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2024年, 第13卷, 第1期　刊出日期：2024-01-05 上一期    下一期



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本期栏目： 高比能二次电池关键材料与先进表征专刊　 热点点评　 储能材料与器件　 储能系统与工程　 储能技术经济性分析　

高比能二次电池关键材料与先进表征专刊

纳米硅的砂磨宏量制备及其碳纤维复合负极的储锂性能研究 徐铖杰, 黄玉林, 林中飞雨, 林志铭, 方辰希, 张卫军, 黄志高, 李加新 2024 (1):  1-11.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0664 摘要 ( 208 )   HTML ( 343 )   PDF(14752KB) ( 292 )   硅碳负极材料因具有较高的储锂容量等优势在锂离子电池领域备受关注，但仍面临电导欠佳、体积膨胀及界面兼容性差等问题。本研究从太阳能电池微米硅废料的纳米化处理出发，通过优化砂磨实验参数实现宏量制备颗粒粒径约为300 nm硅纳米颗粒。进一步地，通过静电纺丝法制备铜纳米颗粒修饰的硅碳复合材料，所制硅碳复合材料中的硅与铜纳米颗粒内嵌或附着在纳米纤维上。综合研究其电化学储锂性能发现，该复合材料以碳纳米纤维作为基体，辅以铜纳米颗粒的修饰，可构建出高导电网格并进一步提升复合材料的电导能力，有效克服硅材料的剧烈体积膨胀以及导电性差的缺点，进而表现显著增强的电化学储锂综合性能。特别是，结构优化后的硅碳复合负极材料在1.0 A/g的较高电流密度下循环550次后仍可保持765.9 mAh/g的高可逆容量。因此，本研究为宏量制备硅纳米材料及其硅碳纤维复合负极提供了良好的参考。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于磁性测试揭示CoO储锂机理 徐熙祥, 赵越, 阮明岳, 李强 2024 (1):  12-23.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0707 摘要 ( 100 )   HTML ( 128 )   PDF(5467KB) ( 109 )   当今社会对储能技术需求日益迫切，电化学储能作为储能系统中的“桥梁”极具发展潜力，然而面临电化学储能中微量杂质相检测以及复杂界面储能探测的挑战，传统表征手段已经显示出局限性。储能材料的晶体结构、元素价态、电子能带以及电化学特性与其磁学性质密切耦合，因此本文基于磁性测试，通过高低温等温磁化曲线(magnetic hysteresis，M-H)测试、零场冷/场冷(zero-field-cooled/field-cooled，ZFC/FC)变温磁化曲线测试，相较于传统表征手段X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)及高分辨透射电镜(high resolution transmission electron microscope，HRTEM)，能够定量、高效、精准地检测出CoO中存在有效降低极化、提升首圈库仑效率(74.3%～83.77%)、提高大电流循环性能(2 A/g 50圈容量保持率116.59%)的微量金属Co杂质相(CoO/Co@20min 0.66%，CoO/Co@40min 2.27%)。同时本文利用原位实时磁学循环伏安法CV测试及恒流充放电测试，直观揭示出CoO在低电压区间里复杂、难以探测的空间电荷与固体电解质界面(solid electrolyte interphase，SEI)膜两种不同类型的界面储能机制，成功解释了CoO远超理论容量的额外容量来源。储能材料的合成制备离不开高度精准的杂质相检测，储能领域的下一步研究发展取决于能否对界面储能深入理解。本工作为杂质相检测及界面储能机理探测提供了一种无伤且高分辨的磁学全新视角，为推动储能领域的创新，解决当今社会面临的能源挑战贡献力量。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

