Optimization of the electrolyte ratio for the vanadium flow battery and its effect on the battery performance

电解液是钒电池能量存储的核心,其组成对电池的能量转化效率、循环稳定性等具有显著影响。本工作针对正负极电解液体积比、电解液价态,较系统地考察了它们对钒电池电化学性能的影响规律。结果表明,保持正极电解液体积不变,单纯增加负极的体积,可提高电池的放电容量,但对电池的能量转换效率影响较小;电解液价态的升高会在一定程度上降低钒电池的放电容量,但其能量转换效率却呈现先升高后降低的抛物线规律;增加负极电解液体积和提高电解液价态均会导致负极活性物质过量,但后者对电池性能的影响更为显著,在后者的基础上前者对能量转换效率的影响也会被放大。     

甲基磺酸和硫酸作为钒电池负极混合支持电解质

本文研究了甲基磺酸和硫酸混酸作为负极电解液混合支持电解质对V(III)电解液的电化学性能、稳定性、运动粘度和电池性能的影响。结果表明：以甲基磺酸和硫酸为混合支持电解质能提高V(II)/V(III)电对反应的可逆性,延迟电解液在低温下出现结晶的时间,降低电解液的运动粘度。但对电池性能有不良的影响,降低了电池库伦效率,加速了负极电解液中的钒离子向正极迁移,加快了电池容量和能量的衰减。     

全钒液流电池提高电解液浓度的研究与应用现状

全钒液流电池电解液为单一钒元素各价态离子的电解质溶液,避免了不同元素离子通过膜渗透产生的交叉污染,电池循环次数高,使用寿命长。全钒液流电池非常适合电站削峰填谷、新能源发电储能和偏远地区供电等。但受钒离子溶解度的限制,全钒液流电池电解液浓度相对较低,导致电池能量密度较低、电解液储罐体积大,钒电池更适用于静态储能系统,而较难应用于电动汽车、电子产品等领域,而电解液成本高也限制了其大规模商业化应用。本工作基于各价态钒离子在不同酸度和温度条件下在传统H₂SO₄溶液中的溶解性能,总结了通过引入添加剂、改变支撑电解质和构建混合相电解液以提高钒电解液浓度和稳定性的方法及研究现状,介绍了不同种类添加剂在高温下稳定V(V)的作用机理,不同酸作为支撑电解质对V的溶解性及电解液电化学性能的影响,以及混合相电解液对于稳定电解液的内在机制。重点分析了最近研究报道的新型高浓度钒电解液,展望了大幅提高钒电解液浓度的可行性及研发方向。综合分析表明,改变传统H₂SO₄支撑电解质,如HCl/H₂SO_4<...     

基于Bi3+过膜缓释策略的在线铋沉积对铁铬液流电池性能的影响

大规模、低成本长时电能储存的迫切需求再次激发了人们研究和开发铁铬液流电池的兴趣。降低析氢副反应速率并提高负极电化学反应活性是提高铁铬液流电池系统效率、降低运行成本的关键。负极铋催化剂的在线沉积已被证明是提高负极性能的有效方法,但关于铋载量对电池性能的影响、以及高效均匀的铋沉积策略目前还缺乏系统的认识和深入的研究。本文针对提升催化剂沉积均匀性的难题,首次提出了基于铋离子由正极电解液承载过膜穿透至负极的缓释沉积策略。通过在正极电解液添加不同浓度的BiCl₃,研究沉积速率和铋载量对铁铬液流电池性能的影响。研究发现,随着负极铋载量的持续增加,铁铬液流电池的库仑效率也有显著且持续的提高,这归因于电池负极的析氢量有所减少。此外,铋在负极的原位沉积也有助于提高铁铬液流电池的电压效率,表明Cr²⁺/Cr³⁺的反应活性增强。在正极电解液内初始铋离子浓度为10 mmol/L的条件下,电池的库仑效率最高提升到97%,电压效率可达90%,相应的循环能量效率达到87%。     

基于CiteSpace的锂离子电池用低温电解液知识图谱分析

锂离子电池(LIBs)在低温条件下会出现阻抗增大、嵌入/脱嵌锂不平衡、循环效率降低、容量衰减等现象,导致充电比放电更加困难,严重影响了LIBs的低温性能,其中对LIBs低温性能影响最大的是电解液.电解液在低温下黏度变大,与电极材料和隔膜之间的相容性变差,导致离子电导率降低,电荷转移电阻增大,最终导致电池性能下降.本文基...     

