全钒液流电池传质及电流分布

为了解决大规模蓄能全钒液流电池中传质不均衡而导致电池寿命缩短的问题,本文建立了一个三维数值模型研究全钒液流电池中的传质规律。模型耦合了Nernst-Planck方程、Butler-Volmer方程、Nernst方程、质子交换膜中的传质方程等。模型模拟了全钒液流电池中不同价态钒离子的分布规律,以及电解质电流密度和电解质电势分布规律。研究发现:在放电过程中,沿电解液流动方向,反应物的离子浓度逐渐减少,生成物的离子浓度逐渐增加;电解质电流密度在膜表面达到最大,向两侧的集流体方向逐渐降低;沿电解液流动方向和阴极指向阳极方向,电解质电势逐渐降低。结果表明:集流体附近电化学反应更剧烈,质子在Nation膜中的传递主要是依靠电渗作用和浓差作用.     

预紧力对锂空气电池传质及性能的研究

施加预紧力的过程是电池实验中一个重要的组装过程,研究施加预紧力的大小对正极扩散层初始孔隙率等其他参数的影响十分重要。本文通过使用COMSOL Multiphys软件建立锂空气电池二维瞬态模型,研究了锂空气电池的孔隙率等参数随着预紧力大小的变化分布趋势。经过研究表明:在对锂空气电池上施加预紧力的作用下,导致正极的孔隙率有所下降,生成物过氧化锂会更快堵满正极,进而导致电池的性能有所下降。     

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...     

锂离子电池放电循环的发热特性研究

锂离子电池发热特性的研究对于发展电池热管理系统具有重要意义.本文采用数值方法对锂电池放电过程中的微观发热特性进行了研究,并对锂电池放电循环过程中固体电解质(SEI)膜和欧姆热的变化规律进行了分析,研究结果表明:锂电池以高倍率(5C)放电时,SEI膜产生的热量是锂电池发热的重要部分;随着放电循环的进行,锂电池负极颗粒表面SEI膜以线性规律增厚,导致电池SEI膜电阻不断增大;锂电池放电环境温度越高,锂电池负极SEI膜增厚越快,容量衰退越快。     

平板式固体氧化物燃料电池多物理场耦合建模

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)在高温下工作,影响电池性能和结构完整性的因素众多,如何能够综合考虑这些因素并准确地预测和优化电池结构与工作性能是亟待解决的问题。使用COMSOL软件建立了单个平板式固体氧化物燃料电池多场耦合有限元三维模型,考虑电化学反应、物质浓度、流体流动、传热和固体力学多物理因素共同作用下,探明了电池在工作阶段的气体摩尔分数、电流密度、温度和热应力的分布规律。结果表明,氢气和氧气的摩尔分数随着气体流动的方向逐渐降低;在电池空气入口处,电解质电流密度较大;电池温度分布不均匀并产生了较大的热应力。本文建立的SOFC多场耦合模型可为后续SOFC的研究提供分析方法和理论支持。     

大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究

为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明：介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).     

共面介质阻挡放电特性研究

对共面介质阻挡放电(DBD)的放电过程进行了实验和理论研究. 在实验中设计了分段电极方法来获取放电过程中不同位置上的局域电流和光辐射特性，得到了阴极上等离子体的扩展速度，并与二维流体数值模拟结果进行了比较. 结果表明，在共面DBD的暂态放电过程中，电极上空等离子体区域始终存在有不均匀电场，导致了不同位置上放电电流和光辐射分布的不一致. 同时研究还表明，在DBD放电过程中应当考虑表面光致二次电子发射. 关键词： 介质阻挡放电 分段电极 放电特性     

全钒液流电池非等温模型

本文基于多孔电极、电解液及集流体热物理性质的显著差异,考虑了钒离子透过膜对电池性能的影响,建立了全钒液流电池动态工作过程的非等温模型。与文献中的实验测量值相比,钒电池电压随时间变化的最大计算误差为2.91%,验证了模型的正确性。应用该模型,重点研究了正负电极与膜构成的区域,以及集流体区域的传热传质规律。结果表明,多次充放电循环后负极电解液钒离子总量增加而正极钒离子总量减少,电池容量降低。电池的电流密度对产热有较大影响,较大的电流密度下与外界达到热平衡时温度较高。此模型对发展大功率电池堆储能系统的有重要参考意义。     