金属锂电池死锂形成机制及解决策略 金成滨, 黄益钰, 陶新永, 盛欧微 2024 (1):  24-35.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0581 摘要 ( 562 )   HTML ( 209 )   PDF(12816KB) ( 354 )   锂作为一种高容量负极，是构筑高比能金属锂电池的关键材料。然而金属锂电池实际应用仍面临诸多挑战，尤其是死锂问题，导致电池循环寿命和安全性严重下降。本文从死锂的形成机制、表征技术和解决策略三个方面开展论述。死锂主要来源于不完全的脱锂过程，以及锂的化学/电化学腐蚀，后者在电池充放电以及日历老化过程中都会发生。结合作者及合作者近期的相关研究报道，本文讨论了冷冻电镜、原位光学显微镜/拉曼光谱、三电极电化学技术等在死锂微观结构组成及其形成演变机制方面的应用。概括了通过设计骨架支撑锂的体相结构，引入保护层稳定界面，配置高性能电解液/固态电解质等死锂抑制型策略，减少死锂的产生和积累。此外，分析了解决死锂问题的激活策略，利用氧化还原对实现死锂的转化、迁移、存储和再利用。由于锂腐蚀、界面溶解、内电场作用等，实际电池体系中死锂的结构组成、空间分布等都存在复杂的动态变化，仍需开展大量研究剖析死锂的动态演变机制，提出根治死锂问题的科学思路。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

锂硫电池电解液多功能添加剂：作用机制及先进表征 贾铭勋, 吴桐, 杨道通, 秦小茜, 刘景海, 段莉梅 2024 (1):  36-47.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0327 摘要 ( 302 )   HTML ( 93 )   PDF(6806KB) ( 186 )   锂硫电池作为一种新型清洁能源存储转化装置具有高理论比容量、环境友好等优点，是现如今储能领域中的重点研究对象。但电池充放电时氧化还原反应动力学缓慢及长链多硫化锂的穿梭效应影响电池循环寿命。电解液是锂硫电池的重要组成部分，在充放电过程中肩负着离子转移和电子传递的作用。近年来，锂硫电池多功能电解液添加剂的研究脱颖而出，在电解液中引入添加剂可实现催化多硫化锂转化反应、保护金属锂、调控界面等功能。本文通过对近期相关文献的探讨，综述了利用电解液添加剂提升电池充放电反应动力学和抑制多硫化物穿梭效应的策略，着重介绍了无机共盐、有机含硫、有机含氟、有机含硒/碲添加剂，重点分析了上述添加剂对多硫化物调控的作用机制。在探究电池内部的反应机理方面，介绍了多种具有实时性和精准性的原位表征仪器在锂硫电池中的应用。综合分析了锂硫电池电解液多功能添加剂的研究进展，针对多种类型添加剂的作用机制进行讨论；指出原位表征技术对揭示催化机理和设计功能添加剂的指导作用，并对锂硫电池电解液添加剂未来发展方向进行展望。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

混合固液锂离子电池的热失控行为研究 靳欣, 张建茹, 王其钰, 张锐, 王碧童, 张中洋, 俞海龙, 禹习谦, 李泓 2024 (1):  48-56.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0846 摘要 ( 241 )   HTML ( 142 )   PDF(7208KB) ( 271 )   混合固液电解质锂离子电池是一种具有高能量密度、高安全性的储能器件，有望短期内实现产业化。本工作选择混合固液电解质(LATP和电解液)匹配高比容量活性材料(正极NCM811和负极C@SiO)为研究体系，采用绝热加速量热仪和气相色谱仪对全SOC及不同全寿命周期下混合固液电解质锂离子电池进行热失控模拟和产气组分分析，并通过超声检测仪分析不同寿命周期下电解液含量的变化情况。研究结果显示：该体系新鲜电池随荷电态的增加而热安全性降低，产气量增大，且可燃气体的占比会增加。随着循环容量的衰减，电池样品的热失控起始温度、最高产热速率以及产气量变化有所差异，在容量保持率为70%时热稳定性有所改善，结合超声分析结果推测与电解液转化成固态电解质有关。该工作初步探究了该体系电池的热失控行为，为后期内部机理解析和电池设计提供了支撑。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

