N/P比对磷酸铁锂电池性能的影响

为了探究不同N/P对磷酸铁锂电池性能的影响,以磷酸铁锂为正极材料,人造石墨为负极材料,通过叠片工艺制备了4种不同N/P比(1.02、1.06、1.10、1.14)的磷酸铁锂电池,并通过电化学测试表征了不同N/P下电池的首次放电效率、倍率充放电性能、充放电DCR、高低温放电以及45℃循环性能.结果表明:相比于N/P(1....     

基于锂离子嵌入模型的NCM811电池性能北大核心CSCD

本工作以NCM811电池为主要研究目标,探究在正常工作情况下的电池性能。具体包括不同环境温度与放电倍率下的放电性能,以及初次循环与第2000次循环时的电池容量变化,得到电池的电压曲线,并将结果与NCM523电池以及NCA电池进行对比。同时,由于NCM811电池存在热安全问题,因此,探究了其在热失控情况下自身的电压与温升情况,总结了其温度传递规律,并与实验结果进行对照。基于上述结果得到:电池在正常工作情况下,NCM811电池在倍率充放电性能上表现优异,在大倍率充放电时电池容量保存较好,NCM523电池与NCA电池均表现出电池容量衰减;在电池的循环老化方面,与NCM523电池相同,NCM811电池也表现出明显的容量衰减,NCA电池容量几乎不发生变化;在高低温放电方面,电池在低温时的产热均高于高温时的产热,在相同的环境温度下,NCM811电池温升最为明显,存在较大的热安全隐患,NCM523电池与NCA电池升温较为平缓;在电池发生热失控时,电池电压突降至0 V,温度短时间内升至1200 K左右,仅在发生热失控的部分,温度随时间变化明显,其余部分温度趋于恒定。与实验过程相比,仿真过程热失控触发时间较晚,温度升高较快,电池最高温度较低。     

干燥对复合负极力学行为的影响北大核心CSCD

本工作在不同干燥温度下分别制备了以聚偏二氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶/羧甲基纤维素钠(SBR/CMC)和海藻酸钠(SA)为黏结剂的碳包覆氧化亚硅多孔复合负极,并对其进行了系统的准静态拉伸和界面拉剪测试,以考察干燥温度对不同体系复合电极力学行为的影响。结果表明,提高干燥温度虽会提升电极干燥效率,但受高温下电极黏结剂厚向迁移的影响,各粘接体系下电极的拉伸性能和电极/集流体界面粘接性能都会随之削弱。干燥温度越高,力学性能削弱幅度越大。三种粘接体系相比,SBR/CMC体系在高温干燥后仍能保持较高的拉伸强度/模量比,以及相对较高的界面拉剪强度,因而较之SA和PVDF体系更适宜于高温干燥。     

过充循环对锂离子电池容量衰减及安全性影响北大核心CSCD

随着能源问题的出现,锂离子电池已成为人们关注的热点。本工作以18650型NCM811锂离子电池为研究对象,将电池过充至3个不同的截止电压(4.3 V、4.4 V、4.5 V)并循环一定的次数(180次)直到电池容量大幅度衰减,基于测试分析4.5 V过充循环电池的交流阻抗谱和容量增量曲线来定性和定量地研究电池容量衰减机理。研究发现活性锂离子的损失和活性材料的损失是电池容量衰减的主要原因,电池电导率的损失对电池容量衰减影响不大。通过绝热加速量热仪(adiabatic rate calorimeter,ARC)研究新电池,4.3 V、4.4 V和4.5 V过充循环电池在100%SOC下的热失控特征参数(自产热起始温度T_(1)、热失控触发温度T_(2)、热失控最高温度T_(3))。发现在热失控发生过程中,电池达到相同的温度时,4个电池的温升速率大小分别是新电池<4.3 V过充循环电池<4.4 V过充循环电池<4.5 V过充循环电池。电池在经过过充循环之后热稳定性变差。过充循环后,电池的自产热起始温度降低、热失控触发温度降低。     

