储能科学与技术

本期中英文目录

2022 (3): 0.

摘要 ( 88 )

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数据驱动的机器学习在电化学储能材料研究中的应用

施思齐, 涂章伟, 邹欣欣, 孙拾雨, 杨正伟, 刘悦

2022 (3): 739-759. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0051

摘要 ( 887 )

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PDF(4199KB) ( 1494 )

储能电池的关键是材料。继实验观测、理论研究和计算模拟之后，数据驱动的机器学习具有快速捕捉材料成分-结构-工艺-性能间复杂构效关系的优势，有望为电化学储能材料的研发提供新的范式。本文从结构化和非结构化数据驱动两方面，系统评述了机器学习在电化学储能材料研究中的最新进展。全面概括了可用于电化学储能材料机器学习的国内外材料数据库，分析了其数据的收集、共享和质量检测存在的问题；重点阐述了电化学储能材料中机器学习的工作流程和应用，包括结构化数据驱动下数据收集、特征工程和机器学习建模以及图形、表征图像和文献文本这类非结构化数据驱动下的模型构建和应用。进一步，厘清电化学储能材料领域机器学习面临的三大矛盾且给出对策，即高维度与小样本数据的矛盾与协调、模型复杂性与易用性的矛盾与统一、模型学习结果与专家经验的矛盾与融合，并提出构建“领域知识嵌入的机器学习方法”有望调和这些矛盾。本文将为机器学习在电化学储能材料设计和性能优化中的应用提供参考。

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冷冻电镜表征锂电池中的辐照敏感材料

翁素婷, 刘泽鹏, 杨高靖, 张思蒙, 张啸, 方遒, 李叶晶, 王兆翔, 王雪锋, 陈立泉

2022 (3): 760-780. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0703

摘要 ( 408 )

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冷冻电镜(cryo-EM)是表征辐照敏感材料的有力工具，已经在生命科学领域得到了广泛的应用和认可，并在2017年获得了诺贝尔化学奖。同年，冷冻电镜首次被应用于观察金属锂的纳米结构，取得了一些前所未有的结果，从此也在电池领域备受关注和蓬勃发展。冷冻或低温不仅可以有效地缓解高能电子束对样品造成的辐照损伤，而且可以大幅降低样品的反应活性，提高样品的稳定性。冷冻电镜可以为辐照敏感材料提供纳米甚至是原子尺度的微观结构信息。本文重点介绍了冷冻电镜在表征锂电池中辐照敏感材料的相关应用和成果，包括冷冻聚焦离子束-扫描电子显微镜(cryo-FIB-SEM)和冷冻透射电子显微镜(cryo-TEM)，以便读者了解冷冻电镜在解析电池工作机理和指导材料结构设计等方面发挥的优势和作用。随后，展示了冷冻电镜在金属锂的沉积/溶解行为、固体电解质界面(SEI)膜的纳米结构、亲锂材料的储锂机理、全固态电池中固-固界面以及正极材料表面的固体电解质界面(CEI)膜等方面的应用与研究成果。最后，展望了冷冻电镜在未来的技术发展及其在电池领域的潜在应用与机遇。冷冻电镜技术的发展将有助于解析电池材料与界面结构，了解电池运行和失效机制，从而促进高比能和高安全性电池的发展。

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飞行时间二次离子质谱在锂基二次电池中的应用

赵志伟, 杨智, 彭章泉

2022 (3): 781-794. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0672

摘要 ( 554 )

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PDF(12965KB) ( 631 )

能源与环境是人类社会可持续发展的重要支柱。迫于全球气候变化、能源危机等问题，未来社会需要高效、经济、绿色、安全的电化学储能技术。为了达成这一目标，理解电化学界面反应机理来指导储能器件的开发显得尤为重要。飞行时间二次离子质谱(包括非原位和原位手段)具有超高灵敏度及时空分辨率，已经开始在电化学储能界面分析中崭露头角。因此，本综述总结了近年来飞行时间二次离子质谱研究方法在能源电化学领域(如锂离子电池、锂硫电池及锂氧电池)的重要进展和应用，重点讨论该技术如何帮助研究人员理解电池过程并设计更好的电化学储能系统。最后，讨论了飞行时间二次离子质谱当前主要挑战和未来机遇，并提倡广泛地采用该技术去指导未来电化学储能技术的设计和创新。

