基于镧锶锰氧化物基阴极的中温固体氧化物燃料电池的性能优化研究

为了提高基于镧锶锰氧化物(LaxSr1-xMnO3,LSM)阴极的中温固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)的电化学性能,文章利用CuO清扫Ce0.85Sm0.15O2-δ(SDC)晶界的SiO2杂质以提高SDC的离子电导率,制备了复合电解质材料SDC-CuO,并将SDC-CuO和LSM结合成复合阴极材料,随后分别制备了以LSM和LSM/SDC-CuO作为阴极的SOFC,并研究了这两种SOFC的电化学性能。研究结果表明:在开路电压和工作温度为800℃的条件下,LSM/SDC-CuO基阴极的SOFC的极化电阻为0.14Ω·cm2,明显低于LSM基阴极SOFC的极化电阻(0.36Ω·cm2);LSM/SDC-CuO基阴极的SOFC的最大输出功率密度为237 mW/cm2,显著高于LSM基阴极的SOFC的最大输出功率密度(132 mW/cm2)。     

中温固体氧化物燃料电池阴极La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3的制备及其结构性能分析

合成了La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（LSCF）纳米粉体，并以此涂覆到阳极／电解质二合一极板上，制成中温SOFC单电池。采用X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等方法研究了LSCF粉体的相形成和SOFC单电池中阴极LSCF的结构性能。详细分析了合成工艺、起始粉体、电极烧结温度等因素对LSCF阴极的结晶情况和催化活性的影响。结果表明，采用甘氨酸-硝酸盐法，在650℃时LSCF已形成完整的钙钛矿相；焙烧前将起始粉体球磨3h，可获得理想的晶粒和晶型结构；阴极LSCF的催化活性随烧结温度的升高而降低。在1000℃烧结温度时，阴极具有较好的微结构和氧还原反应区域     

二元氧化物修饰催化剂的制备及其自增湿性能

利用锡硅二元氧化物分别采用前修饰法和后修饰法修饰Pt/C催化剂,制备得到两种复合催化剂,并用于阳极催化层制备膜电极(MEA).首先,考察修饰方式对膜电极性能的影响.膜电极的电池性能测试表明,使用前修饰法制备的Pt/SnO2-SiO2/C复合催化剂表现出更优的电池性能:在电池温度为50℃、完全增湿条件下,0.6 V的电流密度高达1100 mA/cm2.同时该膜电极也显示出良好的自增湿性能和稳定性:在电池温度为50℃、完全不增湿(干气)条件下,0.6 V的电流密度为930 mA/cm2,且经过10 h稳定性测试后,性能仅降低13％,而空白膜电极在2 h内性能下降63％.进一步比较在不同相对湿度条件下的膜电极性能,结果表明该膜电极在相对湿度较低的条件下表现出优异的自增湿性能.根据实验数据,初步推测出一种使用Pt/SnO2-SiO2/C复合催化剂的膜电极的自增湿机理.     

低温固体氧化物燃料电池SDC-(Li/Na)2CO3复合电解质材料优化

采用两种工艺(干法和湿法)制备了钐掺杂的氧化铈(SDC)-(Li/Na)2CO3复合电解质,其中碳酸盐的质量分数分别为20%、25%和30%.通过XRO和SEM观察了不同制备工艺和碳酸盐含量的复合电解质材料的物相结构和表面形貌.采用交流阻抗法测量了复合电解质在空气中400～600℃温度范围的电导率.采用于压法制作了基于(SDC)-(Li/Na)2CO3电解质的单电池,并在氢气/燃料中评价了该电池的输出性能.     

铌酸盐基双钙钛矿结构低温电解质的制备和表征

采用传统的固相反应法制备了不同浓度Sn掺杂的双钙钛矿结构Ba_3Ca(Nb_(2-x)Sn_x)O_(9-δ)(x=0.1,0.2,0.3,0.4)低温电解质材料。为了评价样品的化学稳定性,样品分别置于沸水中煮沸50 h和温度为800℃的干燥二氧化碳气氛中处理50 h,处理后的样品采用X-射线衍射仪(XRD)进行结构表征。结果显示,制备的Sn掺杂的样品不与水蒸气或者CO_2发生化学反应,在沸水和CO_2中具有很高的化学稳定性。另外,还采用四探针法评价了样品的电导率,研究了不同浓度Sn掺杂对于铌酸盐基陶瓷电导率的影响。结果显示,样品电导率随着Sn掺杂量的增大而增加。     

