储能科学与技术

本期中英文目录

2022 (6): 0.

摘要 ( 117 )

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氧化硼修饰的钴酸锂材料及其电化学性能

武怿达, 张义, 詹元杰, 郭亚奇, 张辽, 刘兴江, 俞海龙, 赵文武, 黄学杰

2022 (6): 1687-1692. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0685

摘要 ( 370 )

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PDF(2013KB) ( 277 )

钴酸锂材料由于具有高的能量密度、优异的倍率性能和热稳定性被广泛应用于各种消费类电子产品，随着人工智能和5G时代的到来，人们对钴酸锂电池的能量密度有了更高的需求。本研究通过利用简单的固相法对钴酸锂进行硼化物包覆，经过改性后的钴酸锂材料(BLCO)相比于未改性的原始材料(LCO)电阻率下降一个数量级，该材料组装成的电池在常温下3～4.55 V的初始容量达到201.2 mAh/g，高于原始钴酸锂材料的192.64 mAh/g，循环500周后容量为194.8 mAh/g，高于原始材料的184.37 mAh/g。这种提升是由于硼化物改性后的钴酸锂材料具有更高的电子电导率和更小的界面阻抗，本工作提供了一种提升高电压钴酸锂材料容量的方法并对高电压下钴酸锂材料的失效机制进行了初步分析，对未来高容量钴酸锂材料的设计具有较大参考意义。

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锂离子电池富镍三元正极材料NCM的研究进展

张言, 王海, 刘朝孟, 张德柳, 王佳东, 李建中, 高宣雯, 骆文彬

2022 (6): 1693-1705. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0098

摘要 ( 1419 )

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PDF(13455KB) ( 1085 )

正极材料作为锂离子电池的四大核心材料之一，是锂离子电池电化学性能的决定性因素。其中，富镍三元正极材料LiNi _x Co _y Mn_1-_x_-_y O₂(NCM,x≥0.6)因其较高的比容量和卓越的倍率性能等优点被广泛关注，被认为是下一代锂离子电池中最具有发展潜力的正极材料之一。然而，富镍三元正极材料存在的循环稳定性差、热稳定性差以及安全性能低等缺点，限制了其在电动汽车和混合动力汽车等方面的大规模应用。因此，富镍三元正极材料NCM的研究对于完善当前锂离子电池体系有着重要的意义。随着材料制备方法的不断改进，富镍三元正极材料的电化学性能得到了显著的提高。本文综述了近年来富镍三元正极材料的研究进展，依据富镍三元正极材料NCM的晶体结构以及阳离子混排、循环稳定性差、材料表面残碱和表面副反应等失效机理方面展开，重点阐述了通过元素掺杂、表面包覆、掺杂包覆一体化、单晶化、构建核壳结构和浓度梯度的方法对其电化学性能的改善，并对富镍三元正极材料在锂离子电池的应用和未来的研究方向做出展望。

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丙烯酸锂包覆天然石墨对其电化学性能的影响

王灿, 马盼, 祝国梁, 魏水淼, 杨植禄, 张志宇

2022 (6): 1706-1714. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0556

摘要 ( 396 )

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PDF(4110KB) ( 337 )

本工作利用含有碳碳双键的有机小分子盐丙烯酸锂，通过自聚合在石墨表面形成具有弹性的的SEI层，系统地研究了丙烯酸锂含量对天然石墨电化学性能的影响。结果表明，丙烯酸锂含量为5%时，锂离子电池整体电化学性能包括首次库仑效率、倍率性能、大电流长循环性能都得到了显著的提高，有效地抑制了发生在石墨表面的副反应，抑制了电化学循环过程中电极阻抗的上升。

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碳化温度对软碳负极储锂动力学的影响

王宇作, 邓苗, 王瑨, 杨斌, 卢颖莉, 荆葛, 阮殿波

2022 (6): 1715-1724. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0689

摘要 ( 434 )

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PDF(6149KB) ( 347 )

软碳是快充型锂离子电池的候选负极材料之一，发展高功率的软碳是当前的研究热点。软碳的电化学性能主要取决于其微观结构，并显著依赖前驱体的碳化温度。本工作以针状焦衍生软碳为模型材料，借助扫描电子显微(SEM)技术、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼(Raman)光谱及氮气等温吸附等表征手段，追踪了其在900～1700 ℃碳化温度下的结构演化，并通过循环伏安(CV)、恒流充放电(GCPL)、交流阻抗(EIS)等电化学表征方法解析了其微观结构与储锂动力学的相关性。结果表明，随着碳化温度的提高，软碳会出现三个结构占优阶段(无定形结构、乱层结构、石墨化结构)，并对其电化学行为产生显著影响。其中，在无定形结构占优区域，软碳孔隙发达，储锂动力学较快，但容量较小(195 mAh/g)，库仑效率较低(<60%)；在石墨化结构占优区域，软碳库仑效率较高(80%)，但动力学缓慢；而在乱层结构占优阶段，软碳可获得最佳的微观结构，从而在可逆比容量、首次库仑效率和倍率性能之间取得平衡。该结果为合理设计高性能的快充型软碳负极材料提供了参考。