高比能量锂离子软包电池针刺测试的影响因素研究 李召阳, 刘定宏, 赵岩岩, 陈满, 雷旗开, 彭鹏, 刘磊 2024 (1):  57-71.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0213 摘要 ( 437 )   HTML ( 128 )   PDF(10832KB) ( 216 )   通过高重复性的针刺试验平台对两款高镍三元体系的高比能量(260～300 Wh/kg)软包锂离子动力电池进行试验，基于针刺内短路的电子流向模型，分析了不同针刺速度、针尖角度、夹具形式和针刺位置的影响和作用规律，并提出针刺安全性能的量化评估参数。试验结果表明：测试使用的夹具孔径越小、针刺速度越快，电池在针刺过程中的内短路放电就越严重，针刺后的温升和压降也越大，特别是使用20 mm以下孔径夹具对高比能软包电池进行高速针刺时有较大概率触发热失控并起火；然而由于软包电池的层间导热系数较低，此时电芯外部温升相对起火存在一定滞后性；在其他条件相同时，刺针针尖角度的变化并不会给内短路放电的能量损耗带来太大差异，反而是针刺位置的偏离会大大提高失效起火的风险，这再次印证了隔膜对刺针的包裹和阻隔作用是高比能量软包电池针刺起火与否的重要影响因素；区别于传统的测试现象描述和Hazard Level等级评价，针对内短路发热导致集流体熔融这一过程，可以根据其特征电压参数计算短路恶劣指数，能够为产品的针刺安全性能提供量化的评价指标。本研究有助于锂离子软包电池的针刺测评技术开发，并可以为高比能量电池在面临机械应力破坏或枝晶过度生长时的安全性提供试验参考。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于空间分辨中子衍射方法的锂离子电池电化学反应均匀性研究 童文欣, 黄中垣, 王睿, 邓司浩, 何伦华, 肖荫果 2024 (1):  72-81.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0773 摘要 ( 183 )   HTML ( 56 )   PDF(9569KB) ( 104 )   锂离子电池作为一种具有复杂组成的电化学器件，其电化学反应的均匀性受多种因素影响，包括正负极材料成分、电池结构和制备工艺等。电池的局部电化学反应不均匀性将导致局部失效加剧，进而影响其电化学性能、循环稳定性和安全性。鉴于电池拆解分析不但会破坏其电芯结构，改变电极材料的化学性质，进而影响分析结果的准确性，本工作介绍并应用无损的空间分辨飞行时间中子衍射方法，对大尺寸软包锂离子电池电化学反应分布的均匀性展开研究。通过采集和分析毫米尺度测试区域的中子衍射数据，获得了全电池在初始状态和失效状态下锂离子嵌入石墨负极过程中的相变信息，并构建了全电池不同位置处的石墨负极多相含量分布和归一化后负极中的锂浓度分布图。此外，结合高精度三维X射线断层扫描方法，从电池厚度、电流密度和电解质浓度等多个角度，分析和探讨了这些因素对锂离子电池电化学反应均匀性的影响。空间分辨中子粉末衍射方法可以对不同类型和不同形状的金属离子电池中的电化学反应均匀性进行快速直接的检测，为电池结构性能优化和技术改进提供强有力的技术支持。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

锂电池用参比电极的设计与应用 肖也, 徐磊, 闫崇, 黄佳琦 2024 (1):  82-91.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0638 摘要 ( 416 )   HTML ( 127 )   PDF(2383KB) ( 312 )   参比电极对于解析高安全、高性能锂电池内部物理化学过程具有重要意义。然而在科学研究及产品开发中，可靠参比电极的实际构建和集成仍具有挑战性。本文首先阐明锂电池用参比电极的原理和特性，进而梳理基本设计参数，包括活性材料选择、几何尺寸、制备工艺和检测设置。然后介绍了引入参比电极的三电极体系在锂电池工作/失效机制分析方面的应用实例。最后展望了开发和部署锂电池用参比电极的挑战和发展方向。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