固态锂离子传导氧化物中的点缺陷

固态电解质能有效地解决液态电解质存在的易燃、易泄漏及化学稳定性差等问题,然而,固态电解质的锂离子电导率（105～103 S/cm）显著低于液态电解质电导率（102 S/cm）,导致全固态锂离子电池的充放电性能比液态电池差。因此,进一步提高固态电解质的锂离子电导率成为改善全固态电池性能的关键,认知并调控材料中的点缺陷对于改善锂离子电导具有重要意义。本研究团队选用两种重要的固态锂离子传导氧化物材料：具有钙钛矿结构的Li3xLa2/3x□1/32xTiO3（0.04x0.16）和具有石榴石结构的Li7La3Zr2O12为研究对象,对其中存在的点缺陷及缺陷反应进行分析,并进一步阐述各种点缺陷对材料锂离子、氧离子和电子电导率的影响。     

Lix(Mg,Ni,Zn,Cu,Co)1-xO高熵氧化物负极材料电化学储锂特性

高熵氧化物是一种新型单相固溶体材料,作为转换反应类型的锂离子电池负极材料近年来受到了广泛关注。本工作通过氧化物与LiH固相加热反应合成了预锂化的单相Lix(Mg,Ni,Zn,Cu,Co)1-xO(x=0,0.08,0.16,0.2)高熵氧化物负极材料,并研究了其电化学储锂特性。结果表明,低价态Li+在晶格中引入以及电荷补偿作用使得高熵氧化物中形成Co³⁺、Ni³⁺和氧空位,高价态Co³⁺和Ni³⁺的存在提高了转换反应的电子转移数;氧空位的形成提升了高熵氧化物的导电能力,有利于提高转换反应动力学;同时,非活性Mg2+充当缓冲基质保证了电化学过程中的结构稳定性。因此,预锂化的Li0.16(Mg,Ni,Zn,Cu,Co)0.84O高熵氧化物负极材料在100 mA/g的电流密度下表现出679 mAh/g的高可逆比容量,63.7%的首次库仑效率,较小的电极极化(充放电平台电压差为-0.9 V),并且在1000 mA/g的高电流密度下,800次循环后可逆比容量仍保持在651 mAh/g,显示出优异的循环稳定性和...     

喷雾干燥法制备石墨烯包覆富锂锰基材料Li1.22Mn0.52Ni0.26O2及其电化学性质

本工作采用喷雾干燥法制备了小片径石墨烯包覆的Li1.22Mn0.52Ni0.26O2富锂锰基材料(G-LNMO),系统研究了包覆前后材料的晶体结构、微观形貌及电化学性质.扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)结果表明,该方法实现了石墨烯对富锂锰基材料(LNMO)的均匀包覆.充放电测试表明,石墨烯包覆后将LNMO材料在0.1 C和1 C倍率下的放电容量分别从199.8 mA·h/g和87.1 mA·h/g提升至220.2 mA·h/g和117.6 mA·h/g.在0.5 C倍率下经过100次循环后,G-LNMO材料的容量保持率为88％,相比于LNMO材料提升了17％.电池充放电曲线及电化学阻抗分析显示,石墨烯包覆能够显著提升电极动力学,降低电池在充放电过程中的极化,减缓电极/电解液界面副反应的发生,进而提升材料的循环稳定性和倍率性能.     

二氢吲哚染料敏化TiO2太阳电池的特性研究

将一种新型纯有机二氢吲哚染料D102(C37H30N2O3S2)用于敏化纳米晶TiO2太阳电池,未经任何优化时电池参数为:JSC=8.65mA/cm2,VOC=0.63V,总光电转换效率可达3.47%;经过紫外照射10min处理,同样测试条件下电池的短路电流达到11.31mA/cm2,效率为3.99%.同时,通过紫外照射前后染料的最高占据轨道能级和最低空轨道、电池的光电导等的研究,讨论了电流大幅度提高的原因.     