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实用化复合锂负极研究进展

石鹏, 翟喜民, 杨贺捷, 赵辰孜, 闫崇, 别晓非, 姜涛, 张强

2022 (6): 1725-1738. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0169

摘要 ( 440 )

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金属锂由于其超高理论比容量和极低电极电势，被视为下一代高比能电池理想的负极材料之一。然而，在实用化的条件下其巨大的体积膨胀及不均匀锂沉积等问题成为障碍。构建三维复合金属锂负极是调控金属锂沉积的有效方法。本文首先对实用化条件下[超薄金属锂(<50 μm)，较低的负极/正极面容量比(<3.0)和较低的电解液量下(<3.0 g/Ah)]金属锂的沉积脱出规律进行总结，指出复合锂负极的设计是解决金属锂负极问题的有效途径。其次，本文从骨架材料的角度出发，综述了当前实用化条件下应用纳米以及微米结构骨架的复合锂负极的研究进展。目前人们也将制备的复合锂负极逐步在实用化条件下进行评测，并应用在软包电池中取得了较好的效果。在此基础上，本文还总结了当前复合锂负极研究面临的问题，指出应该采用解构的方法分析骨架的单个参数对锂沉积脱出行为的影响，从而对骨架材料进行理性的设计。同时，我们展望了复合锂负极未来的研究方向，以望促进高比能金属锂电池的发展。

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气固流化床硅氧碳负极材料的宏量制备

肖哲熙, 鲁峰, 林贤清, 张晨曦, 白浩隆, 于春辉, 何姿颖, 姜海容, 魏飞

2022 (6): 1739-1748. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0175

摘要 ( 631 )

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本工作基于流化床内气固相结构调控实现了流化床化学气相沉积技术批量制备锂离子电池高性能硅氧碳负极材料。针对硅氧碳负极这一类微米级细粉颗粒，颗粒间较强的范德华力使得其存在团聚严重难以流化，进而使得化学气相沉积过程中表面呈现岛状沉积问题，显著影响电化学性能。本工作首先引入颗粒相压力构造颗粒类van der Waals状态方程，基于稳定性分析给出气固相调控相图，指导硅氧碳负极二次颗粒的设计，实现其能够在流化床中充分流化进行化学气相沉积碳包覆。稳定的流动状态在避免团聚的同时能够保证高效传质传热使得氧化硅颗粒表面碳层沉积由岛状生长转变为近层状生长，成功实现了氧化硅表面的均匀碳沉积。通过多种电化学测试表征分析，制备出的硅氧碳负极材料具有良好的循环及倍率性能。该技术目前已实现百公斤级中试生产，未来有望实现百吨级工业放大。

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硅基负极与电解液化学反应的分析与抑制策略

于春辉, 何姿颖, 张晨曦, 林贤清, 肖哲熙, 魏飞

2022 (6): 1749-1759. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0722

摘要 ( 798 )

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硅基材料因其高能量密度、适中的充放电平台以及丰富的储量成为最具有潜力的下一代锂离子电池负极材料，但其较差的循环稳定性是目前硅基负极材料应用的瓶颈。目前的研究主要通过导电性改进、控制体积膨胀和改进固体电解质界面这三方面来改进材料，并取得了一定的效果。但是，目前的改进主要是从电化学的角度出发，忽略了硅基材料与电解液之间的本征化学反应。本文综述了清华大学化工系魏飞课题组近年来在硅基负极与电解液本征化学反应分析与抑制策略的系列工作，从硅基材料与电解液的反应动力学出发，发现了影响硅基负极界面稳定性的另外因素，对其进行深入研究的基础上，提出了抑制副反应的有效策略，研究了抑制本征化学反应的策略。结果表明，通过引入陶瓷包覆层形成规整人造SEI层，在保证锂离子和电子的传输前提下，可有效抑制硅基材料与电解液的化学反应。本文对硅基材料与电解液的本征化学反应的抑制提出了有效策略，为提高硅基负极材料循环稳定性提供了新思路，有效指导了硅基负极材料的发展。

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锂离子电池负极石墨回收处理及资源循环

燕乔一, 吴锋, 陈人杰, 李丽

2022 (6): 1760-1771. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0193

摘要 ( 931 )