高镍正极材料表面锂残渣的研究进展 王盼晴, 黄彦杰, 何一芃, 陈祁恒, 尹提, 陈伟豪, 谭磊, 宁天翔, 邹康宇, 李灵均 2024 (1):  92-112.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0740 摘要 ( 283 )   HTML ( 106 )   PDF(23271KB) ( 216 )   目前锂离子电池的电化学性能和成本在很大程度上取决于正极材料，其中，具有高比容量和高工作电压等优点的高镍层状正极材料被广泛关注。然而，其表面的锂残渣会严重影响电极的制备和电池的电化学性能，限制了其在新能源汽车等领域的大规模应用。因此，高镍层状正极材料表面锂残渣的研究在进一步提升材料性能和电池安全性能等方面具有重要意义。本文综述了近年来高镍层状正极材料表面锂残渣的研究进展，从锂残渣形成机理，对高镍层状正极材料的影响以及酸碱滴定、傅里叶红外光谱、飞行时间二次离子质谱、固态核磁共振及热重分析结合质谱等锂残渣含量检测方法方面展开，总结了利用去除、物理包覆及原位再利用三种方法有效消除锂残渣对高镍层状正极材料的影响，改善其性能，并对进一步消除锂残渣对正极材料及锂离子电池的影响进行了展望。同时，本文针对锂残渣的展望及研究也同样适用于钠离子电池正极材料表面的钠残渣。本文旨在突出锂残渣原位再利用在高镍层状正极材料改性研究中的应用潜力，为锂离子电池的研究发展提供新的思路。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

高比能二次电池正极材料的X射线谱学研究进展 陈淑媛, 程晨, 夏啸, 鞠焕鑫, 张亮 2024 (1):  113-129.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0802 摘要 ( 195 )   HTML ( 69 )   PDF(7884KB) ( 170 )   二次电池具有高能量密度和长循环寿命等特点，为储存并利用清洁能源提供了有效的解决方案。为了满足社会日益增长的能源需求，进一步研究和开发二次电池迫在眉睫，而X射线表征技术可以为二次电池的研究、设计与应用提供全方位视角。基于此，本综述通过对近几年相关文献进行归纳总结，综述了X射线谱学技术在二次电池领域的最新进展以及遇到的问题，重点介绍了X射线表征技术（主要包括X射线光电子能谱、X射线吸收谱和共振非弹性X射线散射等）的基本原理、在二次电池领域的最新研究成果和科学挑战，详细阐释了不同X射线表征手段的技术特点、适用条件和独特优势，并对未来X射线谱学在二次电池领域的应用提出展望。综合分析表明，X射线表征技术可以提供一系列电极材料晶格、电子、物相结构等基本信息，实现从宏观尺度到微观尺度的电极材料结构表征，进而系统揭示电极材料晶体结构与电子结构演变、电荷补偿机制、离子与电子输运以及表界面化学过程等信息，为二次电池性能提升和技术瓶颈突破提供支持。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

锂离子电池快充石墨负极材料研究进展 廖雅贇, 周峰, 张颖曦, 吕途安, 何阳, 陈晓燕, 霍开富 2024 (1):  130-142.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0777 摘要 ( 397 )   HTML ( 177 )   PDF(9558KB) ( 389 )   数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

高能量密度液流电池关键材料与先进表征 闫苏, 钟芳芳, 刘俊伟, 丁美, 贾传坤 2024 (1):  143-156.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0713 摘要 ( 313 )   HTML ( 12 )   PDF(10135KB) ( 107 )   氧化还原液流电池具有安全性能高、可深度充放电、设计灵活等优势，在大规模储能领域得到了广泛关注，是实现“双碳”目标的一种重要储能技术。然而，较低的能量密度限制了液流电池的应用前景，因此亟需开发高能量密度的液流电池体系。液流电池的能量密度取决于电池关键材料的性能，尤其是正、负极电解液中活性物质的溶解性和电解液的电化学活性。因此，液流电池关键材料的开发和性能表征是液流电池领域中的重要研究方向。本文综述了高能量密度液流电池的主要构建策略，着重讨论了多电子转移体系、提高活性物质溶解度、半固态流体电池和氧化还原靶向反应液流电池四种提升电池能量密度的方法，并介绍了当前液流电池领域中的先进原位表征技术，包括原位拉曼光谱、原位紫外-可见吸收光谱、原位红外光谱和原位核磁共振技术。本文总结了高能量密度液流电池关键材料的研究进展，明确了原位表征技术在揭示复杂电化学反应机理中的重要作用，并对高能量密度液流电池的应用场景进行了展望。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

