储能科学与技术

2018年第3期《高比能量动力锂离子电池专刊》目录

2018 (3): 0-0.

摘要 ( 343 )

PDF(3094KB) ( 307 )

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钾离子电池关键材料的研究进展

李文挺, 安胜利, 邱新平

2018 (3): 365-375. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0018

摘要 ( 963 )

PDF(16249KB) ( 1121 )

钾具有资源丰富、价格低廉以及较低的电化学电势的特点，利用其开发的钾离子电池具有低成本、长寿命、能量密度高等特点，可满足储能领域需要。然而，钾离子半径大和质量大，给电池电极材料与电解质材料开发提出新的挑战。近年来，在电动汽车与储能应用等重大需求的牵引下，人们对钾离子电池的高容量电极材料和电解液进行了大量的研究工作。其中普鲁士蓝及其类似物、过渡金属氧化物和聚阴离子材料等正极材料展现了应用前景；负极材料主要包括碳基、钛基和合金类材料；电解质材料有酯类电解质和醚类电解质，这些研究成果为钾离子电池的基础与应用研究提供了重要的指导意义。

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锂离子电池热失控防范技术

李惠, 吉维肖, 曹余良, 詹晖, 杨汉西, 艾新平

2018 (3): 376-383. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0017

摘要 ( 1088 )

PDF(12521KB) ( 1776 )

安全性是制约高比能、大容量锂离子电池规模应用的重要技术问题，热失控是导致电池发生爆炸、燃烧等不安全行为的根本原因。从电化学角度来看，在锂离子电池内部建立一种自激发热保护机制，切断危险温度下电池内部的离子或电子传输，关闭电池反应，是解决这一问题的有效途径。基于这一考虑，近年来人们提出了一系列新型热失控防范技术，包括正温度系数电极（即PTC电极）、热敏性微球修饰隔膜（或电极）、热聚合添加剂等。本文在简要介绍这些安全性技术的实现方式和工作原理之后，重点介绍了这一领域的最新研究进展。在此基础上，从实际应用需求出发，对其存在的问题及发展趋势进行了探讨。

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高安全高比能量动力锂离子电池系统路线探索

曹勇, 严长青, 王义飞, 李道聪, 林少雄, 梁大宇, 代北北, 胡攀攀, 卞林, 杨续来, 徐兴无

2018 (3): 384-393. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0016

摘要 ( 879 )

PDF(11147KB) ( 1398 )

发展高比能动力锂离子电池是新能源汽车，特别是纯电动汽车实现长续航里程的关键手段之一，然而，随着电池能量密度的不断提高，电池的循环寿命和安全性能就会受到影响。本文以能量密度300W·h/Kg单体电池为对象，从材料体系的选择、电芯结构设计以及系统安全防护措施等多维度展开论述，探究了高安全高比能动力锂离子电池系统技术路线。

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高能量密度层状富锂锰基正极材料的改性研究进展

李雨, 赵慧春, 白莹, 吴锋, 吴川

2018 (3): 394-403. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0010

摘要 ( 932 )

PDF(15882KB) ( 1042 )

纯电动汽车以及混合动力汽车的快速发展使得研发高能量密度的锂离子电池正极材料迫在眉睫。层状富锂锰基正极材料比容量可达250 mA·h/g，平均放电电压高于3.5 V，电化学特征明显优于钴酸锂和磷酸铁锂等传统的正极材料，是实现300 W·h/kg动力锂离子电池极具潜力的正极材料。不过，此类材料循环性能不佳，并伴随严重的电压衰退现象，主要原因是随着循环的进行材料表面结构重组，晶体结构发生了由层状结构向尖晶石结构的不可逆转化，导致锂离子迁移阻力增大，进而严重影响其电化学性能。为解决这些问题，近年来研究人员开展了大量工作，本文主要从体相掺杂、表面包覆、材料微观结构设计以及晶面调控4个方面详细评述了锂离子电池富锂锰基正极材料改性技术的研究进展。

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动力电池电解液用添加剂的研究进展

张晓妍, 任宇飞, 高洁, 张兰, 张海涛

2018 (3): 404-417. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0007

摘要 ( 994 )

PDF(12728KB) ( 1120 )

