基于框架设计的液流电池流场优化模拟研究

液流电池通常采用对角平推流流场,会形成电解液滞留区,造成电池局部浓差极化大,影响综合性能。鉴于此,提出了一种基于框架设计的流场优化方法,通过设计电极框架,可以得到“蛇形流道”和“平行流道”两类流场。以全钒液流电池为例,通过数学建模,研究了不同流场结构和参数对于多孔电极内电解液流动特性、电化学反应和温度变化特性的影响规律。计算结果与实验结果一致性良好,结果表明：电解液在“平行流场”内的流动均匀性比在“蛇形流场”内好,且不存在滞留区,同时在“平行流场”内浓差极化也较“蛇形流场”低;此外,对于同样的电极面积,在电极内部的“平行流道”越多,电解液的流速分布越均匀,反应特性越好。     

电化学反应工程学的发展与展望

1、电化学反应过程的特点电极反应是在金属导体和电解质溶液的接触面上,伴随着电荷的移动而发生的不均匀接触反应。电荷的迁移与物质的迁移速度都严格地遵守法拉第定律。电化学反应速度与电流密度的意义相同。在电极界面上存在着电极电位,这和化学反应中电极自由能的变化具有同样的意义。因此对电化学反应中电极电位和电流密度的关系进行研究。就可     

新能源化工技术

发展新能源是实现“碳中和”战略目标的必由之路。本文首先勾画出可再生能源转换利用基本途径,指出新能源化工技术研究的理论基础是电化学工程、光化学工程、生物化学工程、分子化学工程、系统工程和人工智能等;其次,以可再生能源制氢、燃料电池发电与化学品共生、太阳能转换过程为例,阐明可再生能源资源转换中的化工问题;第三,通过对锂离子电池和钠离子电池中多元过渡金属氧化物正极材料及其电极制备过程开发,揭示电化学储能材料与器件制造过程工程特性;第四,介绍了化工系统工程和人工智能在电池状态预测模型构建、综合能源系统管理、光-储-充系统集成与优化运行中的应用。最后,根据各种案例分析,归纳出新能源化工研究的本质是将新能源转换与储存中涉及的“生物/光/电化学反应”,从实验室放大到规模化生产装置,阐明反应中的传质、传热和传荷机理及其反应工程特性。对未来新能源化工技术研发,从“共性科学问题”和“关键技术”两个层面提出了若干研究方向以供参考。     

锂离子电池电极颗粒分布对电化学性能影响的分析

活性材料颗粒尺寸分布是锂离子电池电极的重要参数之一,对电池的电化学性能具有重要影响。基于多颗粒模型,本文对锂离子电池的电化学性能进行模拟和预测,分析了粒径分布对放电过程的影响,阐明了不同尺寸颗粒在整个放电过程中的作用以及不同尺寸颗粒间的相互作用。研究表明:在放电前期,锂离子的嵌入反应主要发生在小尺寸颗粒上;在放电后期,小尺寸颗粒嵌入的锂离子已接近饱和,电化学反应将在不同尺寸颗粒表面间转移,锂离子的嵌入反应主要发生在大尺寸颗粒上。因此,在电池制造中,均匀的电极活性材料粒度分布将有助于避免放电后期电极颗粒不均匀所引起的极化现象。     

采用泡沫铜电极的热再生氨电池性能数值模拟

以采用泡沫铜电极的热再生氨电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)为研究对象,建立了多孔介质内物质传输与电化学反应耦合的稳态模型,计算获得了电池性能及多孔电极内物质传输特性,并研究了电解质浓度和电极孔隙率对电池性能的影响。研究结果表明,从主流区界面到多孔电极内部,阳极氨和阴极铜离子浓度逐渐降低,存在一定的浓度梯度,而且随着反应电流的增大,浓度梯度明显增大。在一定的范围内分别增大阳极氨浓度和阴极铜离子浓度,从主流区向多孔电极内物质传输增强,电池性能均能不断提升;随着硫酸铵浓度的增大,电解质电导率增大,电池性能逐渐提升,但增幅逐渐减小。此外,多孔电极孔隙率也会影响电池性能,本研究中TRAB在电极孔隙率为0.6时获得最高的最大功率(15.3 mW)。     

管式固体氧化物燃料电池机理模型与性能分析

针对Siemens-Westinghouse公司阴极支撑型(AES)管式固体氧化物燃料电池,耦合电极内部离子传导、电子传导、气体扩散、热量传递及电化学反应过程,建立了全面考虑活化极化、欧姆极化与浓差极化损失的管式SOFC横截面方向二维微观机理模型。模型计算结果与文献中实验数据吻合较好,模拟结果表明：电池横截面方向的组分浓度和电流密度的分布与SOFC的运行工况密切相关。连接器的存在和尺寸对电池工作性能均有较强影响。对于所研究的阴极支撑型SOFC,电池性能会受到氧气在多孔阴极中扩散过程的限制,改善多孔电极的微观结构可有效提高电池运行性能。     