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新能源汽车的普及是推动绿色发展、保障能源安全的战略选择，是汽车行业碳减排的重要举措，并且对于我国实现碳中和、碳达峰的目标意义重大。锂离子动力电池作为新能源汽车的核心驱动力，其退役后的清洁处理和高效利用，关系到电动汽车行业能否实现绿色可持续发展。石墨具有可逆容量高、循环稳定性好等优点，被广泛地用于制备锂离子电池负极材料。因此，石墨负极材料的回收处理与资源循环应该引起高度重视。本文从深度净化、选择性提锂和残存电解质去除等角度，对废锂离子电池负极石墨回收处理技术进行了归纳和总结，梳理出再生石墨及其产品的资源循环利用途径，并基于全生命周期评价技术分析石墨回收技术的优缺点。最后，对锂离子电池负极石墨未来的回收处理与资源循环技术挑战和发展趋势进行展望，提出未来应着眼于厘清电池失效机理、实现全组分高效回收、坚持绿色化学新理念、拓宽高值化应用市场的四位一体发展模式。

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锂离子电池中的智能安全电解液研究进展

欧宇, 侯文会, 刘凯

2022 (6): 1772-1787. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0176

摘要 ( 691 )

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PDF(14848KB) ( 502 )

电解液是锂离子电池中的重要组成部分，在电池两极之间起到了离子传输的作用。传统的有机电解液体系在面临电池的热失控时，难以进行及时的阻断，智能响应材料的发展为解决该问题提供了思路。本文对于近年来锂离子电池的智能安全电解液材料发展进行了综述，在面临不同滥用条件时，电解液的智能响应过程均进行了原理性的说明以及应用实例的介绍。例如，热响应性聚合物电解液能够通过构相转变及时阻断电池的非正常升温，剪切增稠电解液的相转变能有效应对电池受到的机械冲击，氧化还原穿梭剂的添加能够降低电池在过充情况下的热失控风险。最后，本文也对锂离子电池其余组件的智能化进行了简要概括。该研究对提高锂离子电池安全性以及智能响应材料的开发有一定的参考价值。

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固态锂电池聚合物电解质研究进展

周伟东, 黄秋, 谢晓新, 陈科君, 李薇, 邱介山

2022 (6): 1788-1805. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0168

摘要 ( 2087 )

HTML ( 227 )

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目前锂离子电池的关键挑战是如何提高电池的能量密度和电池的安全性，使用固态电解质的固态锂电池可以有效地缓解这两个问题。固态电解质是固态电池发展的关键材料。固态聚合物电解质(solid-state-polymer electrolyte，SPE)具有较高的柔韧性、优良的加工性和良好的界面接触性，是固态锂金属电池理想的电解质材料。SPE的离子导电性、电化学窗口以及与电极之间界面的稳定性对固态锂电池的综合性能起着至关重要的作用。根据电化学稳定窗口的不同，本文主要综述了：①低电压稳定SPE，与锂金属具有良好的相容性，通过交联、共混、共聚以及与无机填料复合的方法可以有效降低其结晶度，提升聚合物离子电导率；②高电压稳定SPE体系，能够匹配高电压正极使用，有效提高锂金属电池的能量密度；③多层结构SPE体系，能够同时承受锂金属负极的还原和高电压正极的氧化，为进一步开发高性能SPE和提高电池能量密度提供了新思路。最后，对三种SPE体系进行了总结和展望，指出低电压稳定SPE的研究重点在于提高离子电导率以及力学性能，高电压稳定SPE的关键在于降低材料的最高占据分子轨道(highest occupied molecular orbital，HOMO)以及建立正极界面处稳定的CEI层，多层SPE的研究重点在于合适的电池和电极结构设计。构建可与正、负极同时稳定或者同时形成界面钝化层的高导离子聚合物结构是未来的研究重点之一。

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软包锂离子电池真空环境下循环性能特性

刘杭鑫, 陈现涛, 孙强, 赵晨曦

2022 (6): 1806-1815. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0562

摘要 ( 581 )

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为研究飞行器和轨道空间站等低气压真空环境下，锂离子电池的循环安全性能。实验采用商用Li(NiCoMn)O₂软包锂电池，在球舱近似真空压力下，进行0.5 C倍率循环充放电实验，并与常压环境下进行对比分析。研究发现：真空循环后，电池出现严重的大面积不可恢复形变和褶皱且厚度增加。随着循环次数增加，容量加速衰减，循环10次后容量低于80 %。但恢复常压后，出现少部分容量的恢复；真空下扩大了充放电过程中的膨胀与收缩效应，加速了容量的衰减同时也造成部分容量的假性损失；电池周期性升温和降温速率加快，周期内温度不均匀性加剧，最大温差可达12.9 ℃，充放电的热稳定性和安全性变差，同时潜在的热灾害危害性变大。通过微分容量分析发现，低压真空环境下，所产生的活性锂的损耗和电极材料结构的损伤是降低电池循环充放性能的重要因素。

