与锂离子电池相关的物理问题 ,介绍近年来的主要进展 ,以期待对锂离子电池有更深入的了解 .     

Al_2O_3杂化聚酰亚胺薄膜Al含量测试方法研究

无机粒子杂化聚酰亚胺(PI)薄膜具有优良的耐电晕特性,广泛用于变频电机中,文章首先用偶联剂处理过的超细氧化铝粉掺杂聚酰胺酸(PAA)制备了不同氧化铝含量的聚酰亚胺杂化膜.通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子发射光谱(ICP)、重量法、热失重(TG/空气气氛)等测试方法对制备的不同Al2O3含量杂化聚酰亚胺薄膜的无机成分进行了定性和定量分析.结果表明:FTIR和XPS能很好地对杂化膜进行定性分析,FTIR主要对材料的结构进行分析从而推断出其可能的成分,而XPS则主要得到材料所含各元素信息,它具有操作简单,重复性好等优点;通过研究内层电子结合能及其氧化态的变化,XPS可以鉴别元素种类和价态、测定元素的相对含量.XPS和TG的实测值和理论值相差较大,相对标准偏差(RSD)很大,其中,XPS的RSD值大于5.0%,而TG的RSD值也都大于2.0%,只能对杂化膜进行半定量分析.而ICP和重量法的实测值和理论值相差较小且相对标准偏差(RSD)很小,它们的RSD)值均小于1.0%,能进行精确的定量分析,其中重量法的实测值最接近理论值,但只能用于单一无机组分的分析;而ICP法最精确且可以对多无机组分的复合物进行分析,它有简便、快速、灵敏度高、准确性好、可多元素同时测定,且对环境污染小等优点.由上面的结论可以得到一种分析复合材料中的无机成分的方法:首先,用FTIR和XPS对复合材料进行定性分析;然后,以XPS半定量分析结果作为参考,用重量法(单一组分)和ICP法对复合材料进行精确的定量分析.     

表面效应对锂离子电池正极材料LiMn2O4性能的影响

应用基于自旋极化和广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)的密度泛函理论计算,研究了锂离子电池正极材料LiMn₂O₄ (001)表面原子和电子结构.发现表面和亚表面附近的原子在垂直于(001)面的方向上具有非常大的弛豫,这对LiMn₂O₄材料在锂离子电池中应用时发现的表面Mn的溶解现象有很大关联.由于表面效应,在LiMn₂O₄ (001) 表面只有三价Mn³⁺离子存在,而这些三价锰离子非常活跃,在该材料电极/电解液界面很容易发生歧化反应,从而加速了Mn的溶解.其他计算结果也和实验观察相符合. 关键词： 锂二次电池 表面弛豫 从头算