动力电池是新能源汽车的核心部件，而电解液是制约动力电池发展的关键。电解液一般由碳酸酯类溶剂、锂盐和添加剂组成，其性质对电池的高低温、倍率、寿命等性能有显著影响。高比能动力电池所需电解液的主要开发策略是利用功能添加剂在电池正、负极同时形成稳定的保护膜，同时稳定界面。文章回顾了近年来匹配高压正极材料和高容量硅碳负极材料所需添加剂的组成和基本功能，论述了添加剂作用机理和发展趋势，认为300 W·h/Kg高能量密度电池电解液的关键在于开发新型多功能添加剂。

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锂离子电池固态电解质界面膜(SEI)的研究进展

梁大宇, 包婷婷, 高田慧, 张健

2018 (3): 418-423. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0059

摘要 ( 3605 )

PDF(454KB) ( 4568 )

固态电解质界面膜（SEI）是指锂离子电池在首次充电过程中由于电解液被氧化还原分解并沉积在电极材料表面形成的界面膜。具有离子导通、电子绝缘特性的SEI膜是锂离子电池能够长期稳定工作的保障条件，对其容量、倍率、循环、安全性能等都有至关重要的影响。然而由于SEI膜的形成过程非常复杂且表征测试的难度极大，当前对SEI膜的特性认识仍然停留在实验观察和模型猜想的阶段，需要对SEI膜的定量分析和可控优化进行进一步的探究。本文综述了SEI膜的形成过程机理、影响因素、研究思路及其现状，并对未来潜在的研究方向展望如下：研究新型正极材料表面SEI膜的形成机理以及作用；探索功能电解液的配方优化，研究新型溶剂、锂盐或添加剂的成膜机理及作用；采用原位分析或理论计算的方法深入研究SEI膜的化学组成和形貌结构；探索有效的人工SEI膜构建方法并实现SEI膜结构的可控优化。

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密闭空间中锂离子电池的热爆炸危险性

赵春朋, 王青松, 余彦

2018 (3): 424-430. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0001

摘要 ( 846 )

PDF(5420KB) ( 1195 )

使用扩展容积加速度量热仪（extend volume accelerating rate calorimeter，EV-ARC）及耐压罐，开展了密闭空间中不同荷电状态（SOC）下18650型锂离子电池的热爆炸实验。实验发现，SOC=0%时电池不会发生热爆炸，而在其它工况下均发生了热爆炸；电池发生热爆炸时，电池表面最高温度、耐压罐内部最大压力都随着SOC的增加而增大。利用实验中电池发生热爆炸时的初始温度和最高温度，通过计算得到了不同SOC下电池发生热爆炸时的爆炸当量，当SOC=100%时，爆炸当量值最大，为5.45 gTNT，约是SOC=25%时的2.5倍，并在耐压罐中产生40.69 bar的峰值压力。锂离子电池在密闭中的热爆炸危险性随着电池SOC的增加而增大。

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PEO/LITFSI固态电解质的离子传输与压力构效关系

陈兵兵, 赵井文, 马君, 崔光磊

2018 (3): 431-436. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0004

摘要 ( 822 )

PDF(6893KB) ( 711 )

采用聚氧化乙烯/双三氟甲烷磺酰亚胺锂（PEO/LITFSI）固态电解质为研究对象，首次通过分子动力学方法模拟了压力对固态电解质模型构象和扩散系数的影响，揭示了外界压力与PEO/LITFSI中离子传输的构效关系。PEO聚合物链迴转半径和径向分布函数的模拟结果表明，压力升高将会导致PEO聚合物链呈现折叠现象，并且锂离子与TFSI^-之间的相互作用变强，从而阻碍了锂离子在固态电解质中的传输。锂离子总均方位移的模拟结果进一步阐明了外界压力对锂离子扩散系数的影响：随着压力升高，离子扩散系数逐渐降低，离子的传输能力下降，但压力影响幅度小于锂盐浓度的影响。本工作将为固态电解质在高压力环境下的应用提供理论基础和指导。

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多电子转移镁/铝电池体系能量密度热力学计算

曹文卓, 汪君洋, 陈汝颂, 索鎏敏, 李泓

2018 (3): 437-449. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0063

摘要 ( 666 )