电化学储能界面的核磁共振谱学研究方法 欧阳意梅, 赵蒙蒙, 钟贵明, 彭章泉 2024 (1):  157-166.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0816 摘要 ( 195 )   HTML ( 9 )   PDF(5826KB) ( 70 )   深入认识电化学储能体系(如锂离子电池与锂金属电池等)表界面层的组成与结构，以及相关的物质传递、电荷存储与转移机理，对于开发宽温区、长循环与高倍率电化学储能器件具有重要的理论指导价值。电化学表界面层呈现出稀薄、无序和敏感等特征，直接观测并获取准确信息充满了挑战。在众多表征技术中，核磁共振技术表现出非侵入性和可定量等特点，是物质鉴别以及微观结构与动力学研究的重要手段。利用原位电化学核磁共振技术还能够观测电化学表界面生成的亚稳态中间相或发生的动态结构演变，为电化学储能体系表界面研究提供了独特而关键的见解。本文综述了电化学储能界面的典型核磁共振研究方法，着重介绍了一维与二维核磁共振技术、同位素示踪技术、动态核极化技术和交叉极化技术以及原位电化学核磁共振技术等方法的基本原理与应用策略。通过上述方法在电极与电解质、复合固态电解质等界面的组成结构、离子输运与界面电荷存储机理等电化学储能界面的应用实例，展示了核磁共振技术在电化学储能界面研究中的应用潜力和重要研究成果。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

用于锂电池监测的声学和光学传感技术研究进展 张怡, 葛筱渔, 李真, 黄云辉 2024 (1):  167-177.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0807 摘要 ( 464 )   HTML ( 13 )   PDF(6368KB) ( 229 )   锂电池技术的快速发展使其成为了应用最广泛的电化学储能器件。然而电池性能提升的同时也带来了日益凸显的安全问题，需要开发先进的监测传感技术获取电池内部的物理、化学信息，以更好地理解电池的内在物理化学机制并评估电池状态。基于此，本文首先介绍了电池无损监测技术的发展历史，并重点介绍了基于声学和光学的电池无损检测技术。声学传感技术只需在电池外部布设声学探头，即可获得其内部结构变化、产气等信息，是一种理想的无损监测方式。光学传感凭借其传感器体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰等优势，可以植入到电池内部，获取电池全生命周期内部热学、力学、化学等多种传感信息。通过这些先进的传感技术，能够最大限度地评估和预测电池的健康状态、工况可靠性、剩余寿命和安全性。最后本文讨论了下一代智能电池开发应用面临的机遇与挑战。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

固体核磁共振技术解析固态电池离子输运机制研究进展 李宇航, 韩卓, 安旭飞, 张丹丰, 郑国瑞, 柳明, 贺艳兵 2024 (1):  178-192.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0784 摘要 ( 279 )   HTML ( 19 )   PDF(13428KB) ( 169 )   数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

金属氯化物固态电解质及其全固态电池研究现状与展望 李枫, 程晓斌, 罗锦达, 姚宏斌 2024 (1):  193-211.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0821 摘要 ( 598 )   HTML ( 26 )   PDF(15187KB) ( 243 )   基于无机固态电解质体系的全固态电池，具有高能量密度、长循环寿命和高安全性等特点，被认为是下一代电化学储能电池中备受期待的候选体系。实现高性能全固态电池的关键在于设计和制备具有高离子电导率、界面稳定且易形变的固态电解质材料。金属氯化物型固态电解质作为一种新兴的材料体系，同时具备氧化物固态电解质的抗氧化性以及硫化物固态电解质的高离子传导率和机械延展性，且制备过程简单，无须严苛的环境和极高的烧结温度，可规模化生产潜力大，正逐渐成为实现全固态电池商业化的技术路线竞争者之一。本文通过对近五年来相关电解质材料研究进展的深入分析，对金属氯化物固态电解质体系的研究现状进行了系统评述，涵盖了其合成方法学、晶体结构学、离子传导机制、性能优化策略、电极-电解质界面兼容性以及实用化可行性分析等多个方面。同时，展望了金属氯化物固态电解质未来可能的发展方向，为基于金属氯化物的高性能全固态电池的研究提供了理论和实验参考。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