涂炭铝箔对高能量密度LiFePO_(4)动力电池的影响北大核心CSCD

探究不同涂炭层的涂炭铝箔对高能量密度磷酸铁锂(LiFePO_(4))动力电池的影响,以石墨+炭黑(GC)和炭黑(C)两种涂炭体系的涂炭铝箔制作的磷酸铁锂软包电池作为研究对象,评估了两种不同涂炭层对锂离子电池电化学性能的影响。物性对比结果显示,GC方案外观为深灰色,石墨与炭黑复合后具有大孔径的蓬松状结构,而C方案外观为黑色,由纳米级炭黑颗粒组成,呈现小孔径疏松状结构。结果显示GC复合涂炭层的黏结力为炭黑涂层的1.18倍。电化学性能结果表明,两种方案的首次库仑效率和放电平台一致性高,而GC方案的电荷转移阻抗更小。GC方案复合涂炭层更有利于提高电池的常温和高温循环性能,而C方案炭黑涂炭层可改善电池的大倍率和低温性能。     

基于正弦函数的液冷板上流体流向对锂离子电池散热性能的影响北大核心CSCD

锂离子电池的散热性能与液冷板上流道的形状、液流流向、液流入口温度、液流入口流速和放电倍率等有关。本工作以电池最高温度、温差、温度标准差及压降为评价指标,设计了一种正弦函数液冷板流道,运用COMSOL有限元软件分析正弦流道频率与振幅对锂离子电池散热性能的影响并探讨不同放电倍率、不同入口温度和不同入口流速条件下流体流向对锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性的影响。结果表明:低频率和低振幅的正弦函数流道有利于电池的散热;改变流体流向有利于改善锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性;随着交错流次数的增加,锂离子电池的最高温度和温差均减小;高放电倍率下流体流向对锂离子电池散热性能的影响更大;液流入口温度为25℃时,改变流体流向锂离子电池的散热效果最佳。     

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。     

管式ZEBRA电池的长循环性能与电压弛豫曲线分析北大核心CSCD

管式ZEBRA电池(也称钠-金属氯化物电池)在电网储能、备用电源和极端环境等领域具有广阔的应用前景,已处于商业化示范应用发展阶段。然而,进一步提高其长循环性能仍是下一代ZEBRA电池的研发重点。判断ZEBRA电池的健康状态对于预测其循环稳定性至关重要。我们结合管式电芯的阴极颗粒特征、长循环性能曲线与放电电压弛豫曲线进行了分析,得到ZEBRA电池将经历前期活化、中期性能稳定和后期性能老化等三个不同的性能阶段。通过观察ZEBRA电池的电压弛豫曲线的变化,可以较好地判断电池性能所处的阶段,从而获取电池的健康状态。并以此判断为基础,通过改变阴极的组成可达到减少电池活化时间,保持电池长循环稳定性的目的。     

电极结构对(NCM+AC)/HC混合型电容器电性能的影响北大核心CSCD

混合型电容器是一种介于锂二次电池和超级电容器之间的一种新型储能器件,在电化学储能领域有非常广泛的应用。混合型电容器的电极材料包括锂二次电池电极材料和超级电容器电极材料,在混合电容器内部形成“交叉结构”。本工作分别采用干法和湿法工艺制备出(NCM+AC)混合型正极片和硬碳负极片,并装配成064060软包混合型电容器。本工作系统分析了两种电极结构的特点及其对软包混合型电容器性能的影响。实验结果表明,干法电极内部含有丰富的PTFE纤维结构,原材料颗粒之间接触更为紧密。在相同厚度下,干法电极的活性物质负载量更大,电极体积密度大、欧姆电阻及极化电阻均较小。在相同体积的软包产品内,干法电极产品的容量、能量密度较湿法电极产品均提高20%以上。在正负极面密度比及N/P放电容量比均相同的条件下,干法电极产品在高低温性能、循环性能、倍率性能及高温负荷性能方面均优于湿法电极产品。干法电极制备工艺不使用任何溶剂,绿色环保,节省成本,PTFE纤维可以牢固地兜住NCM和AC,有助于在混合型电容器电极制备中推广应用。     

