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    2018年, 第7卷, 第2期 刊出日期:2018-03-01 上一期    下一期
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    特约文章
    2018年第2期目录
    2018 (2):  1. 
    摘要 ( 171 )   PDF(2981KB) ( 127 )  
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    特约评述
    可拉伸式电化学储能器件研究进展与展望
    王嘉赫,杨晓伟
    2018 (2):  157-166.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0155
    摘要 ( 335 )   PDF(15929KB) ( 472 )  
    随着人类社会的进步,人们对可穿戴电子设备的需求日益增强,其中电子皮肤、可植入传感器等新型便携式器件也对储能单元的可拉伸性提出了越来越高的要求。本综述介绍了制备可拉伸式锂离子电池或超级电容器的策略,并对其进行了简单评述;在此基础上概括地介绍了可拉伸式电化学储能器件中常用的电解质及其优缺点,以及可拉伸式储能器件的集成方案。最后,针对性地总结可拉伸储能器件制备过程中仍面临的挑战与未来可能的发展方向。
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    锂-氧电池在几个关键科学问题上的最新进展
    黄俊,彭章泉
    2018 (2):  167-174.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0002
    摘要 ( 430 )   PDF(9016KB) ( 561 )  
    本文评述了过去一年锂-氧电池在几个关键科学问题上的进展。涉及的科学问题包括:反应机理是什么?反应位点在何处?副反应由谁引发?
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    热点点评
    锂电池百篇论文点评(2017.12.1—2018.1.31)
    金 周,詹元杰,陈宇阳,陈 彬,赵俊年,武怿达,张 华,起文斌,贲留斌,俞海龙,
    2018 (2):  175-187.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0020
    摘要 ( 473 )   PDF(14129KB) ( 1070 )  
    该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2017年12月1日至2018年1月31日上线的锂电池研究论文,共4457篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了高压尖晶石和富锂层状结构材料充放电过程中的结构演变和表面修饰作用。高容量的硅、硅基负极材料研究侧重于纳米材料、复合材料及反应机理研究。金属锂负极的研究侧重于通过集流体和表面覆盖层的设计来提高其循环性能。固态电解质方面制备方法和离子输运机理是研究重点,电解液添加剂的研究目标是提高电池的高温稳定性。固态电池的工作侧重于界面修饰和电极结构,锂空电池、锂硫电池主要研究电池的循环性能改进。理论模拟工作包括材料体相、界面结构和输运性质,除了以材料为主的研究之外,针对电池分析、理论模拟和新型电池的研究论文也有多篇。
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    学术争鸣
    全固态锂电池:梦想照进现实
    李泓
    2018 (2):  188-193.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0023
    摘要 ( 734 )   PDF(7147KB) ( 1485 )  
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    研究及进展
    锂离子电池一致性筛选研究进展
    王莉,谢乐琼,张干,何向明
    2018 (2):  194-202.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0169
    摘要 ( 505 )   PDF(10475KB) ( 871 )  