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γ射线辐照交联原位固态化阻燃锂离子电池

沈秀, 曾月劲, 李睿洋, 李佳霖, 李伟, 张鹏, 赵金保

2022 (6): 1816-1821. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0208

摘要 ( 398 )

HTML ( 37 )

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电离辐射是一种高能辐射，其能量可以达到MeV级别，如此高的能量可以将原本稳定的分子或原子电离或激发，进而产生离子、自由电子、自由基等活性中间体引发共聚、接枝、交联等化学反应。本研究利用了强穿透性和极高能量的γ射线，辐照锂电池，使其由液态原位固化为凝胶态。探讨了相同辐照剂量的γ射线，对不同组分的前驱体溶液的固化程度、离子电导率、电化学窗口等的影响。利用静电纺丝，制备了含有聚磷酸铵阻燃剂的无纺布，将该阻燃多孔膜作为辐照前驱体溶液的基体，进一步为电池的安全性提供保障。结果显示，成功固化的凝胶电解质，其离子电导率可达2.5×10^-4 S/cm。由拆解后锂片的扫描电镜图发现，原位固化的凝胶电解质对锂枝晶的生长具有一定的抑制作用。组装的磷酸铁锂半电池，室温0.05 C活化后0.5 C循环100圈，放电比容量保持在144.8 mAh/g，容量保持率为97.5%。采用高能γ射线原位辐照交联的固态化锂离子电池，具有不漏液、高离子电导率、阻燃、抑制锂枝晶等特点。本研究有助于推动动力锂离子电池的进一步产业化应用和发展。

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锂离子电池智能消防及其研究方法

丁奕, 杨艳, 陈锴, 曾涛, 黄云辉

2022 (6): 1822-1833. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0024

摘要 ( 583 )

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锂离子电池是储能领域最具应用前景和市场价值的一类电化学器件，电池安全备受关注。研究电池热失控及智能消防对于提高储能系统安全性具有重要意义。本文对目前锂离子电池安全及智能消防方面的研究进行了梳理，现阶段的电池安全研究主要集中在本征安全、检测安全以及消防安全三个层面，但受限于该领域的研究起步较晚，依旧存在较多问题。我们结合锂离子电池安全研究现状，分析了电池热失控的过程及前后特点，指出了目前电池消防系统中存在的问题，并由此提出了电池智能消防系统的基本框架及其研究方法。通过将实际条件与实验条件结合分析，针对实验硬件和检测指标开展了讨论；重点聚焦研究平台中的电池燃烧载体的搭建与设计思路，并对热失控触发方式和喷淋系统的设计进行了总结与分析；同时提出了现有消防检测系统在锂电领域应用的局限性，详细介绍了锂离子电池智能消防中包括温度、电压、早期产气等重要预警指标的作用和其在研究中常用的采集及分析方式。

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锂离子电池植入传感技术

辛耀达, 李娜, 杨乐, 宋维力, 孙磊, 陈浩森, 方岱宁

2022 (6): 1834-1846. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0183

摘要 ( 1083 )

HTML ( 102 )

PDF(10292KB) ( 1081 )

电化学储能作为实现低碳电力系统的关键技术，近年来项目建设快速增长，其安全问题也日益突出。近10年间，全球至少发生30余起储能电站起火爆炸事故，提升运行效率、安全性、稳定性已刻不容缓。高安全高稳定的锂离子储能系统是电力行业发展的必然选择。现有基于模组层级的传感技术已不能完全满足有效预警的迫切需求，亟待发展新型智能传感技术。单体层级传感是破解储能锂电池高安全高稳定难题的有效途径。单体层级植入传感技术，可获得全寿命周期单体内部温度场、应变场、气压、气体等多传感信息，有望实现早预警、早隔离、早处置。本文将系统综述这一先进技术面临的诸多难题、挑战与最新进展，具体包括以下3个方面：植入传感器长寿命需求与单体内部电化学腐蚀条件的矛盾(测得准)、传感器植入需求与电池全寿命周期稳定服役的矛盾（埋得进）、传感信号高效传输需求与电池单体外壳电磁屏蔽的矛盾(传得出)。进一步，展望植入传感技术在锂离子电池早期热失控预警、全生命周期电化学特性方面的重要应用。

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基于数据驱动的动力电池健康状态评估平台

常泽宇, 张之琦, 张晓东, 李丽, 郁亚娟

2022 (6): 1847-1853. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0186

摘要 ( 436 )

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随着新能源汽车迅速发展普及，对动力电池健康状态进行准确评估成为了一个亟待解决的问题。针对这一问题，本文以轻量梯度提升机(light gradient boosting machine，LightGBM)为基础，采集数据处理特征并进行训练，最终构建了一个动力电池健康状态评估平台。首先，依据相关工作，在原始数据中提取了6个特征工程——放电电压的最小值的时间、负载电压的75百分位、放电电压平均值、放电负载电压的25百分位、放电电压的25百分位和放电电压的标准差。其次通过引入直方图算法、单边梯度采样算法和斥特征捆绑算法，对数据进行进一步处理，以减少平台的内存消耗与计算代价。最后采用NASA艾姆斯卓越预测中心的数据，对平台功能进行验证并与相似工作进行对比，结果表明该平台可以提供良好的预测精度(均方根误差仅0.0103)。该平台对动力电池SOH预测方法的发展具有积极的影响，具有巨大的实际运用潜力。