钴掺杂二氧化铈基层状复合固态电解质的制备及其性能北大核心CSCD

开发具有高离子传导率和高力学性能的薄型固态电解质对于制备高性能全固态锂金属电池非常重要。本工作首先制备了钴掺杂的二氧化铈(Co^(2+)@CeO_(2))纳米片,后将其与聚氧化乙烯(PEO)混合通过真空抽滤制得厚度仅为32μm的Co^(2+)@CeO_(2)层状复合固态电解质(L-CSE)。富含氧空位的Co^(2+)@CeO_(2)纳米片在提高离子电导率和力学性能方面发挥了重要作用,同时PEO作为黏结剂确保了电解质与电极之间的紧密接触并且增强了其柔韧性。通过改变Co的掺杂量调控纳米片上氧空位含量,重点探究了氧空位含量对Li^(+)传递特性的影响,并对L-CSE的结构组成、力学性能和电化学性能进行了系统研究。结果表明:通过调控Co的掺杂量能够准确控制纳米片上氧空位的含量,且0.33Co^(2+)@CeO_(2)纳米片表面的氧空位含量最多。所制备的L-CSE具有良好的力学性能(弹性模量达到1.147 GPa);30℃下,L-CSE的离子传导率达到5.81×10^(-5) S/cm;60℃下Li^(+)迁移数达到0.59。同时由于电解质与锂负极间具有较好的界面稳定性,在0.7 mA/cm^(2)的高电流密度下,组装的锂对称电池能稳定运行40 h。此外,所组装的磷酸铁锂(LFP)/L-CSE/Li固态电池也表现出良好的循环稳定性和倍率性能,在60℃、0.5 C下,能够稳定循环200次,容量保持率为83.6%;在2 C放电倍率下,放电比容量能达到120.7 mAh/g。     

Simulation of the effects of electrode parameters on all-vanadium redox flow battery performance

以全钒液流电池为研究对象,利用电池内部传递与反应相耦合的机理模型,模拟电池二维,等温,稳态条件下,电池充电过程电极参数对电池内部极化的影响规律,包括碳毡电极的几何结构参数(厚度Lt和压缩比CR),电学特性参数(比表面积a和电导率)和操作参数(充电电流密度i)的影响.数值模拟结果给出Lt从1.5 mm增至3.5 mm,端电压仅降低3 mV;CR从0.1增至0.5,端电压降低16 mV;a从3.5×10⁴ m²/m³增至3.5×106 m²/m³,端电压降低30 mV;从18.9 S/m增至164.4 S/m,端电压降低87 mV,并给出多孔电极内部过电势在不同条件下不同的二维分布特点;i从100 mA/cm²增至150 mA/cm²,端电压增大57 mV,若同比增大比表面积a,则端电压只增大46 mV.将数值模拟与宏观实验相对比,取得良好的一致性,表明了数值模拟与分析的可靠性.通过增大CR,a,可以明显提高电池性能,为进一步提高电极材料的性能,设计电极结构参数,选择操作参数提供了重要依据.     

PTCDI//δ-MnO_(2)水系铵离子电池性能研究北大核心CSCD

以铵根离子为载流子的可充电水系铵离子电池具有诸多本征优势,然而对于其全电池的研究与探索仍然处于起步阶段。本文首次报道了PTCDI//δ-MnO_(2)铵离子电池体系。该电池采用0.5 mol/L NH_(4)Ac作为电解液,以层状δ-MnO_(2)作为正极材料,3,4,9,10-四甲酰二亚胺(PTCDI)作为有机负极,可以在0~1.5 V电压窗口内稳定工作。本文中的层状δ-MnO_(2)正极材料采用简单的KMnO_(4)热分解法制备,并通过XRD、SEM、TEM、XPS、FTIR、拉曼光谱等手段对δ-MnO_(2)纳米片正极进行了表征。实验研究结果表明,通过合理搭配PTCDI纳米粒子负极,该全电池在0.5 A/g的电流密度下循环500圈后,容量保持率仍为初始容量的92%,库仑效率接近100%,具有优异的循环稳定性。同时系统地研究了δ-MnO_(2)纳米片正极的储能机理以及PTCDI有机负极的储铵动力学特性。非原位XPS光谱结果表明NH^(4+)可以在正极材料中实现可逆地脱嵌。该全电池具有较高的电压窗口,可以较为轻松地向风扇及LED灯等常见小型电器供电,具有良好的发展前景。综上所述,新材料的开发对构建新一代安全环保的水系铵离子电池具有重要意义。     