    锂离子电池因综合性能优良,近年来在移动储能和固定储能领域的应用发展迅速。当多个单体电池通过串并联组成电池模组时,不仅电池组的能量低于电池单体能量的加和,电池组的寿命也明显低于单体电池的水平。除了电池运行环境不均匀(如温度场)外,电池组内部电池单体之间微小的不一致性也是造成电池组性能快速衰减的主要原因。依据电池组的结构建立电池一致性的筛选方法和标准,是目前锂离子电池模组研究中亟待解决的关键技术。本文回顾了近年来国内外锂离子电池一致性筛选方法研究领域的进展,对锂离子电池一致性的内涵进行了剖析,并重点对串联筛选方法进行了评述。
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    大容量锂离子电池储能系统的热管理技术现状分析
    钟国彬,王羽平, 王超,相佳媛,苏伟,陈建
    2018 (2):  203-210.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0145
    摘要 ( 639 )   PDF(4430KB) ( 1498 )  
    大容量锂离子电池储能系统对完善传统电网和高效利用新能源都具有非常重要的作用。为了实现大容量锂离子电池储能系统的高倍率化、长寿命化以及高安全性,高性能电池热管理系统的研发刻不容缓。本文总结了温度对锂离子电池性能的影响规律,综述了空冷、液冷、热管冷却、相变冷却这4种典型热管理技术的研究概况,分析了热管理技术在锂离子电池储能系统中的应用与研究状况。随着锂离子电池储能系统工作倍率的提高,产热量随之增大,对热管理系统的要求也越来越高。下一步的研究工作应围绕空冷系统优化、基于新型冷却介质的液冷系统、经济型热管及多目标优化设计这4方面展开。
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    燃料电池用碱性聚合物电解质关键技术
    董 琴,李存璞,魏子栋
    2018 (2):  211-220.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0152
    摘要 ( 374 )   PDF(11771KB) ( 364 )  
    聚合物电解质(又称为离子交换膜)是燃料电池的重要结构组成部分,肩负着传递离子从而形成完整电池回路的作用。燃料电池用阴离子交换膜面临着离子传导率低,膜耐碱性差以及机械稳定性差等问题。本文通过对近期相关文献的探讨,综述了提高耐碱性和电导率的策略,着重介绍了季铵阳离子基团、咪唑阳离子基团、螺环季铵阳离子基团、吡咯阳离子基团以及构建交联结构、优化聚合物主链、在聚合物侧链引入保护基团等策略,重点分析了上述因素对于耐碱性的影响机理。对于电导率的提升策略,主要介绍了构建相分离以及构建可穿梭的离子交换基团两种方法。综合分析表明,通过构建亲疏水相分离结构、交联结构、改善聚合物主链、增强阳离子基团的碱稳定性等策略,有望在实现高电导率的同时获得高的稳定性。
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    相变储能材料系统典型数值模拟研究现状与进展
    刘鹏,顾晓滨,秦善
    2018 (2):  221-231.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0173
    摘要 ( 528 )   PDF(10816KB) ( 742 )  
    相变储能材料是近年来热能储存领域研究的热点,绝大多数相变储能材料系统的相变过程是高度非线性变化的,难以求得解析解。本文分别介绍了基于Ansys-Fluent、Ansys、PCMexpress软件在建筑节能等不同领域对相变储能材料非线性相变过程进行数值分析和研究的发展现状,并展望了PCM数值分析的发展方向。首先通过综述指出了数值分析在PCM系统研究和应用中处理非线性相变问题的独特优势,这为PCM系统研究及应用过程中处理热量传递中瞬态相变及模拟工程应用提供了有效手段。随后对比分析了Fluent、Ansys、PCMexpress的模拟研究应用情况、各自特点,指出了其中存在的模型建立、初始条件、可靠性等问题。最后结合相变储能材料发展中存在封装及无机PCM系统过冷、相分离的问题,指出了PCM系统数值分析可能朝着建立合理模型、验证模拟结果、改进数值模拟软件、与实际问题结合、拓展应用领域等方向发展,以及其在PCM系统研究和应用中具有的广阔前景。
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    压气储能电站地下储气库之压缩空气热力学过程分析
    刘澧源,蒋中明,王江营,胡炜,李鹏
    2018 (2):  232-239.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0149
    摘要 ( 218 )   PDF(6925KB) ( 278 )  