面向高比能固态电池的聚合物基电解质固化技术 李卓, 郭新 2024 (1):  212-230.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0848 摘要 ( 589 )   HTML ( 24 )   PDF(10822KB) ( 216 )   聚合物基电解质是最具应用前景的固体电解质，它可以在很大程度上缓解甚至解决二次电池中电解液的泄漏、挥发、燃烧和爆炸等潜在安全问题。但是，聚合物基电解质的制备涉及到从液体到固体的固化过程，通常存在工艺烦琐、排放高、厚度难以控制等问题。特别是在规模化生产高比能固态电池过程中，电解质的界面相容性、均匀性、厚度及制备/加工便利性十分重要，这些因素对聚合物基电解质的固化工艺来说是一个较大的挑战。基于此，本文全面总结了聚合物基电解质制备的非原位固化和原位固化两种固化工艺的具体方法，并通过实例重点阐述了固化工艺、固化机理、材料选择、固化工艺优缺点及其在锂二次电池中的应用和研究进展。最后，我们评估并展望了面向高比能固态电池的聚合物基电解质固化的关键材料选择、关键科学及工艺问题、普适性、规模化应用挑战和未来发展趋势。本综述有助于深入理解面向高比能固态电池的聚合物基电解质的固化工艺，有望促进聚合物基电解质及其固态电池的规模化生产和应用。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

室温钠硫电池硫正极催化剂的研究进展 黄祥龙, 李怡, 徐茂文 2024 (1):  231-239.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0687 摘要 ( 220 )   HTML ( 2 )   PDF(2194KB) ( 72 )   室温钠硫电池因其正负极材料丰富的自然资源、低廉的成本和优异的能量密度被视为极具竞争力的电化学储能系统。然而，严重的穿梭效应和缓慢的反应动力学是制约室温钠硫电池可持续发展和实际应用的两大障碍。在硫正极中引入适当的催化剂被广泛证明是一种可以抑制多硫化物的穿梭效应并促进其氧化还原动力学的有效策略，并在近年来成为了该领域的研究焦点。本文从材料设计和优化的角度入手，首先总结了在室温钠硫电池硫正极中被报道的金属、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物、MXenes、金属单原子及其他在内的各种主流催化剂， 并讨论了调节催化剂的吸附和催化性质的各种有效调节策略，包括尺寸缩减、缺陷工程、电化学钠化及异质结工程等。最后，针对室温钠硫电池正极用催化剂的研究现状指出了其未来的发展趋势，并基于室温钠硫电池面临的重大挑战，从基础理论研究和实用化设计两个层面展望了其未来的发展方向。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

富锂层状氧化物正极材料“可逆高氧活性”的研究进展 方泽平, 邱报, 刘兆平 2024 (1):  240-251.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0737 摘要 ( 285 )   HTML ( 10 )   PDF(8372KB) ( 105 )   在当前已知的锂离子电池正极材料中，富锂层状氧化物的放电比容量高出传统正极材料将近一倍，因而被认为是开发新一代高能量密度电池的理想材料。它一般由Li2MnO3和LiTMO2在纳米尺度上形成两种层状结构或固溶体，其充放电反应机制包括过渡金属活性和晶格氧活性，发挥可逆高氧活性直接决定着材料的放电比容量、循环稳定性等问题，材料的化学组成、微观结构、合成加工等关键因素直接控制着高氧活性的可逆性。本文详细地介绍了中国科学院宁波材料所近几年围绕富锂层状氧化物“可逆高氧活性”的研究进展。首先揭示了富锂锰基层状氧化物中不同元素氧框架结构基元的存在形式对氧活性的作用规律，其次探讨了不同维度的颗粒尺寸和晶畴尺寸对氧活性的影响机制，再次发展了优化体相结构及表面改性对氧活性的稳定性策略和提出了构筑体相无序结构抑制电压衰减的方法，最后探索构建了高比能富锂锰基电池新体系。这些研究结果为低成本、高容量富锂层状氧化物正极材料的设计制备和实际应用提供了理论支撑和方法指导。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