基于递推门控循环单元神经网络的锂离子电池荷电状态实时估计方法北大核心CSCD

锂离子电池荷电状态(state of charge,SOC)的准确估计对于保证电池系统安全运行至关重要。目前基于门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)等循环神经网络的SOC估计方法得到了广泛关注,其无需预设电池模型即可实现SOC准确估计。然而,这类估计方法存在计算复杂度过高而难以在工程中实际应用的问题。针对传统GRU神经网络估计SOC时需要进行大量隐状态迭代而导致计算复杂度过高的问题,提出了网络隐状态时序继承的递推更新方式,通过改进GRU网络的输出结构,从而实现了仅需对当前时刻采样数据进行一次网络计算即可准确获取当前时刻SOC估计值。与文献中报道传统GRU方法相比,该递推GRU方法在保证SOC估计准确度不降低的情况下,能减少99%以上的计算量,具有较好的应用前景。此外,针对部分应用场景中电池训练数据缺乏的问题,方法能够结合迁移学习来快速完成网络训练。通过实验室测试数据集以及公开数据集进行验证,该方法能对不同温度环境、不同老化状态以及不同型号的锂离子电池进行准确SOC估计,其最大估计误差均不高于3%。     

高阻燃硫正极的制备及其性能北大核心CSCD

本工作系统研究了锂硫电池硫正极中添加不同含量的六氯环三磷腈对硫正极阻燃性能和电化学性能的影响。通过燃烧实验,发现六氯环三磷腈的加入可使硫正极表现出优异的阻燃性能。此外,通过借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)技术和电化学性能测试等手段,对比了添加和未添加六氯环三磷腈硫正极循环前后的表面形貌、组成成分和电化学性能。结果表明,当六氯环三磷腈添加量为10%时,硫正极表现出最优的循环性能和库仑效率。在0.2 C电流密度下,硫正极中添加量为10%六氯环三磷腈的锂硫电池在100次循环后放电比容量仍保持在975.2 mAh/g,明显优于硫正极中未添加六氯环三磷腈的锂硫电池。而且,添加六氯环三磷腈的硫正极材料分散均匀,即使循环100次后,也未出现明显的裂纹,阻抗也未明显增加。此外,通过六氯环三磷腈和多硫化锂的反应实验,发现六氯环三磷腈的存在有助于锚定充放电中间产物多硫化锂,进而抑制多硫化锂的穿梭,提升锂硫电池的电化学性能,这为提高阻燃锂硫正极材料的电化学性能提供了新的思路。     

FeSe_(2)-C三维导电复合材料的制备及其电化学性能北大核心CSCD

过渡金属硒化物因为具有更窄的带隙和线宽、更高的导电性、更大的层间距、更低的成本以及更高的理论容量等优势,在电极材料领域受到了广泛关注。本研究为着重解决FeSe_(2)电极材料可逆容量低和循环稳定性差等问题,设计了在FeSe_(2)阳极中掺杂膨胀石墨,形成由互相穿插、堆叠的膨胀石墨片组成的三维导电网络结构,以膨胀石墨为碳源,采用简单有效的溶剂热法制备出FeSe_(2)-C负极材料。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N2吸附法等表征手段,对样品的晶体结构组成、微观结构形貌进行了解析。同时,采用了恒流充放电(GCPL)、循环伏安(CV)以及交流阻抗(EIS)等电化学测试方法,研究了膨胀石墨的掺杂对FeSe_(2)电化学性能的影响。结果表明,FeSe_(2)-C电极呈现出层级结构且储锂能力良好,具有优异的电化学性能和循环稳定性。在0.1 A/g的电流密度下首次放电比容量高达720.5 mAh/g,充电比容量512.3 mAh/g、首次库仑效率71.1%。在5 A/g的电流密度下经过1000次循环后容量仍有339.1 mAh/g,是纯FeSe_(2)电极材料经历相同次数循环后的8.5倍。利用膨胀石墨构筑三维导电网络的技术方法,可以有效改善FeSe_(2)的电化学性能。     