    为定量分析压气储能电站地下储气库内压缩空气热力学过程,在建立空气质量和能量守恒方程基础上,提出了基于FLAC3D软件平台的、考虑围岩传热影响的压缩空气热力学过程分析的差分计算方法。研究了充放气速率、最低运行压力、空气入库温度、密封层材料特性对运行期压缩空气的温度和压力变化过程的影响,研究成果表明,充气阶段,压缩空气的温度和压力都将因为压缩空气与储气库围岩之间的热交换作用而出现不同程度的升高,并且在高压储气阶段出现不同程度的降低;充放气速率、最低运行压力、空气入库温度、密封层材料特性对运行期压缩空气的温度和压力变化过程影响显著;设计和运行过程中应该定量评价各种因素对储气库运行状态的影响,以保证储气库安全、可靠的运行。
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    研究开发
    基于LiFePO4和活性炭的混合型电化学储能器件研究
    张世明1,2,车海英1,杨 柯1,杨馨蓉1,郑 丹2,马紫峰1,2
    2018 (2):  240-247.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0164
    摘要 ( 443 )   PDF(7570KB) ( 430 )  
    基于磷酸铁锂(LiFePO4)和活性炭(AC)两种单体材料成功构建了磷酸铁锂/活性炭(LiFePO4/AC)复合正极。进一步,通过优化LiFePO4/AC复合电极中两种单体材料的质量比、选择亚微米尺寸的石墨为负极材料, 组装了基于“LiFePO4+AC/石墨”体系的电化学储能器件(锂离子电容器),同时制备了AC/AC超级电容器作为参照。研究表明,不同类型黏结剂对AC电极的电容特性影响非常显著,其中LA133水性黏结剂的电极性能优于油性黏结剂的;此外,制备的LiFePO4/AC复合正极表现出了电容和电池的双重特性,且复合电极的构建有利于锂离子的嵌入和脱出。复合正极中LiFePO4含量为40%(质量分数)时,构建的锂离子电容器比能量为AC/AC超级电容器的4倍(约40 W·h/kg,以活性材料质量计),可实现10 C快速充放电;5000次循环后,锂离子电容器和AC/AC超级电容器容量保持率相近,约为初始容量的75%。
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    氧化钙-氢氧化钙热化学储热系统放热数值分析
    邓 畅,潘智豪,闫 君,赵长颖
    2018 (2):  248-254.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0168
    摘要 ( 363 )   PDF(6402KB) ( 459 )  
    热化学储热与显热、潜热储热相比,储热密度高且能够实现常温下季节性储热。基于氧化钙-氢氧化钙热化学储热系统,建立了二维轴对称非稳态气固化学反应模型,对直接传热式氧化钙-氢氧化钙储热装置的放热过程进行了研究,并分析了压力、流量、床体孔隙率、床体高度等参数对放热过程的影响。该模型耦合了气固化学反应、多孔介质内的传热传质和流体流动。模拟结果表明,在反应床内存在一个反应速率较快的区域,随着放热的进行该区域由入口逐渐向出口移动;压力、流量分别是影响出口温度、放热功率的主要因素;改变反应物高度,系统的最大放热功率不变。
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    线性氟代碳酸酯添加剂DTFEC对锂硫电池性能的影响
    陈振营,周晶晶,杨 军,王久林,努丽燕娜
    2018 (2):  255-261.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0166
    摘要 ( 354 )   PDF(7685KB) ( 208 )  
    锂硫(Li-S)电池具有比锂离子电池更高的能量密度,是近10年来的研究热点,但目前锂硫电池的循环性能和倍率性能远远不能满足人们的需求。在本研究中,二(2,2,2-三氟乙基)碳酸酯(DTFEC)作为一种电解液添加剂应用到锂硫电池中,以提高电池的电化学性能,并对DTFEC的添加量进行了筛选和优化。结果表明,DTFEC的添加量对电池性能有很大的影响,当添加体积分数为5% 时,复合硫正极材料(S@pPAN)表现出最佳的循环稳定性和倍率性能。室温条件下进行充放电测试,在1C的充放电电流下,锂硫电池在循环200圈后容量保持率比常规电解液约高20%;在7C的大倍率充放电电流下,依然可以得到1246.3 mA·h/g的可逆比容量。以上结果表明,DTFEC可以有效提高锂硫电池的电化学性能,是一种适合用于锂硫电池电解液体系的添加剂。
