具有高浓度氨腔室的立式热再生氨电池性能特性

热再生电池（thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB）可有效地将低温热能转化为电能,但其较为严重的氨渗透现象严重影响电池的产电稳定性。本文通过可视化证明了TRAB阳极氨与电解液的自分层现象,基于此构建了一种具有高浓度氨腔室的立式热再生氨电池,通过构建高浓度氨腔室和阳极氨传输阻挡层来调控氨分布,从而缓解电池中氨渗透过程。研究结果表明,与常规结构的热再生氨电池相比,具有氨腔室的热再生电池通过调控阳极氨分布解决了氨渗透的问题,在较高氨浓度（6mol/L）条件下获得了更高的输出功率、产电量以及更稳定的产电性能。此外,多孔泡沫铜阳极可以阻挡氨向下传输,进一步缓解氨渗透。具有合适孔隙密度（80PPI）的多孔电极在获得较大反应面积的同时保证了其内部良好的物质传输,使电池获得最佳的输出功率（10.8mW）。     

SOFC氧离子导体电解质材料的研究进展及性能优化策略

典型的固体氧化物燃料电池(SOFC)由致密电解质、多孔阴极和阳极三部分构成。其中,电解质介于阴极和阳极之间,是一种具有全固态结构的氧化物陶瓷材料。电解质是SOFC的核心部件之一,是电池工作温度和电池性能的决定性因素。目前,对于高温电解质材料的研究与应用已经相对成熟。但是,在电池高温运行条件下,会导致电极和电解质界面反应、密封困难及使用寿命变短等问题。因此,SOFC电解质的发展逐渐趋向于中温化。但随着工作温度的降低,电解质欧姆阻抗(Ro)势必增大,使得电池的电导率下降。基于此,电解质在中温下的性能提升以及优化近年来备受关注。文中综述了几种不同类型的氧离子导体电解质最新研究进展,并论述了SOFC中低温运行条件下电解质性能提升的主要优化策略。     

不同基底材料复合电极对热再生氨电池产电性能的影响

针对热再生氨电池（thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB）铜电极局部结构易被腐蚀断裂这一问题,构建了骨架结构相对较稳定的复合电极并应用于TRAB,研究了不同基底材料复合电极的电镀特性及其对TRAB产电特性和最大功率输出的影响。研究结果表明,与其他基底材料复合电极的电池相比,采用泡沫镍基底材料复合电极的TRAB虽电极表面积和镀铜量相对较小,但是具有较低的物质传输阻力和最小的欧姆内阻,从而获得最大的电压输出、最大的产电量和能量密度、最高的库仑效率和最高的功率输出（11.5 mW）。可见,泡沫镍作为TRAB复合电极的基底材料是一个相对较好的选择,同时需针对复合电极孔隙大小的影响规律开展后续研究。     

3D打印微生物燃料电池阳极及其性能特性

微生物燃料电池是一种处理废水同时产生电能的新型装置，阳极作为微生物燃料电池的重要组件极大地影响电池性能。针对微生物燃料电池传统三维电极结构不合理导致电极内部物质传输受限，电池功率密度较低的问题，本文采用3D打印技术并碳化的方式构建了结构可控的微生物燃料电池阳极，通过热重分析得到合适的碳化条件，并通过进一步的电化学分析和电极微观形貌拍摄研究了电极内部孔道结构对微生物生长情况和电池性能的影响。实验结果表明：电极孔径尺寸为0.4mm时，电池具有最优性能，其最大功率密度达12.85W/m²，比采用碳布阳极的MFC提升10倍，较采用碳毡阳极的燃料电池高38%；具有可控孔道结构电极的传荷阻抗和传质阻抗是限制电极性能的主要因素，通过优化孔道尺寸和结构分布可降低其传荷及传质阻抗，可以进一步提升电池性能。     

三维石墨毡阳极自呼吸微流体燃料电池性能数值模拟

针对采用三维石墨毡可渗透阳极的空气自呼吸无膜微流体燃料电池,建立了三维等温稳态数学模型,对电池中燃料及电解液的流动和传输、电极过程动力学及电荷传递过程进行了模拟,计算获得了具有石墨毡阳极的微流体燃料电池内的传质和燃料渗透特性,研究了石墨毡厚度及反应物（燃料和电解液）流量对电池性能的影响。结果表明：当入口流量为333 μl·min^-1时,采用石墨毡可渗透阳极相比碳纸和碳布可渗透阳极,极限电流密度和极限功率密度分别提升12%和50%;电池电压为0.8 V时燃料渗透引起的寄生电流密度仅占电流密度的0.86%。电池性能随着石墨毡电极厚度增加而升高,但增幅逐渐减小;反应物流量增大,电池的性能先增加后逐渐趋于稳定。     