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废旧磷酸铁锂动力电池回收利用研究进展

周伟, 符冬菊, 刘伟峰, 陈建军, 胡照, 曾燮榕

2022 (6): 1854-1864. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0201

摘要 ( 1729 )

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PDF(4278KB) ( 1884 )

本文结合近几年国内外废旧磷酸铁锂动力电池回收利用的研究结果，对废旧磷酸铁锂动力电池回收利用最新技术进行详细综述，包括预处理过程、正负极材料及电解液的多种回收再利用方法。着重介绍了正极材料回收工艺，包括火法冶金、湿法冶金中酸浸工艺及生物浸出技术、直接再生技术；并分别介绍了负极的再生利用技术及电解液的超临界CO₂回收工艺。系统总结了废旧磷酸铁锂动力电池回收利用的最新进展，对目前废旧磷酸铁锂动力电池回收利用过程中存在的问题进行分析，未来应对回收工艺及原理开展深入研究，开发出清洁、环保、流程短的回收工艺，对不同类型的回收材料采用不同回收处理方式，从而真正实现废旧磷酸铁锂动力电池全组分高效率、高质量回收。

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致密储能：基于石墨烯的方法学和应用实例

韩俊伟, 肖菁, 陶莹, 孔德斌, 吕伟, 杨全红

2022 (6): 1865-1873. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0174

摘要 ( 478 )

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PDF(5712KB) ( 293 )

“致密储能”，即在尽可能小的体积内存储尽可能多的能量，是解决储能器件“空间焦虑”的必由之路。以石墨烯为基元组装获得的碳材料用作电极关键材料，可促进电化学反应并在优化电极和电池体积性能方面扮演着重要的角色。本文首先总结了二次电池致密储能的重要性及其关键挑战，立足石墨烯致密自组装及其在高体积比容量超级电容器电极中的应用，提出了基于石墨烯的致密储能方法论；基于此着重梳理了高体积性能二次电池，特别是致密型锂离子电池电极中“收放自如”碳网络构建的研究进展，最后展望了实用工况下致密储能体系循环稳定性、快充、热安全等方面问题的应对思路。

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Sn掺杂NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3-_x Sn _x O₂ 正极材料制备及其电化学性能

张浩然, 车海英, 郭凯强, 申展, 张云龙, 陈航达, 周煌, 廖建平, 刘海梅, 马紫峰

2022 (6): 1874-1882. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0061

摘要 ( 669 )

HTML ( 77 )

PDF(6236KB) ( 531 )

O3型NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂材料因兼具高容量特性和稳定的结构，已被认为是率先进入产业化的层状结构过渡金属氧化物正极材料之一。然而，该过渡金属氧化物正极材料的循环稳定性及倍率性能有待进一步提高。本工作制备一种Sn掺杂NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3-_x Sn _x O₂正极材料。结构表征发现，适量的Sn掺杂不改变NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂材料的R3m空间群O3型层状结构，同时Sn取代部分Mn可使层间距增大，增强Na⁺扩散能力，减少嵌/脱钠过程对结构的破坏，但会使TM—O键长收缩，从而增强过渡金属层的结构稳定性。TEM测试表明，Sn掺杂的NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂材料呈现出更完善的层状晶格结构，这在一定程度上抑制了晶格畸变。同时，Sn掺杂可提高正极材料的氧化还原反应可逆性，并可能减少有利相变P相的损失。电化学性能测试表明，当Sn掺杂计量比为0.02时的NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3-0.02Sn_0.02O₂材料电化学性能最佳。在2～4 V充放电区间下，0.2 C倍率电流首次放电比容量为139.1 mAh/g。在8 C倍率下放电比容量达110.5 mAh/g、200圈循环后的容量保持率为80.1%。本研究揭示了Sn的作用机理，对设计高倍率性能和高循环稳定性的正极材料具有一定普遍意义。

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氮掺杂碳包覆Na₃V₂ （PO₄ ） ₂F₃ 钠离子电池正极材料的制备与性能

赵易飞, 杨振东, 李凤, 谢召军, 周震

2022 (6): 1883-1891. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0198

摘要 ( 448 )