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    电化学沉积制备MnO2/PEDOT-PSS复合材料及其电容特性研究
    刘文杰1,2,孙现众2,3,郝青丽1
    2018 (2):  262-269.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0009
    摘要 ( 471 )   PDF(20900KB) ( 257 )  
    通过电化学方法在泡沫镍基底上电沉积MnO2,然后在其表面原位电聚合导电高分子PEDOT-PSS,形成复合结构材料,并研究不同聚合时间包覆的导电高分子层对复合电极电化学性能的影响。采用拉曼光谱、扫描电镜和透射电子显微镜观察制备的复合材料电极的表面形貌与结构。通过电化学测试结果表明,电聚合10 s得到的PEDOT-PSS包覆的MnO2复合材料(P-MnO2-2)的比容量最高(346.5 F/g),是MnO2电极(179.1 F/g)的1.9倍,在6 A/g大电流密度下仍具有223.5 F/g的比容量,且循环稳定性比较好。最后使用KOH凝胶固态电解液,组装成柔性对称型固态超级电容器点亮一个LED灯。
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    以高富锂Li2NiO2/活性炭为正极的锂离子电容器电化学性能研究
    杨 斌1,2,傅冠生2,丁 升2,王成扬1,阮殿波2,刘秋香2
    2018 (2):  270-275.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0176
    摘要 ( 509 )   PDF(6569KB) ( 712 )  
    兼具锂离子电池高能量密度和双电层电容器高功率特性的锂离子电容器成为了现今超级电容器性能提升的重点发展方向。本工作以高富锂金属氧化物Li2NiO2为锂离子电容器用负极锂源,将其与活性物复合组成正极电极,并制备出“无金属锂片”预嵌锂过程的300 F锂离子电容器,考察了金属氧化物Li2NiO2的理化性能与电化学特性、不同Li2NiO2添加量对锂离子电容器样品的电化学性能影响。结果表明,Li2NiO2材料具有398 mA·h/g的首次不可逆容量,首次放电不可逆率为94.8%。添加15%~20% Li2NiO2的样品在10 A电流下具有大于75%倍率特性以及91%的容量保持率。当Li2NiO2添加量为20%时,样品在1 A条件下具有400 F的容量,15.5 W·h/kg的能量密度以及11.3 kW/kg的功率密度,是一种制备工艺简单、性能优异的新型锂离子电容器。
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    锂电池注液工艺中电解液驱替的格子Blotzmann模拟
    俞 涛1,李顶根1,张晓军2,戴克文2
    2018 (2):  276-281.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0165
    摘要 ( 356 )   PDF(8664KB) ( 366 )  

    锂离子动力电池注液工艺中,电解液的驱替效率直接影响后续工艺中固体电解质界面膜(SEI)的成型质量。采用随机生长四参数法,对锂离子电池多孔电极微观结构进行了重构;基于改进的伪势格子Boltzmann模型研究电池注液工艺中的非混相驱替;仿真分析了锂离子电池多孔电极结构的壁面润湿性和孔隙率对驱替效率的影响。研究表明,多孔电极的润湿特性对驱替效率有显著影响,随着接触角增大而驱替效率降低;在单一孔隙率的多孔介质中,随着孔隙率增加而驱替效率增高,被驱替相残留越少,驱替效果越好;但当电解液流经负极和隔膜交界面处时,因两侧润湿特性和孔隙率有差异,会使得电解液在两侧的驱替效率不同,孔隙率大的一侧在垂直流动方向会产生渗流,降低另一侧的驱替效率,产生气泡,影响到SEI膜的成型。

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    基于Na2HPO4·12H2O相变储能热管理的储热过程研究
    张怡秋,程 傲,李小波
    2018 (2):  282-287.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0156
    摘要 ( 350 )   PDF(5381KB) ( 304 )  