不同Cu~(2+)浓度下热再生氨电池产电及Cu~(2+)去除特性

热再生氨电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)在废弃资源回收方面展现出独特优势和良好应用前景。通过构建TRAB来处理含Cu~(2+)废液并回收电能和铜资源,实验中研究了不同Cu~(2+)浓度对电池产电性能和废液Cu~(2+)去除效果的影响。研究结果表明,当阴极废液Cu~(2+)浓度低于0.2 mol/L时,随着Cu~(2+)浓度的增加,电池最大输出功率不断增加,电池输出电压和产电周期不断增加,促使批次获得电量和能量密度也不断增加。同时采用TRAB技术去除废液中铜离子具有较高的去除效率,而且去除率随着废液中铜离子浓度的增加而增加。后续研究采用TRAB结合电凝法的两步处理法有望进一步提高处理效果,具有较好的经济性和应用前景。     

三维石墨毡阳极自呼吸微流体燃料电池性能数值模拟

针对采用三维石墨毡可渗透阳极的空气自呼吸无膜微流体燃料电池,建立了三维等温稳态数学模型,对电池中燃料及电解液的流动和传输、电极过程动力学及电荷传递过程进行了模拟,计算获得了具有石墨毡阳极的微流体燃料电池内的传质和燃料渗透特性,研究了石墨毡厚度及反应物(燃料和电解液)流量对电池性能的影响。结果表明:当入口流量为333μl·min-1时,采用石墨毡可渗透阳极相比碳纸和碳布可渗透阳极,极限电流密度和极限功率密度分别提升12%和50%;电池电压为0.8V时燃料渗透引起的寄生电流密度仅占电流密度的0.86%。电池性能随着石墨毡电极厚度增加而升高,但增幅逐渐减小;反应物流量增大,电池的性能先增加后逐渐趋于稳定。     

氨燃料固体氧化物燃料电池性能研究进展与展望

氨是一种零碳燃料,也是富氢载体,具有较大储运优势。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)是一种清洁高效发电装置,在分布式发电、热电联供、储能调峰等领域有广阔应用前景,氨气可直接用作SOFC阳极燃料以实现高效、清洁、低成本发电。首先简介了质子传导型和氧离子传导型氨SOFC的工作原理,电解质、电极材料的选择以及氨气在阳极的分解过程。其次总结了氨SOFC的实验研究现状,以单电池最大功率密度为评价指标,综述了不同电解质/电极材料、电解质厚度、操作温度等因素下两种传导类型的氨SOFC的性能表现,并分析了造成电池性能差异的原因。之后介绍了氨SOFC当前面临的挑战,最后对氨SOFC未来研究方向、热电联供系统的应用进行了展望。     

不同Cu2+浓度下热再生氨电池产电及Cu2+去除特性

热再生氨电池（thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB）在废弃资源回收方面展现出独特优势和良好应用前景。通过构建TRAB来处理含Cu²⁺废液并回收电能和铜资源,实验中研究了不同Cu²⁺浓度对电池产电性能和废液Cu²⁺去除效果的影响。研究结果表明,当阴极废液Cu²⁺浓度低于0.2 mol/L时,随着Cu²⁺浓度的增加,电池最大输出功率不断增加,电池输出电压和产电周期不断增加,促使批次获得电量和能量密度也不断增加。同时采用TRAB技术去除废液中铜离子具有较高的去除效率,而且去除率随着废液中铜离子浓度的增加而增加。后续研究采用TRAB结合电凝法的两步处理法有望进一步提高处理效果,具有较好的经济性和应用前景。     

直接甲醇燃料电池阴极水的传输特性

利用COMSOL Multiphysics软件对直接甲醇燃料电池（DMFC）阴极模型进行计算，获得压力、速度、水、氧气和液态饱和度分布情况，研究扩散层在不同物理参数（如厚度、孔隙率、孔径大小和亲憎水性）下电池阴极水和氧气的传输情况，进一步建立扩散层孔隙率梯度的数学模型，研究扩散层孔隙率梯度以及支撑层参数对直接甲醇燃料电池性能和物质传输的影响。结果表明，扩散层具有大孔隙率、薄扩散层时均有利于氧气传质，可以使电池性能提高；扩散层孔隙率梯度的存在可以减轻氧气传输阻力，提高电池性能。     