Influences of various factors on the electrochemical performance of vanadium electrolytes

钒电池系统主要由隔膜,极板,电极,正负极电解液储液罐和循环泵等几部分构成.充放电过程中,正负极电解液中钒离子的价态发生变化,实现电能的存储和释放.本工作对钒电解液浓度和温度对电化学循环伏安行为的影响进行了研究.结果表明,在同一温度下,随着钒离子浓度的增大,参加电化学反应的自由钒离子数量增多,可以产生更大的反应电流;同时,随着钒离子浓度的增加,电化学反应的可逆性变差;对于同一浓度下的钒电解液,氧化反应和还原反应的峰值电流值随着温度的升高而增大;适当提高钒电解液温度,可提高电化学反应速率,提高产生的电流密度.对同一浓度钒电解液而言,硫酸浓度对其电化学性能也有影响.实验证明,硫酸浓度为3 mol/L时,钒电解液性能较好.     

全钒液流电池中蛇型和插指型流道的对比北大核心CSCD

全钒液流电池因具有优异的安全性和超长的循环寿命,使其在规模储能领域具有广阔的应用前景。但钒电池较高的储能成本限制了它的规模化发展,大幅提高其功率密度进而降低储能成本是实现钒电池商业化的有效途径。流场是影响钒电池功率密度的关键部件之一,匹配的流场能够有效改善钒电池在高倍率放电时的浓差极化,从而实现较高的功率密度。但目前关于不同流场性能优劣的研究结论却存在较大分歧,严重影响了它们的工程化应用。本工作针对钒电池中最为常用的蛇型和插指型流道,通过仿真和实验相结合的方式系统地研究了比流量、流场尺寸对传质及电池性能的影响规律,并揭示了这两种流场在不同工况下得出不同甚至相反结论的根本原因。结果显示,在相同比流量下,电解液在蛇型流道电极内的流速远大于插指型流道,所以在低比流量下蛇型流道的性能明显好于插指型流道;增加比流量或提高流场尺寸均可提升电池的性能,由于插指型流道的临界流量大于蛇型流道,所以插指型流道性能的提升幅度明显大于蛇型流道,进而导致两种流场间的性能差异会随着比流量和流场尺寸的增加逐渐减小甚至出现性能反转。本工作不仅加深了对钒电池流场结构及其传质过程的认识,也为流场的工程化应用提供了依据和方向。     

N/P设计对高镍NCM/Gr电芯性能的影响北大核心CSCD

本研究以三元NCM811为正极材料、人造石墨为负极材料制作了软包锂离子电池,并通过固定正极容量、变化负极容量的方式设计了三种不同N/P比,并对其初始容量、首效、初始内阻、倍率放电、高低温放电、高温存储、循环寿命等进行了研究。结果表明N/P比设计对电芯容量发挥、首效、初始内阻、高低温放电、高温存储、循环寿命均具有一定影响,对倍率放电无明显影响。提高N/P比将有利于正极材料的容量发挥,提高电芯的初始容量;但过高的N/P比会使正极电极电位偏高,电解液易在正极侧发生副反应,而低的N/P比可以使正极具有较低的电极电位,降低电池在高温存储、循环过程中过渡金属溶出和副反应发生,提高电芯的高温存储和循环性能。但N/P比过低时,Li+易在负极表面还原,造成活性锂损失,影响电芯循环性能。综合考察各项电性能,本研究最优N/P比设计为1.10。     

钒电池五价钒溶液的电导性质

全钒氧化还原液流电池被认为是满足风能、太阳能等新能源最有可行性的大规模储能技术之一。钒电池电解液既是导电介质又是能量存储的关键材料,是钒电池储能与能量转化的核心。对钒电池电解液热力学性质的研究,有助于深入认识溶液的本质特性,对钒电池的容量、能量密度以及系统稳定性的提高均具有极大意义。采用电导法测量了温度范围在278.15~318.15 K,不同浓度的V(Ⅴ)硫酸水溶液三元体系的电导率,通过多项式拟合及外推法,将V(Ⅴ)+H2SO4+H2O三元体系的电导率外推得到V(Ⅴ)水溶液二元体系电导率,并计算了离子的极限摩尔电导率、Stocks半径、迁移数、扩散系数和溶液电导活化能等参数并讨论了浓度、温度对这些性质的影响规律。     