PDF(11095KB) ( 702 )

镁离子电池和铝离子电池因其高能量密度、地壳储量丰富、安全等优良特性有望成为下一代新型高能量密度储能体系，是未来二次电池研究的热点之一。本文采用热力学方法计算和分析了近300种镁离子和铝离子电池体系的理论质量能量密度、体积能量密度和电压。在所得数据的基础上，以目前商业化锂离子电池正极材料钴酸锂为对比参考，综合考虑质量能量密度、体积能量密度、标准电极电位、毒性、腐蚀性、易燃性、环境友好性等诸多因素，逐步筛选出符合条件的一系列镁离子正极材料（O₂、S、MnO₂、MoO₃、Fe₂O₃、Fe₃O₄、NiO、MoO₂、CuO、Cu₂O）和铝离子的正极材料（O₂、S、MnO₂、MoO₃、NiO、CuO、Cu₂O）。

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硅-改性多壁纳米碳管柔性复合电极的制备和性能研究

余向南, 马天翼, 李慧玉, 张文广, 韩敏芳, 邱新平

2018 (3): 450-458. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0047

摘要 ( 587 )

PDF(10294KB) ( 1709 )

利用多壁纳米碳管和纳米硅材料的各自优势，分别采取涂覆法和混合法，将硅与改性多壁碳纳米管（PDCNT）复合，制备了两种新型柔性电极（Si/PDCNT和Si@PDCNT）。借助扫描电子显微技术（SEM）、能谱分析技术（EDS）和电化学技术等表征测试手段，对比分析两种新型柔性电极的形貌和电化学性能。结果表明，涂覆法制备的Si/PDCNT复合电极，纳米Si均匀分布在PDCNT柔性薄膜集流体的表面，二者结合紧密；电极循环200周，比容量保持在170 mA·h/g左右，循环性能明显优于传统的Si/Cu电极。混合法制备的Si@PDCNT柔性复合电极，纳米Si均匀地分散在碳纳米管构筑的三维导电网络结构中，电极循环500周后，比容量保持在200 mA·h/g以上，循环性能优于Si/PDCNT电极。本研究有助于推动硅基纳米碳管柔性电极的应用，为高比能量柔性电池技术的研发提供实验依据。

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高比能NMC811/SiO-C软包电池循环失效分析

梁大宇, 包婷婷, 高田慧, 张健

2018 (3): 459-464. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0032

摘要 ( 888 )

PDF(5741KB) ( 1287 )

NMC811/SiO-C电池由于电极材料克容量高，工作平台电压高成为实现高比能量密度的一个重要途径，然而在实际应用中其循环寿命差的问题一直难以解决。本工作通过电化学阻抗谱（EIS）、X射线衍射光谱、傅里叶红外变换光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等多种分析表征手段对循环前后电极材料进行了表征测试与分析，系统研究了NMC811/SiO-C电池长期循环失效的原因，结果表明：NMC811正极材料在循环过程中结构保持完整，金属溶出现象轻微；而SiO-C负极材料在循环过程中膨胀粉化，并且不断消耗电解液和形成更厚的SEI膜，最终导致负极克容量衰减严重，是全电池常温循环性能很差的主要原因。

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柔性锂硫电池的材料设计与实现

闻雷, 梁骥, 石颖, 陈静, 孙振华, 吴敏杰, 李峰

2018 (3): 465-470. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0036

摘要 ( 590 )

PDF(7734KB) ( 712 )

随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展，具有更高能量密度的柔性锂硫电池受到越来越多的重视。本文总结了柔性锂硫电池关键材料的发展现状，并对柔性锂硫电池的未来发展方向进行了展望。锂硫电池柔性化的主要难点在于其关键材料的变形设计，通过将硫正极附着于碳纳米管和石墨烯薄膜、聚合物等柔性基底上，利用基底提供变形支撑，能够制备出一体化的复合锂硫电池正极。相对于可变形正极材料，锂金属负极的柔性化具有更大的挑战。未来通过发展新型的锂金属担载材料或采用非金属锂负极，有望实现锂硫电池负极的可变形特征。虽然存在尚待解决的问题很多，柔性锂硫电池经过适当的电化学性能和力学性能改进，将在移动电子领域得到广泛应用。