不同负载下热再生氨电池产电及Cu2+去除特性

热再生氨电池（thermally regenerative ammonia-based battery, TRAB）在利用低温废热产电的同时去除Cu²⁺,在含铜电镀废水的处理及资源回收方面具有独特的优势和良好的应用前景。而作为关键运行参数之一的负载不但影响电化学反应速率和产电性能,而且还会对Cu²⁺去除效果产生影响。此外,氨渗透现象的存在极大地影响了Cu²⁺的去除效果。本文在不同负载条件下对电池进行批次放电,探究负载对电池的产电特性及铜离子去除率的影响,利用循环伏安法探究不同氨浓度条件下阴极发生的反应。对产电后的阳极液进行热再生,探究不同再生温度对热再生过程、电池功率及Cu²⁺去除率的影响。研究结果表明,随着负载的降低（电流增大）,电池的产电量得到提升,批次处理所需的时间大幅缩短。并且较小的负载可以有效降低阴极氨渗透量,减弱副反应的发生,从而提升阴极库仑效率,因此获得较高的Cu²⁺去除率。当负载为1Ω时获得了较大的产电量（350C）,且处理时间缩短为2.1h,使得废水中Cu²⁺的去除率达到80.5%。热再生过程对下一批次电池性能和阴极Cu²⁺去除有重要影响,一定范围内提升再生温度有利于热再生过程的进行。     

锂离子电池正极涂层孔隙结构优化的数值模拟

以磷酸铁锂(LFP)为正极材料的锂离子电池在电子产品、电动汽车等领域应用广泛,但其能量密度仍有待提升以进一步满足不同场景应用需求。锂离子在正极孔隙电解液中的扩散过程是LFP锂离子电池性能的控制因素之一,通过优化电极孔隙结构可以在一定程度上减小锂离子在电解质中的扩散阻力进而提升能量密度。采用准二维模型描述电池内部的传质电化学过程,考察了当锂离子电池正极孔隙存在梯度分布后对锂离子电池能量密度的影响及作用机理。通过对比孔隙率均匀分布和梯度分布的电池模拟结果,发现孔隙率的梯度分布能提高单位活性材料的利用率,提升电解质通量和电极活性材料的嵌锂量,从而增加电池能量密度。随着电极厚度的增加,孔隙率分布的梯度越大,对能量密度的提升效果越显著,研究结果对于厚电极涂层的制备工艺具有重要意义。     

Effect of operating parameters on the performance of thermally regenerative ammonia-based battery for low-temperature waste heat recovery

This study investigated the important factors that affect the operating parameters of thermally regener-ative ammonia-based batteries (TRABs), including the metal electrode type, membrane type, electrode surface area, electrode distance, electrolyte concentration, and ammonia concentration. The experimental results showed that the maximum power density of TRABs with a Cu electrode was 40.0 W·m-2, which was considerably higher than that with Ni (0.34 W·m-2) and Co (0.14 W·m-2) electrodes. TRABs with an anion exchange membrane had a 28.6％ higher maximum power density than those with a cation exchange membrane. An increased electrode surface resulted in an increased maximum power but a decreased maximum power density. Within a certain range, TRAB performance was enhanced with decreased electrode distance and increased electrolyte concentration. An increased ammonia concentra-tion resulted in enhanced ammonia transfer and improved the TRAB performance.     

A zinc–air cell employing a porous zinc electrode fabricated from zinc–graphite-natural biodegradable polymer paste

Porous zinc anodes have been fabricated from a mixture of zinc and graphite powder using gelatinized agar solution as the binding agent. Agar is a biodegradable polysaccharide polymer extracted from marine algae. The graphite content and the agar solution concentration were varied to find the best electrode composition. Zinc–air cells were fabricated using the porous zinc anode, a commercially available air cathode sheet and KOH electrolyte in the form of elastic jelly granules. The electrode performance was evaluated from the zinc–air cell galvanostatic discharge capability. In the cell design, a thin agar layer was introduced between the electrode-gelled electrolyte interfaces, resulting in substantially improved cell discharge performance. The inclusion of particulate graphite into the electrode did not enhance the electrode performance due to the formation of a graphite-rich layer, which obscured the electrode porosity. A zinc–air cell employing the optimized porous zinc electrode demonstrated a capacity of 2066 mA h and specific energy density of 443 Wh kg^–1.     