锂离子传输机理的研究进展

锂离子电池的电化学性能取决于电极材料,电解质以及隔膜。锂离子在这些材料中的传输途径和速率直接影响锂离子电池的电化学性能。最近为了提高锂离子电池的能量密度和输出功率,科学家们开展了一系列锂离子传输机理研究。本文综述了锂离子在不同电极材料、电解质、自组装膜中的传输扩散机理和其研究进展,并对各种机理进行了比较分析,指出了探索锂离子传输机理过程中遇到的瓶颈和今后的研究热点。     

设计可逆电池的逻辑讨论

本文从逻辑推理的角度,提出添配电化学过程中在反应式上不出现的物质,完善了两个电极的全部成员,从而解决了设计可逆电池的某些困难。     

废旧锂离子电池回收处理技术与资源化再生技术进展

近年来,随着消费电子商品、电动车和大规模储能市场的快速发展,作为目前占据最多市场份额的锂离子电池的产量也随之快速增长,随之产生的废旧锂离子电池的数量和重量呈现出了井喷式的上涨。从其巨大的数量、环境保护和资源再生的角度来看,废旧锂离子电池都具有很高的回收价值和潜力。本文主要从实验室研究和工业应用两个角度总结了目前主要的回收处理方法和流程,重点介绍了利用废旧锂离子电池电极材料重新再生和合成新的电极材料的研究进展。目前废旧锂离子电池回收处理存在的问题主要是：电极材料的复杂多样性导致分离提纯过程困难,回收过程易产生二次污染以及回收的经济激励不足。未来的发展趋势在于结合绿色环保和低成本经济,研究高效的回收处理工艺流程。     

热处理对电沉积制备CuInGaSe2薄膜的影响

CuInGaSe2薄膜太阳能电池因具有稳定、高效、低成本和环保等特点而受到国内外科学家的重视．采用Mo／钠钙玻璃衬底为研究电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，大面积的铂网电极为辅助电极的三电极体系，在钼／钠钙玻璃衬底上利用电沉积技术制备出太阳能电池用的CuInGaSe2薄膜．分析了不同热处理温度对电沉积制备的CuInGaSe2薄膜的影响，结果表明：当热处理温度为450℃时，所制备的CuInGaSe2薄膜的化学组成接近理想的化学计量比，薄膜具有黄铜矿结构，颗粒均匀和致密性较好．     

加速量热仪在锂离子电池热安全性研究领域的应用

加速量热仪(Accelerating RateCalorimeter,简称ARC)是用于危险品评估的新型热分析仪器,可以提供绝热条件下化学反应的时间、温度、温升速率和压力数据。本文着重介绍了加速量热仪应用在锂离子二次电池热安全性研究方面的研究成果,总结了锂离子二次电池的正负极材料、电解液和粘结剂等对锂离子二次电池热安全性的影响,并对ARC在离子电池热安全性研究发展方向的应用进行了展望。     

In-situ design and construction of lithium-ion battery electrodes on metal substrates with enhanced performances: A brief review

For the ever-growing demand of advanced lithium-ion batteries, it is highly desirable to grow self-supported micro-/nanostructured arrays onmetal substrates as electrodes directly. The in-situ growth of electrode materials on the conducting substrates greatly simplifies the electrode fabrication process without using any binders or conductive additives. Moreover, the well-ordered arrays closely connected to the current collectors can provide direct electron transport pathways and enhanced accommodation of strains arisen from lithium ion lithiation/delithiation. This article summarizes our recent work on design and construction of lithium-ion battery electrodes on metal substrates. An aqueous solution-based process and a microemulsion-mediated process have been respectively presented to control the kinetic and thermodynamic processes for the micro-/nanostructured array growth on metal substrates, with particular attention to CuO nanorod arrays and microcog arrays successfully prepared on Cu foil substrates. They can be directly used as binder-free electrodes to build advanced lithium-ion batteries with high energy, high safety and high stability.     

锂离子电池正极材料的现状与发展

介绍了锂离子正极材料氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂、磷酸铁锂等研究开发和现状,对其特性进行了较为全面的总结。     

五氧化二钒电极材料的研究新进展

五氧化二钒作为传统锂离子电池电极材料已被广泛研究。近年来对五氧化二钒电极材料性能的改进一直是锂离子电池研究领域的热点与前沿之一。综述了五氧化二钒材料作为锂离子电池电极材料的研究最新进展,从结构与充放电机理、合成方法及复合改性等方面进行了讨论,总结了五氧化二钒电极材料的各种制备、掺杂和复合方式及其对电化学性能的影响,并指出了其作为锂离子电池电极材料的发展趋势。     