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锂储量的有限性和不断攀升的锂资源价格限制了锂离子电池在大规模能源存储领域的应用发展，亟需发展可替代锂离子电池的低成本储能技术。在诸多新型二次电池储能体系中，钠离子电池由于钠资源丰富及与锂离子电池相似的储能机制受到了广泛关注。在钠离子电池正极材料中，钠超离子导体材料Na₃V₂(PO₄)₂F₃(NVPF)不仅具有高的工作电压和放电容量，还表现出良好的热稳定性和较小的体积效应，因而具有广阔的应用前景。本工作采用低温水热反应和后续煅烧法制备NVPF，通过在水热过程中添加尿素和柠檬酸制备了氮掺杂碳包覆NVPF的复合材料(NVPF@C-N)。氮元素掺杂改善了碳包覆层的孔道结构和电导率，NVPF@C-N复合材料作为钠离子电池正极材料表现出高的可逆容量以及优异的倍率性能，在1 C下的初始放电比容量为121 mAh/g，10 C下的放电比容量为110 mAh/g，甚至在90 C的高电流密度下放电比容量仍具有66 mAh/g。此外，NVPF@C-N正极材料展示了高的循环稳定性，在1 C下循环200次后的充放电平台能够得到充分保持，且放电比容量仍高达111 mAh/g；特别地，NVPF@C-N在10 C下循环1000次后的容量保持率高达87%，在6000次循环后的容量保持率为54%。

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钠离子电池储能技术及经济性分析

张平, 康利斌, 王明菊, 赵广, 罗振华, 唐堃, 陆雅翔, 胡勇胜

2022 (6): 1892-1901. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0066

摘要 ( 2500 )

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PDF(3612KB) ( 2440 )

储能技术是构建能源互联网的关键支撑技术，是保障电网稳定运行、优化能量传输、消纳清洁能源、改善电能质量等的重要手段。电化学储能具备地理位置限制小、建设周期短等优势，是主流储能方式之一。目前，在电化学储能中发展最为成熟的是锂离子电池技术，但随着电动汽车普及和大规模储能应用，锂离子电池或将面临锂资源紧缺的问题。钠离子电池由于资源丰富、成本低廉、能量转换效率高、循环寿命长、维护费用低等优势，已成为目前储能技术的研究热点。本文对钠离子电池储能技术的可行性和经济性进行了分析，与当前主流储能技术进行了对比，从度电成本这一经济性角度分析了钠离子电池在大规模储能领域的优势，简要介绍了钠离子电池的应用场景及1 MW·h钠离子电池储能示范案例，并在此基础上给出了钠离子电池应用于储能电站的一些思考和建议。

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有机物辅助的硫化物电解质基固态电池

李一涛, 沈凯尔, 庞全全

2022 (6): 1902-1918. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0206

摘要 ( 620 )

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PDF(13021KB) ( 403 )

固态电池利用固态电解质替换电解液，为电池的发展提供了高能量密度和高安全性的保障，其中硫化物固态电解质因其高离子电导率等优势受到了广泛关注。然而使用硫化物固态电解质还会面临电极/电解质接触较差、与电极发生界面副反应、空气稳定性差的问题，往往需要与一些有机物配合以改善电池性能，例如有机溶剂、有机电解液或聚合物。本文综述了不同种类有机物对硫化物固态电解质的辅助作用，首先回顾了基于硫化物固态电解质的准固态电池发展现状，分别从正极、电解质、负极及相互界面处添加电解液或溶液的角度，阐述了液体添加对准固态电池产生的界面浸润、构筑保护层等增益作用；其次介绍了聚合物/硫化物复合固态电解质的湿法和干法制备，对比了极性和非极性聚合物黏结剂在制备工艺上的差异，着重分析了有机组分的添加对复合电解质离子电导率等性能的影响；阐述了通过溶液法对复合正极内部界面的改善方法，并补充介绍了薄片状(Sheet-type)电极的制备工艺与发展前景；最后总结了目前有机组分在与硫化物固态电解质配合时面临的难点，展望了未来研究工作的发展方向，为组装高性能硫化物基固态电池提供思路。

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固固转化反应硫正极的研究进展

张弘, 张阳, 赵耀, 王久林

2022 (6): 1919-1933. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0204

摘要 ( 551 )

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PDF(6727KB) ( 584 )

锂硫电池(Li-S)理论能量密度高，且硫资源在地壳中分布丰富，被认为是最有前途的二次电池之一。传统液态锂硫电池中硫正极经历“固-液-固”转化反应，在充放电过程会产生可溶性多硫化物，引发溶解穿梭效应，导致活性材料损失和循环寿命不足等问题。“固-固”转化反应的硫正极可以避免长链多硫化物的溶解，从根本上解决穿梭问题。本文详细介绍了在硫正极实现“固-固”转化反应的不同策略及研究进展，分别对微孔结构限硫、有机聚合物共价键固硫、有机/无机杂化协同固硫等策略进行了机理探讨、优化方法总结和未来挑战分析。之后阐述了与上述固固转化反应硫正极匹配的固体电解质，并简要介绍了“准固态”转化的研究策略，最后对构建高能量密度锂硫电池提出了展望。