Copper removal from aerated solution containing various metal ions using an undivided rotating cylinder electrode reactor

Potentiostatic control of a rotating cylinder electrode reactor enabled copper retrieval from a solution containing multiple metallic ions. The treated solution (pH 4 sulphuric acid) was obtained from a mine tailing. A batch process was used in laboratory experiments to simulate possible industrial treatments. Oxygen reduction was the major parasitic reaction at the cylinder cathode since the reactor was not separated, allowing the gas produced at the anode to dissolve in the electrolyte. A higher current therefore generated an increase in oxygen production and an increase in dissolved oxygen concentration. Since the oxygen reduction proceeded under diffusion control, the oxygen reduction current efficiency also increased. Reduction of ferric ions to a ferrous state and arsenic deposition were other less important side reactions decreasing current efficiency. Polarization experiments were conducted using a rotating disk electrode to study the reactions encountered at the cylinder cathode.     

梯度多孔载Ag羟基磷灰石陶瓷的制备和性能研究

本文采用添加造孔剂法制备孔隙呈现梯度分布的多孔载Ag羟基磷灰石(Ag-HA)陶瓷。研究了造孔剂分布、烧结温度和载Ag含量对梯度多孔Ag-HA陶瓷孔隙度的影响。分析了烧结产物的物相组成和微观形貌,测量了烧结后梯度多孔Ag-HA陶瓷的压缩性能和抗菌性能。研究结果表明:随着中间层造孔剂含量增加,梯度多孔Ag-HA陶瓷的孔隙度增大,抗压强度减小;随着烧结温度的增大,梯度多孔Ag-HA陶瓷的孔隙度减小,抗压强度增大;当造孔剂分布为20%-10%-20%(质量分数),压制压力为100 MPa,烧结温度为1 150 ℃,Ag含量为2.0%(摩尔分数)时,烧结后梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的孔隙度为24.7%,抗压强度为12.6 MPa。XRD分析表明烧结产物为掺杂Ag离子的HA相。SEM观察表明烧结样品的孔隙呈现梯度分布。梯度多孔Ag-HA陶瓷的抗菌实验表明:随载Ag含量和孔隙度的增大,梯度多孔Ag-HA陶瓷对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径增加,表现出较强的抗菌性能,而纯HA陶瓷未表现出抗菌性能。     

质子传导膜内受限空间离子扩散过程

以具有纳米尺度孔径的聚偏氟乙烯(PVDF)质子传导膜为对象,研究电解质溶液中水合离子在受限空间内的传递行为,证明使用纳米尺度多孔膜代替离子交换膜用于液流电池过程的可行性。利用渗透实验分别研究浓度场、压力场,以及不同渗透压条件下膜中离子扩散和水迁移现象,分析传质行为与膜结构和组成之间的关系。结果表明离子在纳米尺度孔径的PVDF膜中的扩散过程与溶液中类似,表观离子扩散系数不受浓度差推动力的影响;离子交换膜中的表观离子扩散系数随浓度差推动力提高而增加。在渗透压作用下,自制PVDF纳米孔膜的水迁移速率低于Nafion 117膜,水迁移带来的负面影响更小;对于H⁺/VO²⁺的离子选择系数超过300,有效透过H⁺而阻止VO²⁺,适用于全钒液流电池过程。     

锑离子添加剂对低共熔溶剂(DES)电解液液流电池的性能改善研究

非水系氧化还原液流电池（NARFB）的广泛应用受制于其较低的性能。在电解液中加入一些金属离子添加剂是一种可能的解决方案。实验研究了Sb³⁺离子对低共熔溶剂（DES）电解液液流电池电化学性能的影响。结果表明,添加Sb³⁺离子可以强化V（Ⅲ）/V（Ⅱ）氧化还原离子对的电化学反应动力学（最高可达22.6％）过程,钒离子在DES中的扩散系数提高了63.3％,并且电荷转移电阻降低了11.9％。场发射扫描电子显微镜表明,Sb³⁺离子电沉积在石墨毡的表面,对电化学反应起催化作用,从而改善了电化学性能。考虑增强的动力学和降低的活性比表面积之间的平衡,确定了Sb³⁺的最佳浓度为15 mmol·L^-1。此外,当使用含有Sb³⁺的负极电解液液流电池时,液流电池的功率密度提高了31.2%,从含原始电解质的3.08 mW·cm^-2到含15 mmol·L^-1 Sb³⁺离子的4.04 mW·cm^-2。这些结果为改善NARFB的电池性能提供了一个便捷而有前景的方法。