Li+电池固态聚合物电解质研究进展

固态聚合物电解质具有高安全性、高成膜性和黏弹性等优点,并与电极具有良好的接触性和相容性,是实现高安全性和高能量密度固态Li⁺电池的重要电解质体系。然而聚合物电解质室温离子电导率较低（10^-8~10^-6 S·cm^-1）,不能满足固态聚合物电池在常温运行的需求。因此,在提高离子电导率、机械强度和电化学稳定性等本征属性的基础上,同时探究改善电解质/电极的界面处及电极内部的离子输运是研发固态聚合物Li⁺电池面临的关键问题。主要从改性聚合物电解质用以提高Li⁺电池电化学性能的角度出发,综述了凝胶聚合物电解质、全固态聚合物电解质和复合固态电解质中的离子输运机制及其关键参数,总结了近年来聚合物电解质的最新研究进展和未来的发展方向。     

动力锂离子电池仿真模型研究进展

锂离子电池作为新能源电动汽车优异的动力来源受到广泛关注,获得高性能的锂离子电池对电动汽车的发展至关重要。数值仿真技术突破了传统实验的限制而极大地促进了锂离子电池的研究工作。高效、实用的仿真模型可以将多种化学反应及物理场相互耦合,预测多种因素对于电池各种性能的影响,使仿真结果尽可能地接近真实情况。本文主要介绍了仿真研究的优势和重要意义,分别从电池热模型、电学特性模型、老化模型等出发,比较了众多仿真模型针对锂离子电池性能的仿真结果,总结不同模型的优势以及存在的薄弱环节,并提出仿真研究以后的发展趋势为：①从机理出发,研究多物理场相互作用关系,实现多场耦合;②从模型和算法入手,扩大模型的研究范围,兼顾简化模型和提高精确度;③从电池本身入手,注重电池材料的性能改善以及成组方式和结构优化。     

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。     

锂离子电池异构建模及内部传质机理探究：粒径分布的影响

锂离子电池是目前应用较广的储能设备,具有能量密度高、使用寿命长等特点。随着锂离子电池正极材料实际能量密度接近理论值,电池组装工艺参数的优化成了提升其性能的重要途径,其中电极颗粒粒径及分布是十分重要的参数。因此,本文针对石墨-LiFePO₄体系锂离子电池,利用异构模型构建单粒径和双粒径电极的几何结构,再结合Newman模型模拟其放电过程,定量研究了正极材料粒径分布对锂离子电池性能的影响,探究了存在粒径分布的电极中不同粒径的颗粒在充放电过程的作用机制。模拟结果表明,粒径的减小可以减小固相扩散系数对电池性能的影响,但会增加液相扩散阻力;而粒径的分布可以促进锂离子在电解液中的扩散,提高小粒径颗粒的锂嵌入量,但会引起极化增大,导致大颗粒的锂嵌入量降低。粒径分布宽度越大,总体粒度越大,锂离子电池的能量密度越小。选择合适的粒径分布宽度,适当减小总体粒度的大小,能有效提升电极的能量密度。研究结果对于锂离子电池电极活性材料颗粒粒径分布的选择提供了有益的基础知识和指导。     

LiFePO4锂离子电池的数值模拟：正极材料颗粒粒径的影响

LiFePO₄（LFP）作为正极材料时,锂离子电池安全性高且循环寿命长,是目前应用最广泛的正极材料,但其电池倍率性能较差。提升倍率性能的有效手段之一是将LFP材料颗粒纳米化,但材料纳米化过程中颗粒粒径减小对于锂离子电池充放电过程中锂在固液相的扩散及表面电化学反应的影响机制仍缺乏清晰的认识。采用锂离子电池的准二维模型,模拟锂离子电池的放电过程,定量研究了正极材料颗粒粒径对锂离子电池倍率性能的影响,分析了固液相扩散速率与电化学反应速率受LFP材料颗粒粒径的影响程度。研究结果表明：电极材料中固相扩散阻力是锂离子电池电化学性能的主要限制因素。小粒径的LFP作为正极材料时,电极材料内的金属锂的迁移路径较短,同时颗粒与电解液的接触面积增加,界面的电化学反应速率较快,放电倍率对于锂离子电池性能影响较小;大粒径的LFP作为正极材料时,电极材料内的金属锂扩散路径的增加和较高的固相扩散阻力限制了界面的电化学反应速率,导致锂离子电池的倍率性能显著降低。LFP材料的纳米化可以有效减小固相扩散阻力,提升锂离子电池的倍率性能。     

锂离子电池纳米正极材料合成方法研究进展

纳米材料具有独特的物理和化学性质。纳米技术的应用为开发高能量和高功率的锂离子电池多元化发展提供了方向,成为锂离子电池电极材料发展的重要途径。本文介绍了纳米级锂离子电池正极材料的各种合成方法及电化学性能,如：固相法喷雾干燥法、微波合成法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法等,指出电极材料纳米化应用中的问题并给出建议,展望了纳米正极材料实用化的美好前景。