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电池电极过程可视化与定量化技术的研究进展

吕思奇, 李娜, 陈浩森, 焦树强, 宋维力

2022 (3): 795-817. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0712

摘要 ( 346 )

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2020年12月中央经济工作会议提出“碳达峰”与“碳中和”目标，明确了加快调整优化产业结构与能源结构，对发展新能源电池技术提出了新要求。在电池服役过程中，电极过程反映了电化学系统中的工作机制与演化规律，随着高比能电池体系的开发应用以及单体电池体积的增大，电池电极过程的不均匀程度更加突出。然而，电池在空间与时间维度上存在多尺度、多层级、多过程、多步骤及多场耦合的复杂特点。本综述重点整理了不同活性离子体系电池的电极过程，包括液相传质、表面电子转移、固相扩散三个主要步骤，并以高比能电池、功率型电池、长寿命电池为例，分析了电位、过电位、扩散系数、不同尺度的几何参数等对各种电池设计目标的影响，讨论了不同尺度下电极过程的非均匀对电池性能衰减的影响机制。基于已开发的电极过程可视化方法与定量化分析技术，系统总结了锂离子电池与铝电池的典型电极过程，深入分析了这两类电池电极过程的差异，为基于理解电极过程设计材料体系与优化电池结构提供了重要支撑。通过建立电极过程与电池性能之间的关系，分析并展望了存在的科学问题与技术问题，为科学指导电池设计与制造提供基础。

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储能科学中的磁性表征技术

赵志强, 刘恒均, 徐熙祥, 潘圆圆, 李庆浩, 李洪森, 胡涵, 李强

2022 (3): 818-833. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0713

摘要 ( 334 )

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理解电化学储能系统的构效关系将极大推动电极材料中新现象和新性能的发现与调控。然而，没有任何一种单一技术可以澄清电化学体系中复杂界面反应的所有问题，只有从多个角度进行观察才能看清被埋藏的界面和工作状态下的演变历程。由于大量储能材料富含过渡金属元素，其磁学性质与晶格结构、电子能带、电化学性能密切相关。因此，磁学测试分析可以揭示能源材料中的结构相变和局部电子分布等变化，解析物理化学反应机理，指导材料设计。围绕磁性表征技术，本文首先讨论了磁性测试的技术原理，随后总结介绍了磁性测试在研究电极材料物性结构表征以及电化学反应进程方面的研究进展，尤其介绍了原位实时磁性测试在阐明储能物理化学反应机理方面的独特优势。综合分析表明，原位磁性表征技术可以对电化学反应中的电荷转移进行高灵敏度、快速响应的测试表征，为揭示复杂界面电化学反应提供了新思路，在储能科学中具有广阔的应用前景。本文有助于了解磁性测试技术在电化学储能材料研究中的重要价值，并进一步推动磁性测试技术在储能领域的发展。

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同步辐射多模态成像技术在储能电池领域的研究进展

安汉文, 莫生凯, 李梦璐, 王家钧

2022 (3): 834-851. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0012

摘要 ( 296 )

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锂离子电池因具有较高的能量密度已广泛应用于便携式电子产品中。然而，它们在电动汽车和电网储能方面的潜在应用需要更高的能量密度。开发下一代电化学能源存储器件仍然存在巨大的挑战。同步加速X射线成像技术由于具有无损性、元素敏感性和高穿透性等天然优势，正受到越来越多地关注。本文重点介绍了同步辐射的X射线成像技术及其相关应用，以了解能量材料的物理/化学性质和反应机理。讨论了几种主要的X射线成像技术，包括X射线投影成像、透射X射线显微镜(TXM)、扫描透射X射线显微镜(STXM)、X射线荧光显微镜(XFM)和相干衍射成像(CDI)。希望这篇综述能够拓宽读者对X射线成像技术的认识，并为能源材料的研究提供新思路和可能性。

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锂电池安全性多尺度研究策略：实验与模拟方法

甘露雨, 陈汝颂, 潘弘毅, 吴思远, 禹习谦, 李泓

2022 (3): 852-865. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0047

摘要 ( 525 )