钒液流电池石墨毡电极的MWCNTs-COOH-NS修饰

聚丙烯腈基石墨毡电极存在电化学活性低等问题,限制了全钒液流电池(VRFB)的发展.为提高VRFB正极侧电极性能表现,研究以硫脲为掺杂源,制备了氮硫共掺杂的羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH-NS)作为VRFB的催化剂.将MWCNTs-COOH-NS修饰到聚丙烯腈基石墨毡电极上,得到复合电极材料.通过扫描电子显微镜(SEM)、比表面积测试(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、四探针电导率测试、循环伏安法(CV)、电化学阻抗分析法(EIS)及充-放电循环测试研究了复合电极的表面形态和电化学性能.结果表明,改性后的复合电极提高了比表面积,降低了电池内阻.当电流密度为80 mA/cm2时,电池的能量效率为81.70％,放电容量可以达到782.60 mA·h.在160 mA/cm2的条件下进行充放电测试,电池的能量效率仍可达到72.73％.MWCNTs-COOH-NS修饰的石墨毡电极对正极侧钒离子的氧化还原反应表现出了良好的催化活性和电化学可逆性,并且在充放电测试当中展现出了良好的循环稳定性.本研究有望在一定程度上推动VRFB电极催化剂的发展.     

纳米锂镧锆钽氧粉体复合聚氧化乙烯制备的固态电解质电化学性能的研究

与采用液体电解液的传统二次锂离子电池相比,固态二次锂电池在高能量密度和安全性方面具有显著的潜在优势,近年来成为国内外的研究热点。作为固态二次锂电池的核心组成,固态电解质需要具备高离子电导率、宽电化学窗口、对锂稳定、力学性能优以及可抑制锂枝晶等特性。为达到以上要求,本工作探索制备了由纳米钽掺杂锂镧锆氧（LLZTO）粉体与聚氧化乙烯（PEO）复合的有机-无机复合固态电解质膜材料,对比研究了在有机物PEO中添加锂盐和不添加锂盐对固态电解质膜电导率及电化学特性的影响。发现在PEO-LLZTO复合电解质膜中,虽然PEO不导电,但界面处存在的渗流效应可极大提高膜的总电导率,室温离子电导率可达到2×104 S/cm。这一数值虽然略低于PEO-LiTFSI-LLZTO复合电解质膜（室温条件下电导率为6×104 S/cm）,但无锂盐添加的PEO-LLZTO复合电解质膜表现出较好的电化学稳定性和较强的抑制锂枝晶的能力。将PEO-LLZTO复合电解质膜与Li/LiFePO4和Li/LiFe0.15Mn0.85PO4组装成软包电池,在0.1 C、60 ℃的测试条件下可充分发挥正极材料的容量,并可稳定循环200次以上。     

太阳电池电解水制氢用阳极催化膜-铁镍氧化物的研究

报道了采用对靶磁控溅射法制备的铁镍氧化物薄膜的其光电特性和结构与氧氩比之间的关系:氧气含量在20%~1%的范围内改变时,获得材料的电阻率为102~103Ω.cm;反应室中氧气含量较高(20%)时,材料的晶化强度较小,过电势有所降低,电流密度为10mA/cm2时过电位为321mV。     

18650三元锂离子电池的放电热特性

通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为40℃、25℃时的0.5 C、1 C、2 C放电倍率实验与0℃、-25℃时0.5 C倍率的放电实验,得到不同温度与放电倍率下电池的电压与温度曲线,并验证电化学-热耦合模型的可靠性,在25℃时模型精确度最高,电压误差为0.07 V,温度误差为0.8℃,-25℃时精确度最低,电压误差为0.6 V,温度误差为1.5℃.借助模型进行25℃时电池的电极产热分析,并模拟25℃温度条件下2 C放电时的温度场分布,放电结束时电池正负极极耳处温度最高,具体数值为34.8℃,与气流正对的电池表面的温度最低,数值为34℃,在气流后侧距电池中心50 mm处的模型边界处受电池产热与气流的影响温度上升4℃.     