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锂电池百篇论文点评(2018.2.1-2018.3.31)

张华, 起文斌, 金周, 赵俊年, 武怿达, 詹元杰, 陈宇阳, 陈彬, 俞海龙, 贲留斌, 刘燕燕, 黄学杰

2018 (3): 471-482. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0064

摘要 ( 552 )

PDF(13249KB) ( 1609 )

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2018年2月1日至2018年3月31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。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料和有机物正极材料，材料结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响以及富锂材料的氧参与氧化还原反应的机制受到重视。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层，金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、新型固态电解质、固态电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理，理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外，还有多篇关于电池界面及材料分析方法的研究论文。

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压缩空气储能系统储气装置研究现状与分析

罗宁, 何青, 刘文毅

2018 (3): 489-494. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0180

摘要 ( 443 )

PDF(5516KB) ( 431 )

压缩空气储能系统作为最具前景的储能技术正在快速发展，储气装置是压缩空气储能系统的主要部件之一。首先综述了压缩空气储能系统的发展、应用及研究现状，以及目前投入商用的储能电站和示范电站特点。其次对于各种储气装置的发展和应用进行了详细的分析，包括储气装置的不同分类、以及不同类型储气装置所具有的技术特点及其应用现状，并详细分析了储气装置的储能特性。最后对于储气装置现存的技术问题和相关参数及评价指标进行了分析整理，提出了压缩空气储能及其储气装置的发展方向和研究重点。

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双金属MOF基复合结构材料及其超级电容器性能

付韫珒, 熊传溪

2018 (3): 495-501. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0024

摘要 ( 1097 )

PDF(6399KB) ( 885 )

超级电容器作为一种新型储能原件，具有功率密度高和可快速充放电等优点。本文通过溶剂热法制备了铁锰双金属有机框架材料（FeMn-MOF），并将其作为前驱体，经过高温热处理后，得到碳和金属氧化物的复合结构材料（C-MOF）。采用傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜对制备得到的材料进行了结构表征，将高温处理后的材料作为电极材料应用于超级电容器，并对其进行了一系列的化学测试。当电流密度为0.5 A/g时，C-MOF基超级电容器的比容量最高可达388.9 F/g，C-MOF基超级电容器的比容量最高可达388.9 F/g。在2 A/g的电流密度下循环5000次后，比容量为初始值的201.5%，说明在循环的过程中C-MOF电极不仅具有良好的循环稳定性，还存在一个活化过程使其比容量增加。这将极大地提高MOF基复合结构材料作为超级电容器电极材料的应用价值，同时也为双金属MOF材料的研究与应用提供了新的思路。

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滴加法制备聚吡咯包覆的硫基复合材料的性能研究

宋育国, 徐娇慧, 刘明雨, 陈筱, 金波, 蒋青

2018 (3): 502-511. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0034

摘要 ( 432 )

PDF(19562KB) ( 560 )

采用简单的溶液滴加法将颗粒状聚吡咯（PPy）包覆在单质硫（S）表面，制备了S和PPy质量比分别为6∶4、7∶3、8∶2的S/PPy复合材料，探究S/PPy材料最佳合成条件。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外变换（FTIR）、场发射扫描电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）表征手段和电化学性能测试对这3种不同硫含量的S/PPy复合材料的结构和电化学性能进行研究。形貌观察结果表明，当S和PPy质量比为7∶3时（S/PPy-30），PPy颗粒分散均匀，对单质硫包覆效果最佳，同时S/PPy-30也表现出最优的电化学性能，在200 mA/g电流密度下，首圈放电比容量为1151 mA·h/g，循环120圈后，容量剩余623 mA·h/g，相比其他两个比例的S/PPy材料，S/PPy-30的倍率性能也表现出明显的优势。

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Fe₃O₄/纳米纤维素气凝胶负极材料的制备及电化学性能

李晨, 熊传溪

2018 (3): 512-518. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0025

摘要 ( 437 )

PDF(7603KB) ( 236 )