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作为新一代电化学储能体系，锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值。然而，在锂离子电池的商业化进程中，安全性事故时有发生，影响了锂离子电池的大规模应用。本文从电池安全性的三个研究尺度：材料、电芯、系统，综述了与之对应的重要研究方法，其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法。本文介绍了这些方法的基本原理，通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用，并探讨了实验和模拟方法之间的联系，着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加速度量热分析、电芯安全性数值模拟等方法。基于对多尺度研究策略的系统综述，认为安全性研究需要在各个尺度联合同步开展。最后，展望了下一代锂电池，如固态电池、锂金属电池等，可能面临的电池安全性问题。这些新体系的安全性研究仍处于早期，其材料和验证型电芯的安全性研究是当前阶段值得关注的重要课题。

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模拟仿真在锂离子电池热安全设计中的应用

杜江龙, 林伊婷, 杨雯棋, 练成, 刘洪来

2022 (3): 866-877. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0003

摘要 ( 285 )

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随着锂离子电池的广泛使用，锂离子电池热安全问题日益突出。相比于成本高、破坏性大的实验方法，建模仿真因其经济、安全、快速等优势成为锂离子电池热安全研究的重要手段。本文从微观建模、单电池建模以及电池组建模三个尺度对最新的锂离子电池模型及其在热安全设计中的应用进行了综述。着重介绍了锂枝晶的生长调控和电解液的安全设计方面的模拟仿真、单电池模型与热方程耦合的应用以及锂离子电池组热模型在优化电池热管理系统方面的研究。最后总结了现有的锂离子电池热模型存在的缺陷，并对锂离子电池热模型未来的研究方法做出了展望。

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基于蒙特卡罗模拟的离子导体热力学与动力学特性

刘金平, 蒲博伟, 邹喆乂, 李铭清, 丁昱清, 任元, 罗亚桥, 李杰, 李亚捷, 王达, 何冰, 施思齐

2022 (3): 878-896. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0050

摘要 ( 268 )

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基于概率统计理论的蒙特卡罗模拟(MC)在20世纪40年代由冯·诺伊曼等提出，其作为一种重要的数值计算方法，已被广泛应用于离子导体的热力学、动力学等性质的研究。然而，MC模拟在相关计算精度、模拟速度以及模拟流程自动化等方面，仍具有较大的提升空间。本文通过分析其在离子导体计算领域中哈密顿量的构建模式(如基于键价和计算或利用团簇展开将通过拟合代表性小尺寸晶胞第一性原理计算总能得到的近邻作用参数给出构型能量)以及结构演变方式(如基于单离子迁移模式假设的构型演变)，提炼出一套用于分析离子导体离子输运特性及相变特性的MC模拟范式，并给出与之相关的半自动化MC模拟程序，预测了石榴石结构离子导体的电导率与迁移离子占据率分别随锂离子浓度的变化趋势。为了更好地拓展MC模拟在离子导体研究中的应用，本文就其在包括正负极材料、电解质及其相关界面的电化学储能材料中的典型热力学与动力学计算案例进行了剖析，包括求解离子导体中的离子扩散问题、模拟迁移离子的分布特征与相关界面层的演变过程等。最后，展望了MC方法目前面临的挑战并给出可能的对策，包括：①精确地获取所有可能发生的事件(如单离子迁移与双离子协同迁移)及其描述(如哈密顿的计算)；②探寻高效算法以精确找到系统的演化轨迹；③精确获得MC模拟中对应的时间步长。

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离子液体电解液的模拟计算方法及应用

岳博文, 佟佳欢, 刘玉文, 霍锋

2022 (3): 897-911. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0007

摘要 ( 291 )

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电解液作为电化学储能系统的重要组成部分，是决定电池容量，支撑超级电容器储能、循环稳定性等特性的关键因素之一。离子液体作为一类新型软功能材料，因其高导电率、宽电化学窗口、良好的热稳定性、无显著蒸气压等特性，被广泛应用于电化学储能元件如锂电池、超级电容器等，逐步成为传统有机电解液最佳替代者之一。目前有关离子液体电解液的设计与研究大多采用实验测试法，其搜索范围大、成本高且难以从纳微水平精确获得对其动态结构、形成机理、作用机制等深刻认识。因此，本文综述了离子液体电解液在模拟计算方面的相关进展。首先根据不同的模拟尺度，介绍了用于离子液体电解液的3种模拟计算方法，并讨论了它们的优缺点。其次，按照离子液体在电解液中的不同组成部分，分别回顾了离子液体电池及超级电容器中的模拟研究现状。最后，讨论了离子液体电解液未来面临的挑战和发展方向，为电解液的模拟提供了新的研究思路。