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锂电池百篇论文点评（2023.10.1—2023.11.30） 张新新, 申晓宇, 岑官骏, 乔荣涵, 朱璟, 郝峻丰, 孙蔷馥, 田孟羽, 金周, 詹元杰, 武怿达, 闫勇, 贲留斌, 俞海龙, 刘燕燕, 黄学杰 2024 (1):  252-269.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0910 摘要 ( 305 )   HTML ( 22 )   PDF(913KB) ( 259 )   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2023年10月1日至2023年11月30日上线的锂电池研究论文，共有5155篇，选择其中100篇加以评论。正极材料的研究集中于尖晶石结构LiNi0.5Mn1.5O4材料和富锂材料的掺杂改性、晶界工程、长循环中的结构演变等。负极材料的研究重点包括硅基负极的结构设计和黏结剂开发、金属锂负极的骨架结构设计。固态电解质的研究主要包括对氯化物固态电解质、硫化物固态电解质、聚合物固态电解质和氧化物固态电解质的结构设计以及相关性能研究。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。针对固态电池，正极材料的体相改性和表面包覆、锂金属负极的界面构筑和三维结构设计、电解质的离子输运特性、固态锂硫电池的性能提升策略有多篇文献报道。锂硫电池的研究重点是硫正极的结构设计，功能涂层和电解液的开发。电池技术方面的研究还包括电极结构导电剂和黏结剂的研究、干法电极制备技术、石墨负极的制造新方法、锂氧电池的电解质设计。电极中锂离子输运和反应动力学、电解液中的锂沉积形貌和SEI结构演变、固态电池的复合正极微观结构和金属锂负极界面等表征分析和锂枝晶的调控机制理论模拟论文也有多篇。 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

储能材料与器件

木质素基碳/硫纳米球复合材料作为高性能锂硫电池正极材料 李顺, 黄建国, 何桂金 2024 (1):  270-278.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0524 摘要 ( 598 )   HTML ( 10 )   PDF(4442KB) ( 84 )   锂硫二次电池因具有非常高的理论比容量(1675 mAh/g)和能量密度(2600 Wh/kg)而备受关注。然而，锂硫电池的正极材料单质硫因导电性差和在充放电过程中生成的多硫化物Li2S n (4≤n≤8)极易发生“穿梭效应”等问题，严重降低了对活性硫的利用效率，造成电极材料不可逆的容量损失。因此寻找成本低、可循环利用、热稳定性好的碳载体基质是提高锂硫电池电化学性能最有效的方法之一。在本研究中，以天然木质素作为碳源，首先经过萃取和碳化过程制备了多孔碳纳米球，再通过熔融过程，将单质硫成功地包裹进木质素基碳纳米球的孔隙中，制备得到多孔球状结构的碳/硫复合材料(LS-C/S)。当该复合材料用作锂硫电池正极材料时，在0.1 C电流密度下，硫含量为59.41% (质量分数)的电极材料的首次放/充电比容量分别为800.3 mAh/g和758.8 mAh/g，对应库仑效率为94.8%，在经过200次充放电循环后，其比容量稳定在647.4 mAh/g，容量保持率为84.3%，相当于每循环一圈容量平均损失为0.0785%。此外，在经过高倍率的充放电循环后，比容量仍能恢复并稳定在620 mAh/g，展现出良好的可逆倍率稳定性。这种木质素基碳纳米球具有的高比表面积和多孔结构，促进了锂离子和电子的传输，有效地抑制了中间产物多硫化锂的溶解扩散，提高了单质硫作为正极材料的利用效率，因此，复合材料表现出优异的循环稳定性和可逆倍率性能。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

锂离子电池硅基负极电解液添加剂研究进展：挑战与展望 陈珊珊, 郑翔, 王若, 原铭蔓, 彭威, 鲁博明, 张光照, 王朝阳, 王军, 邓永红 2024 (1):  279-292.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0594 摘要 ( 896 )   HTML ( 33 )   PDF(6559KB) ( 427 )   随着新能源和动力系统应用的日益成熟，锂离子电池在未来必将发挥越来越重要的作用，高比能电池已经成为当前研究的热点，并不断提出更高的性能要求。具有超高理论能量密度的硅材料被认为是缓解电动汽车行业里程焦虑的新一代负极材料，预示着未来几年将是硅基负极锂离子电池产业化应用的黄金时期。然而，硅在脱/嵌锂过程中会反复收缩膨胀(体积变化率约为300%)，致使负极材料粉化、脱落，进而失去电接触，造成负极材料的失活；其次，循环过程中不断的体积变化会对其表面固体电解质界面层造成持续不断的破坏，因此难以形成稳定的固体电解质中间相(SEI)膜，这导致大量活性锂和电解液的消耗，最终导致容量快速衰减。本综述旨在从电解液添加剂在SEI形成和修饰、Lewis碱中和、溶剂化调控等作用机理角度对硅基负极界面恶化方面所面临的挑战进行分析，并重点介绍硅基负极电解液添加剂的最新成果。此外，通过对氟、硅烷、酰胺、氰酸酯等官能团构效关系方面的深入讨论和比较，本综述还深入研究了电解液添加剂的设计问题，以激发读者的新思路和新想法，协助读者识别或者设计合成适用于硅基负极的电解液添加剂，为高比能电池的发展铺平道路。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