多晶及单晶高镍三元材料LiNi_(0.9)Co_(0.05)Mn_(0.05)O_(2)的可控制备及其电化学储锂特性北大核心CSCD

随着电动汽车电源及储能技术的快速发展,高镍三元层状氧化物因其高容量和低成本等优势,成为动力电池首选正极材料之一,但是高镍三元材料面临循环性能和倍率性能差等问题,严重限制了其规模化应用。高镍单晶可以有效减缓颗粒裂纹的产生,从而提高高镍正极材料的循环稳定性,但是高镍单晶严苛的制备条件限制了其开发与应用。本工作通过共沉淀-高温固相法和熔盐法分别制备出多晶高镍材料LiNi_(0.9)Co_(0.05)Mn_(0.05)O_(2)(NCM-PC)和单晶LiNi_(0.9)Co_(0.05)Mn_(0.05)O_(2)材料(NCM-SC),并通过电子显微技术(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、恒电流间歇滴定技术(GITT)和电化学测试对两者的晶体结构、微观形貌、电化学性能及Li+传输动力学进行了系统研究。研究表明,NCM-PC具有较高的锂离子扩散系数,导致其优异的倍率性能,在10 C充放电倍率下,其放电比容量高达164 mAh/g。尽管NCM-SC的高倍率性能欠佳,但其循环性能优异,在3 C倍率下,经100次循环后其容量保持率高达89%。本研究为进一步探索单晶/多晶超高镍(Ni≥90%)正极材料尺寸调控及性能优化提供了参考。     

基于天然纤维素物质的C/TiO_(2)/CuMoO_(4)微-纳结构复合纤维材料构筑及其电化学性能北大核心CSCD

锂离子电池作为目前常见的储能器件,具有能量密度高、功率密度大、价格低廉、绿色环保等特点,已经得到广泛应用。目前发展非石墨基负极材料以提升电池性能的需求日益迫切,钼酸铜由于理论比容量高、还原电位低,是一种极具潜力的负极材料。本研究工作以天然棉花纤维为结构支架和碳源构建了一种具有微-纳结构的C/TiO_(2)/CuMoO_(4)复合纤维材料,解决了钼酸铜作为电极材料时导电性差和易粉碎的问题,表现出优异的电化学性能。首先对棉花纤维进行酸碱预处理提高其比表面积;然后通过溶胶-凝胶法在纤维表面沉积超薄二氧化钛层;再利用层层自组装(LbL)技术沉积钼酸铜层;最后在氩气氛围中于500℃煅烧6h得到微-纳结构的C/TiO_(2)/CuMoO_(4)复合纤维材料。当用作电极材料时,在100mA/g的电流密度下,钼酸铜质量分数为22.8%的复合材料首圈放/充电比容量分别为1212mAh/g和675mAh/g,库仑效率为55.7%,经过200圈循环后,其比容量为403mAh/g,保持率为59.7%,具有良好的循环性能和倍率性能。这种微-纳结构提高了复合材料的导电性和稳定性,从而增强了其电化学性能。     