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电化学阻抗谱物理模型求解方法

李琛坤, 王帅, 黄俊

2022 (3): 912-920. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0032

摘要 ( 572 )

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电化学阻抗谱(EIS)是一种常用的电化学测试方法。通过EIS可以获取研究体系的各种动力学信息，比如电荷转移，双电层充电和物质传输等。EIS数据的解析依赖于合理的模型，常见的模型分为等效电路模型和物理模型。本文简要介绍了EIS物理模型三种常见的求解方法：解析求解，时域数值方法和频域数值方法。我们首先以一个经典的带有法拉第反应的双电层界面为例，仅考虑扩散控制传质的情况下，推导了相应的解析解，介绍了数值求解EIS的时域方法和频域方法，并对比了不同方法的结果。然后，我们以电池中常见的金属离子沉积反应为例，给出了零电荷电势下的EIS的解析解，并对比了两种数值方法的求解精度，同时我们也对比了不同价态的金属离子的EIS结果。计算结果表明，频域数值方法的精度高于时域数值方法，可以作为EIS数值求解的首选。保持其余参数不变的情况下，高价离子的EIS小于低价离子。最后，我们总结对比了三种方法的优缺点。本工作研究结果一方面可以作为EIS物理模型的入门指南，另一方面可以用于分析金属离子沉积反应的EIS结果。

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多尺度模拟研究固体电解质界面

于沛平, 许亮, 麻冰云, 孙钦涛, 杨昊, 刘越, 程涛

2022 (3): 921-928. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0046

摘要 ( 416 )

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固体电解质界面(solid electrolyte interphase，SEI)是电池中“最重要也是最不被理解”的部分。可控合成性能优异的SEI是实现高能量密度电池的关键技术之一。但是，由于SEI的形成过程涉及到多个时间和空间尺度，并且涉及到多场耦合，导致SEI结构异常复杂。现有实验表征手段无法精确解析其微观结构和形成机制。近年来，高速发展的多尺度理论模拟，为理解和解析SEI结构提供了强有力的新手段。本文总结了近年来针对SEI研究发展出来的关键模拟技术，重点关注微-介观(<100 nm)尺度的理论模拟方法，特别是可以用于电化学模拟的量子化学方法、可用于大尺度化学反应模拟的反应力场方法以及数据驱动的机器学习模型等。这些新技术可以有效地解决传统模拟方法中存在的准确性低、时间尺度短以及空间尺度有限等问题，在可以预见的将来，在研究SEI形成的初始反应、动态演化以及功能预测等方面将发挥越来越重要的作用。随着计算机硬件水平的不断提升、理论模拟算法的稳步提高，多尺度理论模拟将为高能量密度电池的理论设计和智能制造提供强有力的理论基础。

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可充电电池中枝晶问题的相场模拟

李亚捷, 张更, 沙立婷, 赵伟, 陈斌, 王达, 喻嘉, 施思齐

2022 (3): 929-938. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0049

摘要 ( 515 )

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可充电电池已被广泛应用于电动汽车等国家重点战略发展领域，然而在电池反复的充放电过程中，金属离子的不均匀沉积会导致电极表面枝晶生长，电池可逆容量降低和内部短路。枝晶的形成是极其复杂的过程，涉及到电化学、热力学、动力学和结晶学等多个学科，并受到充电条件、压应力、电池组分、温度、磁场等多重因素的影响。本文系统剖析了枝晶成核和生长过程中涉及到的理论模型，全面回顾了相场模拟在可充电电池枝晶问题中的研究进展，重点讨论充电条件、应力、外压及离子分布等因素对枝晶生长的影响，给出了电化学相场模拟在电池枝晶领域的研究范式。进而采用相场模拟研究了隔膜涂覆颗粒对电极表面离子浓度分布及枝晶生长均匀性的影响，为抑制枝晶隔膜的设计提供了理论依据。最后指明了相场模拟在枝晶研究方面的不足及未来重要的研究方向。

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固体电解质缺陷化学分析：晶粒体点缺陷及晶界空间电荷层

邓诗维, 吴剑芳, 时拓

2022 (3): 939-947. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0724

摘要 ( 375 )