纤维素因其环境友好、价格低廉等优点受到研究者的广泛关注，近年来作为碳材料广泛应用于电化学研究中。采用碳化后的纳米纤维素气凝胶为载体，六水合氯化铁为铁源，通过溶液热法合成了四氧化三铁/纳米纤维素气凝胶复合材料。通过XRD和SEM对产物进行了结构表征和微观形貌分析，并将其作为锂离子电池的负极材料，测试了一系列电化学性能，并与纯Fe₃O₄纳米颗粒的进行对比。结果表明，碳化后的纳米纤维素气凝胶保持着疏松多孔的三维网络结构，尺寸均一的Fe₃O₄纳米粒子均匀的分布于其中。该复合材料表现出优异的循环稳定性，在100 mA/g的电流密度下，首次放电比容量为1064 mA·h/g，100次循环后仍稳定在847 mA·h/g。相比于纯Fe₃O₄纳米颗粒，材料的电化学性能得到大幅度提高。本文有助于推动纤维素基碳材料在电化学领域中的进一步应用，为复合电极材料的发展提供一定的实验依据。

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典型30 kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究

裴冯来

2018 (3): 519-523. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0046

摘要 ( 671 )

PDF(6439KB) ( 594 )

本文基于国家级第三方汽车检测机构丰富的燃料电池整车、系统及核心零部件检测数据库，选取典型样品，进行了典型30 kW级国际主流企业商业化燃料电池发动机、国际技术背景合资企业商业化发动机和国内主流企业商业化发动机的性能对比分析及综合评价研究。研究包括极化曲线对比、电堆功率输出和效率对比、发动机功率输出和效率对比、辅助系统功率和功率因子对比、氢耗率和氢流量对比等系列研究。研究结果为相关技术发展和产业化提供了必要的借鉴。

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基于飞轮储能技术的城市轨道交通再生能回收控制策略研究

赵思锋, 唐英伟, 王赛, 王大杰

2018 (3): 524-529. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0053

摘要 ( 563 )

PDF(5288KB) ( 419 )

针对城市轨道交通列车运行密度高，起制动功率大的特点，采用飞轮型再生制动能量回收装置可有效降低直流牵引网压波动，降低牵引能耗。由于该装置采用基于直流牵引网母线电压高低进行充放电的控制策略，在实际运行工况中可能存在无法准确识别再生能或储能设备SOC值无法自动调整导致无法再响应牵引网压波动的情况，本文提出空载网压识别和SOC自适应控制策略进行解决，通过轨道交通试验平台的试验验证，得出该控制策略的有效性。

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基于等效模型的全钒液流电池运行优化控制研究

迟晓妮, 朱敏刚, 吴秋轩

2018 (3): 530-538. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0026

摘要 ( 716 )

PDF(1497KB) ( 786 )

全钒电池的建模和运行参数是影响电池性能的重要因素，现有的等效电路模型往往由于缺乏和流体力学模型的耦合，无法研究流量对全钒液流电池性能和效率的影响，因而在实际项目应用中不够完善；另外纯粹的流体力学模型对于电池本身的电气特性过于简化，无法充分反映全钒液流电池系统的特性。因此本文利用钒电池基本原理和等效损耗建立了等效电路模型，根据机械损耗和钒电池结构参数，建立钒电池流体力学模型，根据搭建的钒电池系统等效模型分析电池运行参数对电池性能的影响规律。仿真分析表明，充放电期间的最优流量是关于荷电状态的函数，根据该现象利用流量随着荷电状态SOC的变化进行分段控制。通过仿真分析，根据SOC变化而分段控制流量的优化运行策略可以有效地提高钒电池效率。

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锂电池研究中的循环伏安实验测量和分析方法

聂凯会, 耿振, 王其钰, 岳金明, 禹习谦, 李泓

2018 (3): 539-553. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0067

摘要 ( 2891 )

PDF(14115KB) ( 3501 )

循环伏安作为一种重要的电化学测试方法，在电化学领域尤其是锂电池的研究中有着广泛的应用，常用于电极反应可逆性、电极反应机理及电极反应动力学参数的研究。本文介绍了循环伏安的基本原理、测试方法以及常用仪器，并结合实际案例，具体分析了循环伏安在锂电池电极材料反应机理、电极过程动力学以及电解液电化学稳定性方面的应用研究。

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