    文章研究了水合盐相变储能材料Na2HPO4·12H2O在发热器件热管理上的应用。在储热块的封装中,为了解决水合盐导热性能差的问题,将Na2HPO4·12H2O填充在泡沫金属中以增强其换热;并采用不同厚度的铜片均热板对发热源的均热效果进行测试。通过测试在不同加热功率下均热板中心与边缘位置的温度,发现其温差随均热板厚度增大而减小。在6 W功率加热下,若使均热板温差不超过4 ℃,则均热板厚度应不小于0.5 mm;设定陶瓷片热点温度不超过70 ℃时,30 mm×30 mm×7 mm的储热块可以维持大概10 min。在非稳态储热过程的模拟中,由于Na2HPO4·12H2O具有两个明显的相变区间,传统的考虑单相变点的模拟方法无法给出准确的温度响应,因此采用等效热容法考虑两个相变点进行了数值模拟,结果表明,低功率加热时,采用两个相变点的方法精度更高;而在高功率时,两种方法区别不大。
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    羟基镍粉对Mm0.3Ml0.7Ni3.55Co0.75Mn0.4Al0.3合金电极电化学性能的影响
    丰洪微,范哲超
    2018 (2):  288-293.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0142
    摘要 ( 233 )   PDF(6936KB) ( 106 )  
    采用干法及湿法制备了复合储氢电极Mm0.3Ml0.7Ni3.55Co0.75Mn0.4Al0.3/x%Ni(质量分数)(x=0~300),采用电化学方法测试了合金电极的电化学性能及PCT特性,并分析了复合储氢电极的相结构和微观形貌。结果表明,添加羟基镍粉后的储氢电极在288 K、298 K和308 K时的PCT曲线的放氢平台压力均低于x=0时的平台压力,其中x=200时的平台压力小;复合电极材料中只存在CaCu5型LaNi5相和Ni相,随着羟基镍粉含量的增加,Ni的衍射峰逐渐增强,LaNi5相的峰高减弱,半高宽变宽,在x=200时,对应成分合金电极的PCT平台宽度最大,平台斜度最小;x=200储氢合金电极的循环放电曲线最为平坦,在经历200次充放电循环后,其容量保持率最大;在所研究的电极成分范围内,Mm0.3Ml0.7Ni3.55Co0.75Mn0.4Al0.3/200%Ni电极的电化学性能最好。
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    四氟硼酸螺环季铵盐的合成及其超级电容性能
    朱计划,杨倩韵,刘芝婷,杨 伟,陈 姚,于欣伟,张 庆
    2018 (2):  294-300.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0153
    摘要 ( 309 )   PDF(7129KB) ( 291 )  
    以1, 4-二溴丁烷、无水碳酸钾、吗啡啉为原料制得中间体溴代螺环季铵盐(SQA-Br),再与四氟硼酸在乙醇溶剂中通过离子交换法得到产物四氟硼酸螺环季铵盐(SQA-BF4)。利用FTIR、LC-MS、NMR、TG表征产品的化学组成和热稳定性。结果表明,制得产品为目标产物SQA-BF4,其热分解温度为382℃,具有良好的热稳定性。以产物SQA-BF4作为电解质,活性炭作为电极,组装成超级电容器,测试其电化学性能并与常用的四乙基四氟硼酸铵(Et4NBF4)电解质进行对比。研究发现,SQA-BF4比Et4NBF4具有更加优异的电化学性能,以其作为电解质的超级电容器的电压窗口可达3.0 V,比电容可达18.5 F/g,能量密度高达83.4 W·h/kg。
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    以氨燃料为介质的全生命周期储能效率估算
    王月姑,周 梅,王兆林,郑淞生
    2018 (2):  301-308.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0160
    摘要 ( 330 )   PDF(8851KB) ( 237 )  
    本文讨论了氨作为燃料使用会具备与传统化石燃料显著不同的环境效益,并进一步探讨了氨作为储能介质的特点,包括储能密度和规模大、受地理条件约束小、便于运输存储等。本文还针对目前的合成氨路线从理论分析和工业实际两个方面对合成效率进行了估算和评价。针对目前国内核能、风能、太阳能等清洁能源电力的低谷或弃电问题,建议采用以制氨的方式存储或外运,以便于在电力不足时将其用于发电。建议并评估了几条基于制氨并发电的路线,并基于现有氨燃料的发电效率计算了各路线在全生命周期内的总储能效率(25%~40%)和以电换电的效率[2.5~4.0(度/10度)]。
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    基于CFD的纯电动客车锂离子电池箱散热分析与优化
    王福昂,赵岭,宋金香
    2018 (2):  309-313.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0167
