生物质衍生碳材料在全钒液流电池电极方面的应用北大核心CSCD

电极是全钒液流电池的重要组成部分,是电解液中不同价态钒离子发生电化学反应的场所。理想的液流电池电极需要同时具备电导率高、比表面积大、润湿性好、耐腐蚀、成本低廉的特性,而目前的材料往往不能兼顾。生物质衍生碳材料具有独特的多孔结构,且含有丰富的氧官能团和氮、磷、硫等元素,可以为电化学反应提供更多的活性位点,被广泛应用于电极材料中。本文回顾了生物质衍生碳材料作为电极或电极催化剂,在全钒液流电池中的应用和研究进展,重点讨论了材料的制备方法、结构组成及其电化学性能,有利于加深人们对电极“构-效关系”的理解,以期设计出更好的电极材料,提高全钒液流电池的性能,降低成本,推进全钒液流电池产业化的发展。     

内嵌树形翅片相变层电池热管理性能北大核心CSCD

针对被动式电池冷却方法存在相变材料导热性能差,无法及时释放电池热量的问题,本工作提出内嵌树形翅片强化相变层的传热特性。采用焓-孔隙率法建立了描述树形翅片-相变材料动态熔化传热过程的数学模型,数值分析了具有不同结构翅片相变材料的围护层,在1 C、2 C和3 C放电倍率下对电池温度的影响。与石蜡作为围护层相比,在3 C放电倍率下,石蜡内嵌直翅片可降低电池温度9.7 K;内嵌树形翅片时,相比于内嵌直翅片相变材料围护层电池温度可降低1.4 K。当树杈与树干的长度比为1.2时,内嵌树形翅片相变围护结构应用于电池热管理系统,可以得到较好的传热特性。     

碳还原法制备棒状硅基材料及其在锂浆料电池中的应用北大核心CSCD

以聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为结构导向剂,正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,柠檬酸为碳源,采用水热法得到凝胶状二氧化硅/碳前驱体,采用旋转蒸发方式去除溶剂,通过高温热处理,得到棒状硅氧基碳负极活性材料,提高浆料体系无紧密束缚环境下硅碳材料的性能。借助X射线衍射(XRD)仪、无机元素分析(EA)仪、比表面积及孔隙度分析仪和扫描电子显微镜(SEM)对棒状硅基材料进行结构和形貌表征。结果表明,合成的棒状硅基材料首尾相连,形成莲藕链束,长度约为1~3μm,直径约为200 nm,孔径为6.9 nm,比表面积为282 m^(2)/g。与管长>5μm,比表面积900 m^(2)/g,直径1~2 nm的单壁碳纳米管导电剂在电解液体系中形成长程、短程互补的多级网络,加上大量介孔的存在,有利于保持浆料悬浮稳定性。用世伟洛克电池进行电化学性能测试,电化学测试结果表明首次放电比容量为1300 mAh/g,充电比容量为726 mAh/g,首效为55.8%,在0.05 C下,循环50次充电比容量从726 mAh/g变为557 mAh/g,比容量保持率为76.7%。本工作在用P123为结构导向剂制备二氧化硅的过程中,引入碳源,得到同时具有碳包覆和碳还原二氧化硅的硅基材料,避免使用镁热还原二氧化硅,再碳包覆带来的复杂工艺流程。     

磁性金属元素在钠离子电池中的应用北大核心CSCD

钠离子电池由于其资源丰富、价格低廉等因素常被用作锂离子电池的替代品。但由于钠的原子半径相对较大、动力学性能相对迟缓等问题,限制了钠离子电池的商业化发展进程。本文基于目前最新的研究,系统总结了普鲁士蓝类、层状过渡金属氧化物类、聚阴离子类中的磁性金属元素在钠离子电池正极材料中的应用,通过掺杂磁性元素来提高电化学性能及循环稳定性。普鲁士蓝类在实际应用中普遍存在容量利用率低、效率低、倍率差和循环不稳定等缺点,然而通过磁性金属元素的掺杂降低Na^(+)通过SEI膜的扩散电阻,加速离子扩散过程,增加活性位点。层状过渡金属氧化物类、聚阴离子类正极材料利用磁性金属元素,增强了钠离子电池的电化学性能。对比锂离子电池负极材料,通过设计含有磁性元素的新型钠离子电池负极材料实现快速储钠,在碳基材料中负载磁性金属元素,加速Na^(+)扩散。本文对最新的进展情况进行分析并综述。     