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离子电导率是影响固态离子器件性能的基本因素。在无机固体电解质中，离子的传导包括晶粒体和晶界传导，两者均与材料体系中点缺陷结构密切相关。本文详细阐述了固体电解质体内可能存在的点缺陷及其对晶粒体电导率的影响规律，并结合钙钛矿结构LLTO固体电解质介绍了晶界空间电荷层模型及由此而引发的晶界离子电导特性。以期为高离子电导固体电解质的设计提供思路。

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层状正极材料力学劣化及改善措施

任重民, 王斌, 陈帅帅, 李华, 陈珍莲, 王德宇

2022 (3): 948-956. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0001

摘要 ( 347 )

HTML ( 66 )

PDF(19260KB) ( 417 )

力学性质是材料的本质属性之一，随着锂离子电池应用于电动汽车、智能电网领域，活性材料的力学特性开始受到关注。动力电池、储能电池的循环寿命需要达到几千次，活性材料晶胞亦经历几千次规律的膨胀、收缩，材料颗粒的力学劣化成为必须面对的新挑战。本文以团队的研究结果为主，总结了锂电池层状正极材料力学劣化机制和改善措施。首先，讨论了正极材料的力学研究基础，明确正极材料符合弹性形变，可以使用胡克方程分析；其次，回顾了正极材料力学劣化行为符合“损伤-断裂”模型，应力产生缺陷，逐渐积累直至断裂，电解液会沿着裂缝扩散至电池内部发生副反应，造成循环跳水；最后，总结了抑制材料力学劣化的主要策略，重点介绍了降低晶胞形变和表面构筑刚性层，降低晶胞变化是通过减小材料应变降低颗粒应力，表面构筑刚性层是阻挡电解液扩散至开裂的体相，这些策略都显著提高了材料的循环寿命。总的来说，电极材料的力学劣化是无法避免的，但可以通过合适的改善措施，延迟、减缓力学劣化的影响。

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干燥对复合负极力学行为的影响

江登峰, 陈亚君, 贺耀龙, 卞炟, 胡宏玖

2022 (3): 957-963. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0002

摘要 ( 232 )

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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。

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沸石咪唑基金属有机框架及其衍生材料用作锌-空气电池高效阴极催化剂的最新进展

邓晓华, 江柱, 陈超, 党岱

2022 (3): 964-981. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0709

摘要 ( 194 )

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清洁和可持续能源的大量应用和电动汽车行业的快速发展，为先进的储能/转换技术和设备带来了前所未有的机遇。可充电式锌-空气电池(ZAB)拥有的能量密度高、环境友好、安全性能高、成本低等优势，被广泛认为是最有前景的金属-空气电池之一。更重要的是，锌-空气电池所使用的锌资源丰富、价格便宜、能量密度适中以及还原潜力高。但由于在充电过程中空气阴极上氧还原反应的动力学过程十分缓慢，使得空气电池产生了相对大的超电势，也导致了ZAB无法实现商品化应用。沸石咪唑基金属有机框架(ZIFs)衍生的催化剂具有显著促进氧反应的能力。本文回顾了ZIFs衍生材料的最新进展，该材料可用作ZAB中的阴极催化剂。本文总结了一些主要的ZIFS衍生物材料在ZAB中的应用，包括了ZIFS衍生物的金属氮化物催化剂、ZIFs衍生物的金属氧化物催化剂、ZIFs衍生物的S/P/B掺杂催化剂和ZIFs衍生物的非金属碳催化剂等，还论述了这些ZIFs衍生物催化剂的结构特点。最后，阐明了研发用于ZAB的先进ZIFs衍生催化剂面临的挑战和一些观点。

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MXenes系储能材料的先进制备手段与储能机制综述

段赞, 李玲芳, 柳鹏辉, 肖东方

2022 (3): 982-990. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0464

摘要 ( 230 )