二氟磷酸锂作为电解液添加剂在锂离子电池中的应用

锂离子电池的能量密度主要由正、负极材料的比容量和电极电位决定,但其性能发挥与电极/电解液界面性质密切相关。为提高锂离子电池的性能,必须使用电解液添加剂改善电极/电解液界面性质。迄今为止,已有大量的文献报道各种类型的电解液添加剂,但得到实际应用的却为数不多。二氟磷酸锂（LiPO₂F₂）是最近得到实际应用的电解液添加剂,能有效降低界面阻抗、提高充放电循环稳定性等。本文介绍该添加剂在锂离子电池中的应用效果及其作用机理。     

铝离子电池电解液的研究进展

得益于铝负极的高质量/体积能量密度、低成本与高安全性,可充铝离子电池成为极具前景的下一代储能电池体系。铝离子电池主要是基于铝负极、正极材料及1-乙基-3-甲基咪唑氯化物([EMIm]Cl)基的离子液体电解液。目前,储铝正极材料的性能优化已取得了系列进展,但铝离子电池的实际应用受到了[EMIm]Cl基电解液的高成本、腐蚀性、湿度敏感、不稳定界面等问题的限制。本文总结了近期铝离子电池电解液的相关研究工作,并详细介绍了提高铝离子电池电解液实用化的解决方案。从降低成本的角度,探究低成本的离子液体电解液或者采用低温熔融盐体系,并对其进行改性优化;从化学稳定性角度,主要是开发新型的电解液体系,如凝胶态聚合物和全固态电解质,旨在利用固态基质屏蔽保护离子液体。发展低成本与化学/电化学稳定的铝沉积溶解电解液是目前铝离子电池领域的研究热点与难点,本文对不同电解液的改性方案与存在问题进行全面的分析与讨论,并对铝离子电池电解液的未来发展进行了展望。     

锂离子电池高温贮存容量衰减分析

为了探究锂离子电池高温贮存后的容量衰减因素,研制了额定容量1.6 Ah的18650锂离子电池,并且负极采用预锂化技术。对比分析了电池常温及70℃分别满电贮存5个月后的容量损失、恢复容量、微分容量、电化学阻抗谱、形貌、结构、元素含量及热分析等。结果表明,电池70℃搁置后放电容量仅为25℃搁置后容量的79.14%,其中可逆容量损失占比为52.8%。电池的不可逆容量衰降源于严重的正负极失衡,其中未预锂化电池主要为负极损失,而预锂化电池由于负极锂过量主要表现为正极损失。70℃搁置电池内阻更高,特别是负极增加明显。70℃负极表面更多的“死锂”,更高的氧含量,意味着表面更多的副反应。此外,高温搁置并未对材料结构造成影响。     

The capacity matchup design and its effects on the performances of LTO lithium ion battery

本研究以三元NCM为正极材料,钛酸锂LTO为负极材料制作了软包装锂离子电池,并通过固定正极容量,变化负极容量的方式设计4种不同的N/P比电池,并对不同N/P比钛酸锂电池的电池容量、高温存储和循环性能进行了研究,结果显示N/P比设计对正负极材料克容量发挥,电池容量发挥,高温存储和循环性能均具有较大影响。提高N/P比可以提高电池初始放电容量,提高正极克容量发挥。但提高N/P比会使得正极电极电位提高,特别是在接近满充电状态时,电解液易在正极侧发生氧化反应。而低的N/P比可以保证正极具有低的电极电位,从而降低在进行高温存储和循环测试时电池内部的副反应,有利于改善电池高温存储性能和循环性能。对能量密度要求不高时,为了保证长寿命循环和良好的高温性能,可以适当降低N/P比到0.85~0.9之间。     

有机硅电解液添加剂对锂二次电池负极表面的改性研究

锂二次电池中电极与电解液之间的相容性对电池的电化学性能有重要影响,利用表面改性剂可以改善电极与电解液之间的相容性和界面性能,提高电池的性能。本文总结和归纳了有机硅表面改性剂对锂二次电池负极（锂金属、石墨和硅负极）改性的研究进展,展望了有机硅表面改性剂在锂二次电池中的应用前景。     

Achieving high performance lithium-O2 battery by introducing a novel urea electrolyte

在锂空气电池中,电解液对电池的充放电过程、放电产物的稳定性以及循环性能有着至关重要的影响。本文利用脲类溶剂1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）作为新型的锂空气电池电解液,有效地增加了放电产物过氧化锂（Li₂O₂）的溶解度,促进其溶剂化,并改善Li₂O₂与正极之间的接触,使得电池性能得到有效提高。通过研究表明,相比较传统的醚类电解液四乙二醇二甲醚（TEGDME）,DMI能将电池放电容量提升1.5倍,而充电过电位则降低了0.6 V,减少了高电位导致的副反应。同时,通过加入氧抑制剂,稳定溶剂中的氧自由基,减少放电中间产物对DMI的攻击,使得电池循环性能得到显著提高。     