基于电化学与热能的耦合关系演算聚合物锂离子动力电池的温度状态及分布

基于电化学-热耦合模型研究聚合物锂离子动力电池放电过程热行为, 分析了放电倍率、冷却条件对电池放电过程的温度变化及分布的影响规律. 结果表明: 3C放电时, 模型计算结果与实测结果的平均偏差为0.57 K, 方差为0.15, 说明模型准确度较高. 电芯的平均生热率在整个放电过程中呈现出增加的趋势, 初期和末期增长较快. 大倍率放电时, 与电流密度的平方呈正比的不可逆热所占的比重较大, 小倍率放电时, 电化学反应可逆热占主导. 改善冷却条件能降低电池放电过程的平均温度, 对流传热过程的表面传热系数为5 W/(m²·K), 1 C, 3 C, 5 C放电结束时, 电芯的平均温升为分别为6.46 K, 17.67 K, 27.53 K, 当对流传热过程的表面传热系数增加至25 W/(m²·K)时, 温升比自然对流条件下相同倍率放电时的温度分别降低了2.91 K, 4.68 K, 5.62 K, 但电芯温度分布的不一致性也会加剧. 关键词： 电化学 耦合 锂离子动力电池 温度分布     

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.     

碳纳米管使锂电池储能和寿命倍增

美国麻省理工学院的研究人员发现在锂电池正极中使用含碳纳米管材料，获得的充电效率及蓄电能力远比目前最高端的锂电池更优良该电池电极组装采用层叠技术，正极由无添加剂、高密度和功能化多壁碳纳米管组成，负极为锂钛氧化物，电池电极厚度仅为几微米．     

放电泵浦ArF准分子激光动力学模拟与参数分析

利用一维流体模型研究了放电泵浦ArF准分子激光动力学过程,得到气体放电过程中放电电路的电流电压波形,得到了电子密度、光子密度、电场的时空分布特性,分析了放电参数对激光输出的影响。结果表明,电路参数、工作气压、氟气比例均对激光输出有显著影响,放电电路中的电感值对输出影响较小,参数范围较广,而电路中较小的峰化电容值有利于获得长脉冲输出,气压太大或太小都会使输出能量降低,同样,氟气比例太大或太小也会使输出能量降低。     

大气压介质阻挡辉光放电脉冲的阴极位降区特性及其影响因素的数值仿真

大气压介质阻挡放电常用于产生低温等离子体,其放电特性已成为当前的研究热点.本文针对大气压氦气介质阻挡放电结构建立了流体数值仿真模型,研究其辉光放电脉冲特性.从发光结构、粒子分布和电场分布等方面说明了该类型放电辉光结构的时空演化过程;分别从电子增长率和电场强度分布两个角度比较和分析了该类型放电中阴极位降区范围的定义,并探讨了发光最强点位置与阴极位降区边界的关系,认为利用电场强度分布来定义该类型放电的阴极位降区范围更加合理,且在电流下降沿内,光强最强点始终处于阴极位降区内部.研究了外施电压、阻挡介质二次电子发射系数γ和N_2含量对间隙电压、电流密度和阴极位降区特性等的影响规律.发现:在二次电子发射系数γ不变时,阴极位降区宽度与电流密度具有负线性相关关系;利用阴极位降区的伏安特性证明了该类型放电属于亚辉光放电靠近正常辉光放电的部分;主要考虑N_2与He的Penning效应时,电流密度和带电粒子密度在一定N_2含量下具有最大值等.     