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二维层状过渡金属碳化物(氮化物)MXenes以其独特的物理和化学性能成为新型储能器件电极材料的重要候选材料，目前研究最广泛的MXenes材料为美国Drexel大学Gogotsi课题组于2011年以MAX相陶瓷材料Ti₃AlC₂为前驱体制备的Ti₃C₂T _x。结合本课题组对Ti₃C₂T _x /SnO₂复合材料储锂性能的探索，本文综述了近年来二维与三维MXenes作为储能材料的新型制备手段，分析了三维MXenes及复合体系的储能优势，然后总结了目前比较主流的MXenes能量存储机制。大量资料表明：目前主要以HF或者LiF+HCl作为刻蚀剂，制备手风琴结构或类黏土结构的二维MXenes，采用不同改性手段减少二维MXenes纳米片重复堆积、形成良好对齐的交替排列结构是提高其电化学性能的有效策略；而制备三维体系的MXenes及复合材料则主要使用模板法，此类结构除了可抑制纳米片叠合之外，还有丰富的通道，有利于电解质的快速扩散与载流子的快速传输，再加上MXenes优异的电导率(约10⁵ S/cm)、低的锂离子扩散能垒以及独特的金属离子吸附特性，使其能够成为理想的活性材料或电极。最后，本文对MXenes系储能材料的未来机遇和挑战进行了简要的展望。

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杨氏模量微观表征新方法在锂电池中的应用

陈博文, 崔瑞广, 沈炎宾, 陈立桅

2022 (3): 991-999. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0022

摘要 ( 457 )

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锂(离子)电池电极表面的固态电解质中间相(solid electrolyte interphase，SEI)是电池安全性、使用寿命及倍率性能等的关键影响因素。提高SEI的力学性能，如杨氏模量，可以使其更好地包容锂离子脱嵌带来的电极材料体积变化。原子力显微镜(AFM)纳米压痕技术能够在获得样品表面形貌的基础上测量相应区域的杨氏模量，但这种方法通常需要在样品不同区域采集大量的力曲线，才能得到具有统计意义的杨氏模量数值，因此比较费时耗力。最近有文献报道利用AFM中的AM-FM(amplitude modulation-frequency modulation mode)方法可以在短时间内同时获得材料形貌图像和对应区域的杨氏模量，为测量材料杨氏模量提供了一种新思路。由于AM-FM技术尚处于应用的早期，本工作对该模式在锂电池SEI研究中应用的可行性进行了分析。首先，本工作论证了AM-FM技术可以用于快速定性区分同一个样品上的两种模量不同的材料。其次，本工作发现AM-FM模式测得的杨氏模量数值与AFM探针针尖半径密切相关，以特定针尖半径测得的两种标准样品杨氏模量为参考，可以评估用AM-FM模式测量的实验样品杨氏模量结果的准确性。结果表明目前用AM-FM模式获取的实验样品杨氏模量准确度还有待提升。因此，本工作证明了AM-FM可以用于快速定性区分材料的不同成分，未来对AM-FM技术的进一步改进将有望将其应用于快速定量获取样品杨氏模量，助力SEI力学性能的快速表征。

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特殊结构前驱体对锂电池三元正极材料性能的提升

余春林, 陈旭东, 宫川敏夫, 孙辉, 张兴旺, 童莉葛

2022 (3): 1000-1007. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0471

摘要 ( 613 )

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前驱体制备过程中通过控制不同的反应条件可以得到形貌各异的材料，而其中氨值对于前驱体的微观形貌影响颇大。本文在不同氨值条件下制备得到形貌各异的高镍三元前驱体材料，发现低氨值条件下制备得到的前驱体表面晶须细致，内部结构密实且外部呈树杈状结构。这种条件下制备得到的前驱体材料经烧结后，一次颗粒仍呈放射状生长，且颗粒更为细长。该材料制成扣式电池后，0.2 C放电条件下比容量可达210.3 mA·h/g，首次充放电效率可达93.05%，且倍率及循环性能优异。与市面所售相同配比产品相比，放电容量提升3%。该形貌控制方法为高比容量三元正极材料的规模化制备提供了一种新思路。

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升温和脉冲充电对锂枝晶生长抑制作用的数值分析

乔东格, 刘训良, 温治, 豆瑞峰, 周文宁

2022 (3): 1008-1018. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0629

摘要 ( 341 )