全钒液流电池健康状态(SOH)特性北大核心CSCD

电池系统健康状态(SOH)特性的准确掌握和评估对于提高电池储能系统的可调度特性和运行的经济性具有重要意义,是新型储能系统大规模应用非常重要的一个指标。本研究基于自主开发的全钒液流电池系统测试平台,模拟全钒液流电池系统实际运行工况开展了近2年的充放电实验。本文对全钒液流电池测试平台2年内的容量、能量效率,平均价态及电池内阻变化进行了总结和分析。实验数据表明,在本研究运行工况下全钒液流电池系统年度SOH降低幅度大约为4%,能量效率保持基本稳定。分析发现,平均价态变化使得放电末期浓差极化内阻快速增加是导致全钒液流电池系统容量衰减的主要原因,同时全钒液流电池系统SOH表现出与其他固态电池非常明显的差异性,即全钒液流电池的SOH是可100%恢复的。     

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析北大核心CSCD

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型,首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试,验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下,无论倍率大小,负极产热总是小于正极产热,虽然负极的极化热高于正极,但其可逆吸热较大,导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加,正极产热所占比例减小,负极所占比例先增加后减小,而集流体产热所占比例持续增加。然而,低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性,首先,低温导致低倍率负极产热率比例大大增加,负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少,正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势,高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全,在低倍率0.5~1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全,这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散,造成电阻增加与电压快速降低,同时大量产热导致自身温升,从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。     

液流电池理论与技术——荷电状态的表征

电池实际可放出的瓦时容量与实际可放出的最大瓦时容量的比值定义为荷电状态,准确测定荷电状态对储能应用十分重要。本文从理论和应用角度,讨论全钒液流电池荷电状态的理论概念、工程定义和主要影响因素;提出2种确定最大瓦时容量的方法,其中实测法准确度更高,包含钒离子跨膜迁移、水分子扩散、负极电解液析氢和被氧化的信息,用于表征储能系统的荷电状态具有实际价值;阐述最大瓦时容量、电化学瓦时容量和理论瓦时容量的区别与联系。所提出的荷电状态确定方法,能够用于全钒液流电池SOC的估计。     

水系锌离子电池金属负极的挑战与优化策略北大核心CSCD

水系锌离子电池(ZIBs)由于其安全性好,成本低和环境友好等特点,被认为是非常有潜力的储能系统,得到了广泛的研究。目前尽管在高性能正极材料的研究方面取得了快速进展,但关于锌负极的研究还有不足。为了解决锌负极的固有缺点,在提高锌负极性能和负极保护方面提出了很多策略。本文通过对相关文献的探讨,总结了库仑效率(CE)低和循环性能差是锌负极现阶段面临的挑战,进一步分析了这主要是由于锌负极枝晶生长和腐蚀现象引起。通过回顾近期锌负极自身设计和电解液优化改变锌负极界面特性的研究,分别从锌负极合金化处理,锌负极表面结构改造,锌负极界面保护,电解液锌盐对比,电解液添加剂,凝胶电解液共六个方面详细分析并对比了改善锌负极性能的具体方式。最后概括了锌离子电池的研究必要性,展望了未来稳定锌负极界面的策略。     

钠离子电池磷基负极材料研究进展北大核心CSCD

钠离子电池作为一种新型的能源储存技术得到越来越多的关注,尤其是在大规模储能领域具有明显的优势,有望部分取代锂离子电池。钠离子电池磷基负极材料具有高的理论容量和合适的储钠电位,因而受到广泛关注。但部分磷基材料导电性差和循环过程中体积变化大,使得其在产业化应用方面仍面临着严峻的挑战。本文针对磷基钠离子电池负极材料的研究进展,对红磷、黑磷、磷烯、金属磷化物的储钠机理、研究现状、改进策略进行了总结。目前,钠离子电池磷基负极材料的研究主要集中在导电材料复合和限域结构设计。另外,保护性/导电性涂层包覆、元素取代/掺杂改性、新型电解液的使用以及测试电化学窗口的调控也可改善磷基钠离子电池负极材料的电化学性能。富磷相的制备、储钠机理的确定、先进的检测技术和计算模拟的运用、电池配套组分和全电池的研究是未来金属磷化物钠离子电池负极材料的研究方向。