模拟仿真在锂离子电池热安全设计中的应用北大核心CSCD

随着锂离子电池的广泛使用,锂离子电池热安全问题日益突出。相比于成本高、破坏性大的实验方法,建模仿真因其经济、安全、快速等优势成为锂离子电池热安全研究的重要手段。本文从微观建模、单电池建模以及电池组建模三个尺度对最新的锂离子电池模型及其在热安全设计中的应用进行了综述。着重介绍了锂枝晶的生长调控和电解液的安全设计方面的模拟仿真、单电池模型与热方程耦合的应用以及锂离子电池组热模型在优化电池热管理系统方面的研究。最后总结了现有的锂离子电池热模型存在的缺陷,并对锂离子电池热模型未来的研究方法做出了展望。     

相变储冷技术及其在空调系统中的应用北大核心CSCD

储能是实现“双碳”目标的关键支撑技术之一。相变储能因能实现能量的存储及释放、有效提高能源利用效率,是目前解决能源供需不平衡问题的重要途径。随着人们对冷能需求的增长,相变储冷技术受到了研究者的广泛关注,但与传统相变储热技术相比,相变储冷技术这一领域的综述文章还较少。本文梳理了相变储冷技术的基本工作原理和特点,介绍了应用于储冷空调系统相变材料的不同种类、性质及其优缺点,阐述了相变储冷关键技术,包括物性提升关键技术、传热强化关键技术、封装定型关键技术,分析了储冷空调中的不同储冷器件结构(板式、球式、螺旋管式、壳管式)和应用技术。进而总结了相变储冷技术在常规储冷空调系统及冷链运输储冷空调系统中的应用。本文对储冷技术目前的发展现状及前景分别做出了较全面的总结和分析,指出了相变材料性能的改善、储冷器件的传热强化、空调系统的COP和节能率的提升、保持系统的长期稳定运行是今后对储冷空调系统的研究重点。     

钾离子电池聚阴离子正极材料的研究进展北大核心CSCD

钾离子电池(PIBs)由于钾金属资源丰富、成本低廉、环境友好及能量密度高等优点,已成为替代锂离子电池(LIBs)的理想新型储能体系。尽管近年来PIBs在负极领域的研究已经取得了显著进展,但正极材料的研究缓慢,其设计和应用面临可逆比容量低、循环稳定性差、能量密度不理想等问题。因此,发现和设计正极材料对构建用于实际应用的钾离子(K^(+))电池至关重要。由于聚阴离子材料在LIBs和钠离子电池(NIBs)中的成功应用,近年来,人们也将研究集中于PIBs的聚阴离子材料。聚阴离子材料具有氧化还原电位高、发生有利的感应效应、安全性高、热稳定性和结构稳定性良好等优点,可以实现较为稳定的容量存储,但是其可逆容量低、导电性差等问题仍需解决。本篇综述针对钾离子电池聚阴离子正极材料的研究进行了综述和讨论,以探究聚阴离子正极材料发展设计潜力和研究空间为目的,集中讨论了磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐类材料的机理和结构的发展现状,总结了当前聚阴离子类正极材料设计的主要理念,并对聚阴离子正极材料的改性研究提出了一些建议和前景。     

基于仿生翅脉流道冷板的锂离子电池组液冷散热北大核心CSCD

基于方形锂离子电池生热特点,设计了一款新型仿生翅脉流道冷板。在数值传热学理论基础上,建立了仿生翅脉流道冷板的电池组液冷冷却散热模型,对仿生翅脉流道冷板和进出口位置不同的两种并行流道冷板的锂离子电池组冷却散热分别进行了数值模拟计算,并分析了电池组相邻冷板冷却液流向和流道槽深等参数对仿生翅脉流道冷板散热的影响。结果表明:与并行流道冷板相比,仿生翅脉流道冷板冷却不仅能够进一步降低电池组最高温度和温差,提升温度分布均匀性,还可以减小流道压力损失,降低能量消耗。电池组相邻冷板冷却液交错流比同向流电池组的表面最高温度降低了0.62 K,温差减小了1.13 K,平均温度变化相差不大,温度场分布均匀性得到进一步提升;冷却液质量流量不变,随着流道槽深的增大,电池组的最高温度、平均温度和温差均出现先增大后减小的现象,但随着流道槽深的增加,电池组的重量和所占空间也会增加,当流道槽深为2 mm时冷板冷却效果最优。研究结果可为探索散热性能更好、能耗更低的电池组热管理系统提供参考。     