    摘要 ( 331 )   PDF(11421KB) ( 357 )  
    针对某纯电动客车电池箱散热效果不佳的问题,本文基于CFD技术以该车的电池箱散热系统为研究对象,建立了估算锂离子电池生热速率数学模型,采用三维软件UG建立电池箱的几何模型,并利用软件Star-ccm+对该模型的速度场和温度场进行仿真和分析。通过添加导流板等措施,对电池箱的结构进行了优化改进,并进行了正交仿真实验,确定了电池箱导流散热的最优方案,结果表明,导流板能够降低电池箱内单体电池的最高温度,使电池组温度分布更加均匀。
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    锂离子电池正极材料标准解读
    刘亚飞1,2,陈彦彬1,2
    2018 (2):  314-326.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0021
    摘要 ( 678 )   PDF(9430KB) ( 961 )  
    随着应用领域的不断拓宽,近年来锂离子电池行业呈现稳步快速增长态势,其正极材料迎来了前所未有的发展机遇。我国在锂离子电池正极材料的开发和产业化方面具有得天独厚的优势,拥有完善的产业链和可持续发展的良好势头,市场上出现了越来越多的正极种类和产品类型。本文介绍了国内锂离子电池正极材料标准的现状,对比分析了不同类别正极材料的关键技术指标要求,解读了指标出现差异的原因,并指出了个别标准的不足之处,对今后的标准化工作提出了建议。
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    锂离子扣式电池的组装,充放电测量和数据分析
    王其钰,褚赓,张杰男,王怡,周格,聂凯会,郑杰允,禹习谦,李泓
    2018 (2):  327-344.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0022
    摘要 ( 1441 )   PDF(17246KB) ( 3345 )  
    锂离子电池材料在研发以及初期生产检测阶段,需要通过扣式电池对电化学性能进行测量。测试方法和分析方法的准确规范是精确分析评价电池材料、开发新材料及开发新电池体系的基础。本文总结了以往文献资料,结合实际工作经验,介绍实验室锂离子扣式电池组装流程、充放电性能测量和数据分析方法。
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    通信技术卫星二号锂离子蓄电池组的特性和应用研究
    邵爱芬1,王振波2,王 琳1,李国瑞1,任杰伟1
    2018 (2):  345-352.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0179
    摘要 ( 343 )   PDF(8685KB) ( 250 )  
    通信技术卫星二号锂离子蓄电池组是我所自主研制的锂离子蓄电池组首次在GEO卫星上应用。卫星对蓄电池组提出了长寿命和高可靠性的技术要求,通过研究分析提出了合理的在轨管理策略和故障隔离技术以满足总体技术要求。同时介绍了通信技术卫星二号锂离子蓄电池组的设计、地面性能测试与考核以及在轨运行验证情况。在轨运行期间,锂离子蓄电池组性能优异,各单体电池之间保持良好的一致性;在轨管理策略合理。遥测数据表明:锂离子蓄电池组在轨运行良好,充分验证了地面设计,为锂离子蓄电池组后续在GEO卫星上的大量应用打下了良好的基础。
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    专利
    我国制氢技术专利发展与工艺路线研究
    王 朔1,2,张 军3
    2018 (2):  353-362.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0146
    摘要 ( 256 )   PDF(9386KB) ( 234 )  
    氢能作为一种极具潜力的清洁能源,被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的桥梁,是实现能源可持续供给和循环的重要能源载体,世界各国都投入大量资金进行研发。制氢技术是氢能利用最重要的技术环节。本文首先通过专利分析,梳理并归纳我国制氢技术研究特征和研发重点,厘清我国在制氢领域的发展状况,并结合文献调研总结我国当前主流制氢技术工艺及路线,以及存在的问题,最后,就我国制氢技术及产业的发展提出建议。
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