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金属锂被认为是具有高理论比容量的电池负极材料。然而，锂枝晶的生长可能会连接正负极导致爆炸等事故。因此，抑制锂枝晶对提高锂电池的安全性至关重要。本工作通过非线性相场模型与热模型耦合，首先探究了不同初始条件下的锂枝晶形貌及其温度场分布。由于反应放热，随着反应的进行，锂枝晶区域的温度高于电解质区域的温度，并在二者界面处形成温度梯度。然后，研究了不同温度下锂枝晶的形貌特征并量化了抑制效果。研究发现，温度越低，充电过程中生成的锂枝晶越长，数目越多，侧枝越多，从而在放电过程中形成“死锂”的可能性越大。通过改变脉冲电流的频率，分析了不同充电频率下的枝晶长度和形貌特征。研究结果表明，5 ms的脉冲之后接10 ms的休息周期是抑制锂枝晶的合适频率，在此频率下可以得到较为均匀的沉积表面。通过探究在不同过电位和扩散系数下的枝晶平均生长速率，引入了一个无量纲数Da来阐明扩散与电极反应之间的竞争关系，得出减小反应速率和扩散速率之间的差距是抑制锂枝晶的必要条件。

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一种新型水系锌离子电池正极材料NiCo₂O₄ 的制备和电化学性能

吴渺, 赵贵青, 仇中柱, 王保峰

2022 (3): 1019-1025. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0542

摘要 ( 286 )

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水系锌离子电池的能量密度高、稳定性好、安全系数高。NiCo₂O₄材料作为双过渡金属氧化物，其导电性能和电化学活性都很出色，本工作首次采用NiCo₂O₄材料作为水系锌离子电池的正极。采取了溶胶-凝胶法加煅烧热方法制备出立体尖晶石状的NiCo₂O₄材料，借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱分析技术(EDS)和电化学技术等表征测试手段，分析这种新型水系锌离子电池正极材料的形貌和电化学性能。结果表明，立体尖晶石状的NiCo₂O₄材料有着优良的纯度和结晶性，颗粒分散均匀，没有团聚，无杂质且具有良好稳定的充放电性能。电极在100 mA/g电流密度下，首次放电比容量为92 mA·h/g，100圈充放电测试后放电比容量为60 mA·h/g，200圈后，放电比容量保持在44 mA·h/g。但在循环倍率测试中发现，当电流密度较大时，NiCo₂O₄电极产生了27 mA·h/g的衰减，在一定程度上有着不可逆的冲击破坏。本研究有助于推动水性锌离子电池电极的应用，为高性能水性锌离子电池电极材料的研发提供实验依据。

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石油沥青基MoS₂/多孔碳复合材料的制备及其锂存储性能

李云, 杨旺, 李永峰

2022 (3): 1026-1034. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0543

摘要 ( 179 )

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目前，对低成本石油沥青高附加值的利用仍面临着重大的挑战。鉴于其碳含量高，本工作利用NaHCO₃模板成功制备了一种掺硫多孔碳骨架(SPC)结构。随后，以低沸点的MoCl₅为钼源，升华硫为硫源，在SPC表层原位生长一层MoS₂纳米片，定向制备了一种三维复合结构。该材料实现了MoS₂和碳基底材料的良好接触，其相互交错的结构可以大大提高电子的传递速率，缩短了锂离子和电子传输路径。另外，该材料的多孔结构为锂离子提供了丰富的反应活性位点。当作为锂离子电池阳极进行测试时，该材料经过400圈的循环后，仍然维持着1069 mA·h/g的高比容量。这项工作可能为低成本石油沥青的高附加值利用提供一个崭新的思路。

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金属有机框架衍生的Co₃O₄ 电极材料及其电化学性能

佟永丽, 武祥

2022 (3): 1035-1043. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0585

摘要 ( 208 )

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超级电容器作为一种绿色储能器件，因其具有较大的功率密度、价格低廉、绿色环保等特征而备受关注。电极材料、电解液和隔膜都会影响超级电容器的电化学性能，其中电极材料是关键因素。因此，如何制备高性能的电极材料是人们研究的重要课题之一。本工作通过方便的水热合成方法制备了金属有机框架结构衍生的Co₃O₄纳米叶结构。所制备的产物呈现多孔蓬松结构。通过优化溶液浓度和反应时间，研究了Co₃O₄样品的生长机理。三电极电化学性能测试表明：反应时间为4 h时，样品的电化学性能最好。在电流密度为0.5 A/g时，其容量可达到156 F/g。经过6000圈循环后，其80%的初始容量能够被保留。组装器件在能量密度为157.5 W·h/kg时，其功率密度可达到22.5 W/kg。经过8000圈循环测试后，器件比容量保持率为83%。本研究通过模板诱导制备的电极材料为超级电容器的应用研究提供了理论依据。