纳秒脉冲下变压器油两相流注放电仿真研究

为揭示液体电介质击穿过程中形成的气体放电通道对液体电介质放电过程的影响,以针—板电极间隙变压器油为研究对象,基于等离子体流体力学模型,引入了液体电介质放电过程中气相放电通道对电离机制及自由电荷迁移率的影响,建立了用于模拟脉冲电压下液体电介质放电过程的两相流体模型,仿真研究了纳秒脉冲下针板电极流注放电的起始与发展过程。仿真结果表明:采用Heaviside方程可以在模型的不同区域同时实现气相物理过程和液相物理过程的模拟与计算。气相物理过程的引入导致流注尾部电场显著降低,流注头部电场进一步增强,使流注通道的发展速度要高于传统液相模型,有助于加深对纳秒脉冲下液体电介质中预击穿流注的起始、发展过程的认识和理解。     

一代材料，一代电池：正极材料研究推动锂离子动力电池的升级换代

一代材料,一代电池。锂离子电池正极材料的研究不断推动着动力电池的升级换代。第一代动力电池的正极材料为锰酸锂Li Mn₂O₄,其低温性能好、成本低和安全性高,但电池能量密度不够高。第二代动力电池正极材料为磷酸铁锂Li Fe PO₄和三元正极材料镍钴锰NCM/镍钴铝NCA。磷酸铁锂正极材料的优势是长寿命、低成本、高安全性。三元锂正极材料的特点是大容量、高能量密度、快充效率高。第三代动力电池的正极材料是高电压镍锰酸锂Li Ni_0.5Mn_1.5O₄和镍酸锂Li Ni O₂,主要解决第二代面临的低成本和长续航不能兼顾的问题以及更长里程问题。文章首先回顾第一、二代的锰酸锂、磷酸铁锂和三元正极材料的研究历程、优缺点及发展近况,之后介绍和展望下一代高电压镍锰酸锂和镍酸锂正极材料。     

锂电池发展简史

由于具有很高的能量密度，锂金属在1958年被引入电池领域，1970年进入锂一次电池的商业研发阶段。自1990年以来，随着正极材料、负极材料与电解质的革新，可充放二次锂电池不断发展并实现商品化。如今锂电池技术仍在继续发展并将进一步改善人类生活。文章对40多年来锂电池技术发展历程进行了简单的回顾。     

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.     

基于第一性原理的锂空气电池钌掺杂石墨烯正极 氧还原反应机理研究

双电解液锂空气电池因其高理论能量密度受到广泛研究,但电池正极侧氧还原反应(ORR)速率低,其反应速率是限制锂空气电池发展的主要因素之一.本文提出了以钌(Ru)掺杂单层石墨烯作为正极ORR催化剂,采用第一性原理计算nRu (n=1～3)掺杂石墨烯的电子结构和氧气在Ru掺杂石墨烯表面的吸附性能,并以过渡态搜索方法获得ORR反应路径,研究碱性溶液中Ru掺杂单层石墨烯作用下的ORR机理.研究结果表明,经Ru原子掺杂后,石墨烯能够获得稳定的掺杂结构,且电导率显著提升.同原始单层石墨烯相比,Ru掺杂石墨烯增强了对O₂的吸附能力.在三Ru(n=3)掺杂石墨烯表面进行的ORR无需克服任何能垒.此外,三Ru掺杂石墨烯表面对OH基团的吸附能最低,有利于ORR的连续进行.研究表明三Ru掺杂石墨烯有望成为一种新型的ORR催化剂以提高双电解液锂空气电池的性能.     

三维自支撑甲苯灰微球锂硫电池正极材料的制备与性能研究

新能源交通工具的飞速发展激发了人们对高能量密度电池技术的探索,锂硫电池因为具有较高的理论能量密度被视为锂离子电池的替代品.但由于硫具有导电性差和多硫化物的穿梭效应等问题,锂硫电池的商业化应用仍面临巨大的挑战.基于此,为改善锂硫电池的性能,设计了一种高导电性三维支撑的正极结构:多级交联的三维导电网络能够有效提高正极材料导...     

压强与功率对高气压空气微波放电自组织结构影响的数值研究

压强和微波功率是高气压空气微波放电中的两个重要影响因素,取值对放电过程中等离子体动力学特征及自组织结构有着直接的影响.利用有效扩散模型和双重网格方法,对放电过程中压强和微波功率的影响进行了数值研究.结果表明,压强降低时放电等离子体将从间隔分明的等离子体斑点结构变为一团呈扩散特性的等离子体,而微波功率增大时,等离子体向着微波入射方向的传播速度随之快速增大,传播过程中等离子前沿的跳跃性和斑点状的自组织结构也更加分明.