锂电池百篇论文点评(2020.10.01—2020.11.30)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science从2020年10月1日至2020年11月30日上线的锂电池研究论文,共有2731篇,选择其中100篇加以评论.层状正极材料主要研究了高镍三元材料和富锂相材料中的氧氧化还原机制,掺杂和表面包覆是常用的改性方法.硅基复合负极材料的研究重点包括负极嵌锂的体积膨胀问题以及通过引入新的黏结剂和在材料表面预形成SEI等方法提升材料的循环性能,有关负极的研究工作还包括Ti2Nb10O29负极、还原氧化石墨烯及其复合材料负极、三维碳负极材料等.电解液添加剂的研究包括适用于高电压三元材料、富锂材料、高电压磷酸钴锂材料、锂硫电池和厚电极的功能电解液添加剂.固态电解质的研究对象涵盖硫化物固体电解质、聚合物与硫化物/氧化物固体电解质复合材料、硅掺杂的Li6PS5I和硼酸锂掺杂的Li7La3Zr2O12等.无机电解质和无机/聚合物复合电解质固态电池、锂硫和锂空气电池的论文也有几篇.表征分析偏重于固液界面SEI、金属锂沉积过程、锂在电极中的空间分布he1电池气胀问题等.理论模拟工作涉及SEI形成机制以及厚电极电池的动力学等.     

SPEEK/ SGO proton exchange membranes with superior proton selectivity for vanadium redox battery

质子交换膜作为钒液流电池的关键材料之一,其质子选择性决定钒电池的最终性能。本文对氧化石墨烯（GO）进行磺化改性得到其衍生物GO-SO3H（SGO）,以SPEEK为基质,通过掺杂方式制备一系列质子交换膜（SPEEK/SGO,简写为S/SGO）,对膜的含水率、离子交换容量、面电阻、质子电导率、钒离子渗透率、力学性能以及耐氧化性进行表征,并研究不同SGO含量共混膜的相关电池性能。SEM显示SGO在SPEEK基质中可较好分散,并且,SGO的加入提高了吸水率和质子电导率,S/SGO-1膜的质子选择性[14.14×104 (S·min)/cm3]比SPEEK膜[8.49×104 (S·min)/cm3]提高了66.5%。在50 mA/cm2电流密度下电池性能测试中,S/SGO-1膜的能量效率达到87.8%,自放电时间可达78 h,是Nafion115膜（30 h）的2.6倍。     

低温陶瓷燃料电池Ni-Fe-CCC复合阳极材料的制备与性能研究

采用改良的固相反应法制备了n(Ni):n(Fe)分别为8:2、6:4和5:5的Ni-Fe氧化物,然后与组成为70%Ce0.8 Sm0.2 O1.9 (SDC)-30%(0.53Li/0.47Na)2CO3的氧化铈一碳酸盐复合物(CCC)按1:1的体积比混合作为以CCC为电解质的低温陶瓷燃料电池的复合阳极材料,并对其微结构、物相和电化学性能进行表征.结果表明:经氢气还原后该复合阳极获得良好的微结构,其中n(Ni):n(Fe)为8:2的复合阳极的孔隙分布最均匀;以氢气为燃料时,采用Ni-Fe-CCC复合阳极和CCC电解质的单电池表现出优异的性能,其中采用n(Ni):n(Fe)为8:2的复合阳极的燃料电池性能最佳,在600℃下输出功率密度高达0.724W·cm-2,以甲醇为燃料时,采用该复合阳极的燃料电池在600℃下的输出功率密度达到0.387W·cm-2.     

SOFC阳极原始粉末制备工艺对阳极片微结构和电性能的影响

固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极是燃料氧化反应的场所,是SOFC的重要组成部分.然而具有较好催化活性的Ni-SDC阳极的制备目前普遍采用的是NiO与Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)混合的方法,即外加法,很少有用内加法同时制备出包含有NiO与SDC的NiO-SDC粉体.阳极材料的加工方法有可能会对Ni-SDC阳极性能产生大的影响,很有研究的必要.采用柠檬酸-硝酸盐溶胶-凝胶低温自蔓延燃烧法分别制备了NiO、SDC、NiO-SDC(质量比NiO∶SDC=1∶1)和Co3O4-NiO-SDC(质量比Co3O4∶NiO∶SDC=1∶1∶2)粉末,采用X射线衍射仪(XRD)检测了粉体的成相情况.将单独制备的NiO与SDC粉末按质量比为1∶1制成阳极片a,NiO-SDC粉末和Co3O4-NiO-SDC粉末也分别制成了阳极片b和阳极片c.并采用四端子法测量了其电导率值.分析了电导率与原始粉体制备工艺及阳极片的微结构之间的关系.结果显示,用上述方法合成的粉体成相很好,阳极片的电导率与微结构有极强的联系,微结构则受其原始粉末制备工艺和组成的强烈影响.