N掺杂多孔碳海绵定形芒硝基复合相变材料的制备及其热性能北大核心CSCD

芒硝相变储能材料作为一种潜热值高、来源广泛的无机水合盐,因存在相分层、过冷度等问题,限制了其在储能领域的广泛应用。本工作以N掺杂多孔碳为载体,将芒硝相变储能材料与N掺杂多孔碳复合,解决芒硝相变储能材料在实际应用中存在的问题。基于水热反应在聚氨酯泡沫上负载N原子,随后通过高温碳化得到N掺杂的多孔碳海绵(NPCS-M),并将其作为Na_(2)SO_(4)·10H_(2)O/Na_(2)HPO_(4)·12H_(2)O共晶盐的载体,最终制备出N掺杂多孔碳海绵封装的芒硝基复合相变材料(NPCM)。结果表明:N掺杂多孔碳海绵为蜂窝状结构,N含量为4.3%,比表面积为42.52 m^(2)/g,该材料对共晶盐的吸附量达到了自重的120倍。同时研究了该材料在5~60℃温度范围内循环1000次、3000次和5000次后的固液相变性能,经5000次循环后,该复合相变材料的潜热仍在130 J/g以上,且有降低共晶盐多次循环后过冷度的作用。该N掺杂多孔碳海绵复合相变材料在储能领域具有广阔的应用前景。     

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。     

硫系电解液添加剂对镍钴锰酸锂//石墨锂离子电池性能的影响北大核心CSCD

本工作系统研究了6种添加剂[碳酸亚乙烯酯(VC)、亚硫酸乙烯酯(ES)、硫酸乙烯酯(DTD)、1,3-丙二醇环硫酸酯(PCS)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)、1,3-丙烯磺酸内酯(PST)]对镍钴锰酸锂(NCM111)//石墨体系锂离子电池电化学性能的影响,通过对比首次充放电效率、放电容量、倍率特性、低温放电能力、高温存储性能以及循环寿命等发现:VC在各方面性能比较均衡,碳碳双键(C=C)能够改善成膜特性,循环性能优异,可独立使用;ES在化成、循环和存储过程中因电解液持续分解而胀气,无法单独使用;硫酸酯添加剂(DTD和PCS)能够明显降低阻抗并提升低温性能,但高温性能稍差;磺酸内酯添加剂(PS和PST)对抑制高温胀气效果突出,含有双功能基团的PST循环性能及抑制电压衰减的能力优于PS,但低温阻抗较高。综合对比发现,单组分硫系添加剂在某些性能方面有自己的特色,但也存在显而易见的缺陷,无法独立使用。通过与VC进行等比例复配,硫系添加剂循环性能差的问题得以解决,而高首效、低内阻、大倍率和高温稳定性等特色功能得以保持,二元联用后的综合性能显著优于单组分添加剂,采用添加剂联用方式来改善电池综合性能是较佳选择。     

LiF添加剂改善含锂陶瓷隔膜与4.35 V LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)正极的界面稳定性北大核心CSCD

锂离子电池用LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)正极,具有较高比容量和较低成本的优点,但是其在高电压长循环时正极界面极不稳定、安全性能亟待提高。虽然锂快离子导体Li1.2Ca0.1Zr1.9(PO4)3制备的陶瓷隔膜在很大程度上可以解决电池的安全性问题,但是与NCM811正极界面稳定性差。本工作通过在陶瓷隔膜中添加具有稳定界面功能的氟化锂(LiF)的方法来解决此问题。采用扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、机械拉伸强度、热收缩、吸液率、电化学阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)和充放电测试等方法进行表征。结果表明,当LiF占涂覆无机陶瓷颗粒总质量的10%时,得到的陶瓷隔膜性能最佳:具有良好的离子传输性能(室温离子电导率提高至9.5×10^(-4)S/cm)和最佳的界面稳定性。隔膜组装的Li||LiNi_(0.8)Co_(0.1)Ni_(0.1)O_(2)扣式电池在3.0~4.35 V的高电压范围以0.3 C倍率循环400次后,放电比容量从195.2 mAh/g减少到119.9 mAh/g,保持初始容量的61.4%,而没有添加LiF的陶瓷隔膜电池仅为32.7%。含LiF的陶瓷隔膜提升电池循环稳定性的原因是形成了高质量的高压正极/电解质界面膜,稳定了正极与陶瓷隔膜的界面,使正极材料在高电压下仍能保持结构的稳定。因此,本工作制备的陶瓷隔膜为NCM811正极在高电压锂离子电池中的商业化应用提供了一种便捷方法。