高镍正极材料的稳定改性方法研究综述北大核心CSCD

高镍正极材料拥有容量高、稳定性好、成本较低以及环境友好等优点,是未来开发高比容量锂离子电池的关键正极材料之一。同时,为获得更高可逆容量以进一步提升电池的比容量,增加材料本体中的Ni元素含量是常用、也被广泛认可的技术手段。不过,随着材料中镍的提升,也带来了诸多问题,诸如阳离子混排程度上升,表-界面副反应活性增多,热稳定性下降,晶体容易出现裂纹并迅速蔓延扩散,以及在空气中容易生成残余锂化合物等。在这些负面诱因的共同作用下,高镍正极材料面临着使用环境要求较高、循环过程中易发生结构破坏以及造成的安全性等问题,阻碍了其进一步推广应用。基于上述考虑,本文梳理了近些年用于稳定高镍正极材料的改性方法,综合分析了各方法的特性及研究现状,经分析认为,后续在锂离子电池高镍正极研发改性的过程中,应从原有改性策略出发,进行更小尺度、更精细化地结构优化,针对电芯的不同应用场景进行材料微观结构的定制化改性,全面实现高镍正极材料的各项性能提升。     

一种新型蓄冷储热复合相变材料及其应用北大核心CSCD

采用热塑性弹性体SEPS/OP10E C-PCMs通过物理交联机理,熔融共混法制备得到一种可形变,力学性能较强,可浇筑塑形的定型复合相变材料SEPS/OP10E C-PCMs。加入SEPS/OP10E-PEG 2000加强力学性能,探明了物理交联机理以及力学性能增强机理。实验借助多种测试表征手段如差示扫描量热法(DSC)、综合热分析法(TG)、拉力-应力测试等,探究其储热性能、热稳定性及力学性能等。测试结果表明,SEPS/OP10E-PEG 2000具有较高的潜热值,且50次加热-冷却循环后无石蜡泄漏,热稳定性良好,且最大拉伸率为652.3%,力学性能较强。并将这种具有浇筑塑形的SEPS/OP10E-PEG 2000应用于蓄冷箱中,其可在7~9℃温度下维持2.6 h之久。这种新型具有浇筑性能且各项热特性较强的复合相变材料在冷链运输中降低了储热材料的空间占比,使蓄冷箱精准控温能力和保冷性能增强的同时有效节约了冷链运输空间。     

基于空调的有轨电车动力电池热管理控制北大核心CSCD

新能源有轨电车的动力电池间歇性工作、充放电时发热量大,一般需要配置各种形式的散热装置。采用变频空调设计电池箱的热管理系统,其热泵功能在高温或低温环境时可将箱内温度控制在合理范围之内。本工作提出一种适用于此热管理系统空调的多温融合温区控制方法,主要包括压缩机频率计算和动态温度区间控制两方面。用环境温度和电池温度修正回风温度,兼顾提高空调运行效率和响应速度,并以修正后的温度参数参与计算压缩机频率。箱内温度控制为较宽范围的温度区间,并以回风温度的变化趋势动态调整区间范围,减少空调制冷/制热时间的同时抑制回风温度异常上升。还介绍了通风机和冷凝风机的变频调速控制方法。对应用此方法的电池箱(及空调)进行试验测试,空调能耗下降约4%,电池最高温度降低近2℃。结果表明,所述方法既能实现电池箱温度调控需求、优化电池环境,又能降低热管理系统的运行能耗。应用所述热管理系统的动力电池箱经过试验考核后已装车运用。     

水热预处理对木质纤维素类废弃物厌氧发酵产甲烷及能量平衡的影响北大核心CSCD

文章研究了10种常见的木质纤维素类废弃物(玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、水稻秸秆、南瓜藤、地瓜藤、苦瓜藤、浮萍、猴菇渣、平菇渣)在175℃,30 min条件下的水热预处理效果,并开展了产甲烷潜力试验。结果表明:水热预处理后,10种废弃物的半纤维素含量均显著降低,但玉米秸秆、小麦秸秆、南瓜藤、地瓜藤和浮萍的产甲烷潜力并未得到显著提高;苦瓜藤、猴菇渣和平菇渣因水热处理后纤维素得到大幅降解,其产甲烷潜力分别提高了51%,30%和29%。通过能量平衡分析可知,对于中温37℃的厌氧发酵工艺,进行水热预处理需要多消耗大约977 kJ/kg的能量,即水热处理后物料的甲烷产量至少要比未水热处理的物料提高27.2 L/kg,才能够保持相同的能量收益。     