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可用于低中温热能储存的四元硝酸盐/埃洛石/石墨定型复合材料的制备与研究

李钰颖, 魏雯珍, 李琦, 吴玉庭

2022 (3): 1044-1051. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0599

摘要 ( 234 )

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本工作报道了一种通过冷压-热烧结法制备的具备低熔点、宽温域的复合定型相变材料，其中相变基体材料为硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾和硝酸钙的共晶硝酸盐，结构支撑材料为埃洛石纳米管，导热增强材料为石墨。利用差示扫描量热仪、激光导热仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和傅里叶红外光谱仪等测试手段对复合相变材料的储热性能和物理化学性能进行实验研究，结果表明：复合材料的相变温度和分解温度分别为91.3 ℃和627.5 ℃，可使用温度区间为536.2 ℃，优于目前文献已有报道数据。在温度为25～625 ℃内，其储热密度达到630.15 kJ/kg；添加10%的石墨后复合材料的热导率从0.58 W/(m·K)提高到了1.18 W/(m·K)；由于埃洛石纳米管具有中空管状结构，经高温烧结后四元硝酸盐能够吸附在埃洛石纳米管中，能有效解决熔盐材料的腐蚀、泄漏以及热分解问题；埃洛石纳米管和石墨的加入没有与熔盐材料发生化学反应，证明了复合材料具备良好的化学稳定性。经100次循环后，复合相变材料的相变温度和相变潜热波动值小于3.5%，具有较好的循环稳定性。本研究丰富了熔融盐复合相变材料的配方体系和使用温度范围，为其在工业余热回收以及低中温储热领域的应用提供了基础。

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2021年中国储能技术研究进展

陈海生, 李泓, 马文涛, 徐玉杰, 王志峰, 陈满, 胡东旭, 李先锋, 唐西胜, 胡勇胜, 马衍伟, 蒋凯, 钱昊, 王青松, 王亮, 张新敬, 王星, 徐德厚, 周学志, 刘为, 吴贤章, 汪东林, 和庆钢, 马紫峰, 陆雅翔, 张雪松, 李泉, 索鎏敏, 郭欢, 俞振华, 梅文昕, 秦鹏

2022 (3): 1052-1076. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0105

摘要 ( 2387 )

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本文对2021年度中国储能技术的研究进展进行了综述。通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析，总结得出了2021年中国储能技术领域的主要技术进展，包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器、新型储能技术、集成技术和消防安全技术等。研究结果表明，中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均取得了重要进展，中国已经成为世界储能技术基础研究最活跃的国家，也已成为世界储能技术研发和示范的主要核心国家之一。

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锂电池百篇论文点评（2021.12.1—2022.1.31）

岑官骏, 朱璟, 乔荣涵, 申晓宇, 季洪祥, 田孟羽, 田丰, 金周, 闫勇, 武怿达, 詹元杰, 俞海龙, 贲留斌, 刘燕燕, 黄学杰

2022 (3): 1077-1092. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0081

摘要 ( 539 )

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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2021年12月1日至2022年1月31日上线的锂电池研究论文，共有3795篇，选择其中100篇加以评论。正极材料方面主要研究了高镍三元、富锂正极材料的包覆和掺杂改性，以及其在高电压下所发生的表面和体相的结构演变。金属锂负极的研究包含金属锂的表面修饰、三维结构设计及其沉积形态和均匀性的研究。合金化储锂负极材料的研究侧重于复合电极结构设计和各类黏结剂的开发，以缓解循环过程中负极材料的体积变化，维持电极完整性。固态电解质的研究主要包括对现有固态电解质的合成、掺杂、结构设计、稳定性和相关性能研究以及对新型固态电解质的探索。而其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配的研究，以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多关注于复合正极设计和界面修饰和影响锂枝晶生长的因素。其他电池技术偏重于基于催化、高离子/电子导电基体的复合锂硫正极构造以及“穿梭效应”的抑制。电池测试技术方面涵盖了对Li金属的沉积形貌及SEI、快充放条件下正极材料各性质、固态电池的界面问题的观测和分析。理论计算涉及掺杂固体电解质电导率、固态电池中界面应力分析等进行了探讨。而界面问题侧重于关注固体电解质和Li金属负极界面稳定性。此外，电极预锂化研究论文也有多篇。

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