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基于界面工程的自支撑催化电极用于电解水制氢

王培灿, 万磊, 徐子昂, 许琴, 庞茂斌, 陈金勋, 王保国

2022 (6): 1934-1946. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0195

摘要 ( 715 )

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氢能作为战略性产业，是未来国家能源体系的重要组成部分，为终端用户提供绿色低碳的能源载体。利用电解水制氢过程，有利于消纳大规模可再生清洁能源，促进国家能源结构调整。为了满足大规模、高效率、长寿命的电解水装备需求，亟需将界面工程原理与宏量放大工艺相结合，推动纳米技术走向产业化。本综述归纳界面工程研究现状，针对自支撑催化电极应用，以增强电极的稳定性与电催化活性为目标，重点介绍自支撑催化电极的微观结构调控方法，阐明3种催化界面（催化剂-基底界面、催化剂内部界面、催化电极-电解液界面）的调控策略，以及工程放大与宏量制备技术。在此基础上，指明高性能、高稳定的自支撑催化电极未来的研究方向。

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胶体溶液制备碳纳米管负载钌纳米颗粒的电催化合成氨性能

谢程露, 黄贤坤, 康丽霞, 刘永忠

2022 (6): 1947-1956. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0025

摘要 ( 243 )

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PDF(3449KB) ( 216 )

利用胶体溶液制备Ru纳米颗粒。将Ru纳米颗粒负载在碳纳米管上得到用于电化学合成氨的催化剂Ru_c/CNT。通过调节Ru胶体溶液的加入量可调整Ru_c/CNT上Ru的负载量。借助X射线衍射(XRD)仪、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、接触角测量仪和电化学技术对催化剂进行表征测试。结果表明，通过胶体溶液制备的Ru_c/CNT上的钌纳米颗粒缩小至1～5 nm，相比于Ru/CNT上的钌颗粒具有更好的分散性。钌的负载量为2.5%的0.025-Ru_c/CNT实现了最高10.98 μg/(h·mg_cat.)的氨产率及2.18%的法拉第效率，而直接在碳纳米管上回流还原制备的Ru/CNT催化剂仅有5.19 μg/(h·mg_cat.)的氨产率及0.05%的法拉第效率。通过对照实验对氨的来源进行验证，结果证明氨来源于电化学催化氮气还原过程，钌是催化剂的主要活性位点。钌催化剂颗粒粒径的减小可促进载体与钌纳米颗粒间的电荷转移，削弱反应过程中高能的N≡N三键，提高钌对氮气电化学合成氨的选择性，同时碳纳米管载体的应用为0.025-Ru_c/CNT提供足够多的负载位点，分散性更好的钌纳米颗粒能够暴露更多的活性位点，可提升电催化合成氨的性能。

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C₈H₁₈～C₁₁H₂₄ 混合烷烃体系相变材料的热力学性能

蒋铖一, 钟尊睿, 吴自德, 彭浩

2022 (6): 1957-1967. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0031

摘要 ( 267 )

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PDF(2575KB) ( 231 )

混合烷烃由于其相变温度可调，相变焓高，是性能优异的相变储能材料，但目前低温混合烷烃体系相变材料的研究较少。因此针对C₈H₁₈、C₉H₂₀、C₁₀H₂₂和C₁₁H₂₄二元混合烷烃体系开展热力学性能研究，探究混合烷烃体系相变温度、相变焓与其组成之间的影响规律，绘制了其固液相图。采用不同的热力学模型预测了二元混合烷烃熔化过程的相变温度及相变焓，并与实验结果相互验证。结果表明：C₉-C₁₀和C₉-C₁₁体系表现出共晶行为，共晶组分为88%（质量分数，余同）C₉-12%C₁₀和90%C₉-10%C₁₁，共晶温度分别为218.25 K和215.15 K。C₈-C₉体系具有包晶现象，C₁₀-C₁₁体系表现出完全互溶，它们的最小熔点分别为200.25 K和234.35 K。此外，采用UNIQUAC模型预测的熔化温度与C₈-C₉和C₉-C₁₀体系的实验数据更加吻合，而C₉-C₁₁和C₁₀-C₁₁体系则是UNIFAC模型预测的熔化温度更准确。Regular solution模型预测的四种混合烷烃体系的熔化焓更准确，平均相对偏差更小。因此，C₉-C₁₀和C₉-C₁₁共晶体系是适用于210～220 K温区的低温相变材料，为其低温储能中的应用提供了数据参考。

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相变乳液的研究进展

冯锦新, 凌子夜, 方晓明, 张正国

2022 (6): 1968-1979. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0697

摘要 ( 448 )

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PDF(9390KB) ( 154 )