基于相变材料的储热器及其传热强化研究进展北大核心CSCD

相变储热是具有广阔应用前景的储能技术之一,具有储热密度大、相变温度稳定等优点,但相变材料的热导率低制约了相变储热技术的发展。提升相变材料的热导率和储热器件的传热速率是有效的解决途径。针对相变材料热导率强化研究进展有大量综述,而对于储热器件层面的传热强化的总结较少,本文回顾了近10年国内外在储热器及其传热强化研究方面的进展。为适应不同应用需求,不同类型的相变储热器应运而生,根据储热器的工作模式和结构可以分为管壳式、填充床式、板式、热管式4类,本文系统地介绍了4类储热器的工作原理、优缺点以及强化传热研究,主要比较了结构优化后的储热器与传统储热器的传热速率和储/放热性能,结果指出对储热器的内部结构进行改进及拓展外部结构等方法能有效增加储热容量和储/放热速率,对于提高系统相变储热能力具有积极作用,分析表明后续的研究应该明晰储热器内部多相耦合传热机制,增强储热器对动态工况适应能力,拓宽应用范围。     

微胶囊相变储能材料的合成及其应用研究进展北大核心CSCD

由于大部分能源通过热能的形式被使用,故在实际应用中提高热能利用率显得尤为重要。相变材料作为一种热能储能介质,通过其储存或释放潜热的特性,可以实现能源的高效利用,进而降低二氧化碳的排放。但是在实际应用中相变材料存在一定的局限性,如过冷现象、低导热率、泄漏和腐蚀问题等。微胶囊相变储能材料(又称为相变微胶囊)是通过一定的封装技术将相变材料包裹在内,从而避免相变材料发生泄漏,可通过对壳材的改性实现更高的机械强度、热稳定性和导热性能。从微观尺度上相变微胶囊可分为微米级和纳米级微胶囊。随着微胶囊相变材料在热能储存领域的广泛应用,越来越多的研究者对其进行深入开发和应用。本文从相变微胶囊的合成材料、制备方法和应用领域等方面进行详细综述,重点介绍相变微胶囊的芯材和壳材的种类及其优缺点;分析相变微胶囊的制备方法及其应用与发展,如电喷雾技术和喷雾干燥法等物理法,乳液聚合法、细乳液聚合法、原位聚合法和界面聚合法等化学法,以及凝聚法和溶胶-凝胶法等物理化学法;最后阐述了相变微胶囊在建筑、调温纺织品和太阳能利用等领域的应用现状及前景。     

数据驱动的机器学习在电化学储能材料研究中的应用北大核心CSCD

储能电池的关键是材料。继实验观测、理论研究和计算模拟之后,数据驱动的机器学习具有快速捕捉材料成分-结构-工艺-性能间复杂构效关系的优势,有望为电化学储能材料的研发提供新的范式。本文从结构化和非结构化数据驱动两方面,系统评述了机器学习在电化学储能材料研究中的最新进展。全面概括了可用于电化学储能材料机器学习的国内外材料数据库,分析了其数据的收集、共享和质量检测存在的问题;重点阐述了电化学储能材料中机器学习的工作流程和应用,包括结构化数据驱动下数据收集、特征工程和机器学习建模以及图形、表征图像和文献文本这类非结构化数据驱动下的模型构建和应用。进一步,厘清电化学储能材料领域机器学习面临的三大矛盾且给出对策,即高维度与小样本数据的矛盾与协调、模型复杂性与易用性的矛盾与统一、模型学习结果与专家经验的矛盾与融合,并提出构建“领域知识嵌入的机器学习方法”有望调和这些矛盾。本文将为机器学习在电化学储能材料设计和性能优化中的应用提供参考。     

相变储能装饰材料在室内设计中的应用北大核心CSCD

国民经济水平的提高使得人们对居住环境的要求越来越高,建设低能耗、低排放的居住环境成为建筑行业的重要发展方向。基于此,人们希望能够有效提高建筑行业能源利用效率,以实现节能低碳的目的,为人们营造性能更加优越、污染与排放更少的建筑环境,为社会生态环境的优化作出贡献。本文汇总了相变储能材料的优势、特点及其在室内装饰设计中的具体应用案例,以期为相变储能技术及其在室内装饰领域的创新发展提供参考。     

考虑质量流量的电池组蛇形冷却结构仿真北大核心CSCD

针对大容量方形锂离子动力电池组在放电时存在电池表面温度过高与温度一致性较差问题,以电动汽车用某方形磷酸铁锂电池为研究对象,分别设计了具有单向流通结构和双向对流结构的蛇形管路电池组热管理系统。为了考察两种热管理系统的冷却性能,首先建立了单体电池的电化学-热耦合模型,模型经试验验证后,对不同质量流量下的电池组最高温度、冷却时间以及最大温差进行了对比仿真研究,结果表明:随着质量流量的增大,两种结构的电池组最高温度均呈下降趋势;在不同质量流量下,单向流通结构冷却时间均小于双向对流结构,双向对流结构的电池组的最大温差均小于单向流通结构;在大质量流量下,由于冷却液流速过快,会导致冷却液温度升高,从而影响冷却效果。     

阴离子氧化还原反应对富锂锰基正极材料的影响及其改性策略北大核心CSCD

兼具高能量密度、高功率密度、长循环寿命性能的正极材料是当下电池储能材料研究的重点,也是储能市场的重要需求。富锂锰基正极材料(LRMO)因其极高的放电比容量(≥250 mAh/g)、较高的工作电压(4.2~4.5 V vs.Li/Li^(+))、低成本且环境友好等优点成为当下最具应用前景的正极材料之一。虽然金属阳离子和阴离子依次或同时进行的氧化还原反应使LRMO材料的容量超过了传统层状氧化物,但首次不可逆容量高、循环和倍率性能较差等一系列的问题阻碍了其工程化应用,这与材料中阴离子氧化还原反应紧密相关。本文首先介绍了LRMO材料的晶体结构,然后基于分子轨道理论,回顾了LRMO材料的能带结构与阴阳离子氧化还原反应的联系,总结了阴离子氧化还原反应对富锂锰基正极材料的影响,包括高容量、不可逆的氧流失、过渡金属离子迁移。同时,分别从过渡金属比例调节、表面修饰、离子掺杂三个方面总结了近些年国内外研究人员针对阴离子氧化还原反应造成的负面影响设计的改性策略。最后展望了LRMO材料理论研究与应用研究的大致方向。     

十五烷微胶囊潜热型功能流体的制备及其性能北大核心CSCD

为了防止相变过程中材料的泄漏,采用原位聚合法制备了以十五烷(Pen)为芯材,脲醛树脂(UF)为壁材的低温相变微胶囊。研究了升温速率、聚合pH值和聚合转速对微胶囊制备的影响,采用SEM、FT-IR、DSC和马尔文激光粒度仪测试了微胶囊的形貌、化学构成、热力学性质和粒径分布。升温速率为1.0℃/min、聚合pH值为3.5和聚合转速500 r/min为十五烷微胶囊的最佳制备条件,在此条件下制备的微胶囊球形形貌明显,表面光滑,仅有少数UF颗粒粘附,粒径分布均匀,相变温度和相变潜热分别为8.20℃和115.3 J/g,平均粒径为50.0μm,包裹率达到77.3%。实验结果表明,芯材和壁材仅为简单的物理嵌合,具有良好的储热性能和热稳定性。以不同质量分数的乙醇溶液为基液分散十五烷微胶囊,采用24 h静置实验得到了稳定的潜热型功能流体(LHFF),LHFF在乙醇含量为70%的基液中最为稳定。采用导热系数测定仪和旋转黏度计对LHFF的导热率和黏度进行测试分析表明,LHFF的导热率随着温度的升高而增加,随着微胶囊的添加量的增加而逐步降低。LHFF的黏度随着温度的升高而逐步减小,随着微胶囊的添加量增加而逐步升高。潜热型功能流体作为空调系统的载冷剂,提高了制冷机组的性能,降低泵的输送能耗,提高了蓄冷空调系统的经济性。     

室内装修设计中相变储能材料的应用北大核心CSCD

室内装修设计主要是对室内的空间界面进行施工或布置,以达到工程完善、感官美化、使用方便的目标。随着时代发展,室内装修设计在我国已逐渐成为一种朝阳产业,具有十分广阔的发展趋势与发展前景。然而,我国建筑行业存在的部分问题与误区,使得室内装修设计工程存在一定隐患和弊端。例如,保温隔热材料以及防潮、防火、防腐材料等一系列功能性材料的处理,通常会因设计和施工人员的无知或偷工减料,而遗留诸多安全隐患;使用传统高排放、高能耗、高污染的能源,造成了巨大的浪费。为充分保障我国建筑行业以及室内装修设计行业的长远发展,要及时转变行业的经济增长模式和能源消费方式,使能源消费方式向着低排放、低污染、低能耗进行高效转变。