相变乳液是一种具有高储热密度、良好流动性和优异传热性能的潜热型功能热流体，在热能储存及热管理领域受到广泛关注。本文对相变乳液的研究现状进行了综述，系统性地介绍了相变乳液的类型及其制备方法，重点分析了相变乳液过冷度高、稳定性差的瓶颈问题及其解决策略，并对现有的应用研究进行了归纳。分析表明选用特殊长链乳化剂是降低乳液过冷度的优选方法，提高乳液稳定性需考虑多因素的相互影响。相变乳液在实际应用中展示出比水更高的热能储存容量及更优的冷却性能。预测开发功能化的新型相变乳液，并拓展其应用新领域可能成为未来的发展趋势。

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基于空气紊流的中空底孔微柱阵列设计及强化散热数值研究

吴小凌, 周涛, 刘钰照, 杜艳平, 陈会平, 李顺

2022 (6): 1980-1987. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0656

摘要 ( 225 )

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PDF(3008KB) ( 180 )

为了深入了解微结构对散热器换热性能的影响，实现不同工况下的高效冷却，本文针对不同散热器结构设计，对其与空气对流换热性能进行了研究。采用计算流体力学数值模拟方法，通过改变散热器单元的数值模拟条件、如来流方向、来流速度、热流密度等，对不同微结构形状、排布的换热单元的换热效率及流动情况进行了研究。结果发现，中空微柱结构散热器效果优于微翅片结构或翅片-微柱混合结构。中空微柱的优势在于促进了微柱周围空气的局部紊流，从而提高了近壁面边界层内冷空气平均流速。在垂直来流情况下，该设计有利于充分利用空气动能，对微柱内外散热面进行冲刷，从而提高对流换热效率。分析发现，随着微结构高度的增加，换热的提升比例降低。随微结构密度变化，散热器的平均传热系数存在一个峰值。这表明在考虑材料利用率的情况下，微结构参数存在一个最优值。本文设计优化的空心微柱在高5 mm、间距6 mm的情况下，换热性能达到最优值，与传统微翅片相比可将平均温度降低10%～15%。

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列管式固体氯化钠蓄冷换热器动态分布参数分析

吴玉庭, 寇真峰, 张灿灿, 吴伊洋

2022 (6): 1988-1995. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0020

摘要 ( 219 )

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为研究列管式固体氯化钠蓄冷换热器在超临界压缩空气储能系统中的工作性能，将整个蓄冷换热器等效为所有单根换热管的并联，对单根换热管以及管外氯化钠划分微元，对每个微元列出控制方程，根据实际运行时蓄冷换热器在蓄冷、保冷、释冷过程不同的输入参数进行离散求解，最终得到了在蓄冷、保冷及释冷过程中蓄冷换热器不同时刻空气温度分布、氯化钠温度分布、出口质量流量、散热量、局部换热系数、局部换热量等参数。结果发现，空气出口质量流量发生波动，蓄冷时小于进口流量，释冷时大于进口流量；空气在管内进行跨临界流动换热时，在空气温度达到准临界温度时换热系数最大，且由于在准临界温度附近空气比热容先增大后减小，空气温度上升速率先减小后增大；氯化钠初始温度分布的不同导致保冷结束后换热器各位置氯化钠温度变化不同。本文研究揭示了超临界空气在列管式固体氯化钠蓄冷换热器内的流动传热规律，为间接式蓄冷换热器在超临界空气储能中的应用提供了理论基础。

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耦合LNG冷能及ORC的新型液化空气储能系统分析

苏要港, 吴晓南, 廖柏睿, 李爽

2022 (6): 1996-2006. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0700

摘要 ( 557 )

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本研究提出一种耦合液化天然气(liquefied natural gas，LNG)冷能及有机朗肯循环(organic ranking cycle，ORC)系统的新型液化空气储能系统。在用电低谷期，LNG和液态丙烷的冷能共同液化压缩空气，从而存储能量。在用电高峰期，液态空气释能发电，LNG的冷能则被丙烷回收。该系统将LNG连续气化释放的冷能作为辅助能源与储能系统相结合，能够灵活释能发电。另外，该系统对LNG冷能进行梯级利用(冷能依次用于液化空气、ORC和数据中心冷却)，提高了能量利用率，减少了能量损失。本工作建立了耦合系统的热力学模型和经济性评估模型，利用Aspen HYSYS软件进行过程模拟、循环效率和?效率分析，针对浙江宁波LNG接收站的地区电力价格，采用净现值法对系统进行经济性评估。结果表明：该系统的循环效率为110.20%，高于近期研究成果。?效率为59.71%，比常规液化空气储能系统?效率提高约10%。该储能项目具有经济可行性，且峰时电价对系统的经济效益影响最大。该研究可为LNG冷能用于能量存储和电厂调峰的工程应用提供重要参考和依据。

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