动力锂电池三元正极低温性能研究 梁宏毅, 陈锋, 甘友毅, 邵丹 2024 (1):  293-298.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0608 摘要 ( 327 )   HTML ( 19 )   PDF(4148KB) ( 113 )   动力锂离子电池低温下放电性能衰减问题一直是制约新能源电动汽车在寒冷地区推广应用的瓶颈。研究表明，动力锂离子电池正极性能对其低温放电性能产生主要的影响。因此，全面系统地了解正极低温特性具有十分重要的意义。本文以商用动力锂电池三元正极为研究对象，设计在25 ℃、0 ℃、-10 ℃和-35 ℃温度下的电池测试实验，建立从电池、极片到正极材料在低温下性能演变的关联性研究，揭示三元正极体系在低温下的性能变化特征。实验结果表明，低温对三元动力锂电池的放电容量和内阻有显著影响。随着温度的降低，电池极化内阻增大趋势远超欧姆内阻。三元正极在低温测试后表现出面密度下降、电导率下降、碳含量增加、晶胞收缩、活性损失以及颗粒开裂的特征，阻碍了电子和锂离子的迁移，引起电化学动力学参数恶化，导致电化学性能衰减。本文对揭示三元正极低温特征，帮助技术人员开发高质量低温性能动力锂电池，提升电动汽车在严寒地区推广运行方面具有一定的作用。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于锂负极的液态金属电池研究进展 曾坤, 郑晓妍, 龚慧玲, 邹博, 陈凯, 晏忠钠 2024 (1):  299-310.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0613 摘要 ( 280 )   HTML ( 3 )   PDF(8634KB) ( 69 )   液态金属电池由于具有低成本、易于组装和扩容等优点，且在充放电过程中能够有效地避免枝晶生长和电极结构变形等问题，在规模化电网储能领域具有显著优势。本文系统地综述了液体金属电池的工作原理、优缺点、电池材料(包括电极和电解质)的选取原则以及近期液态金属电池电极材料的研究进展，着重介绍了Li‖Te体系、Li‖Bi体系、Li‖Sb体系、Li‖Sb-X(X=Pb，Sn)体系以及Li‖Bi-X(X=Sn，Pb)体系等以金属锂为负极的液态金属电池关键材料体系，重点分析了上述材料体系的电化学储能特性、安全性、循环稳定性以及性能提升策略，并对比分析了上述材料体系在大规模储能应用时存在的优势与不足。此外，综述了Li基液态金属电池在熔盐电解质、高温密封及腐蚀防护、电池热管理等方面存在的问题以及面临的技术难题。最后，展望了液态金属电池正、负极材料的主要发展方向。综合分析表明，基于Li负极的液态金属电池具有低熔点、低成本、高库仑效率以及高放电电压等优点。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

铌基低温电池关键材料研究进展 戴雪娇, 闫婕, 王管, 董浩天, 蒋丹枫, 魏泽威, 孟凡星, 刘松涛, 张海涛 2024 (1):  311-324.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0641 摘要 ( 199 )   HTML ( 5 )   PDF(12140KB) ( 67 )   社会科技的进步也推动了锂电池技术快速发展。锂离子电池的性能受温度影响较大，在低温条件下工作时其性能衰减严重，因此，提高锂离子电池的低温性能成为研究热点。本文综述了基于铌基电极材料的低温锂离子电池近年的研究进展以及影响其低温性能的因素，从电极材料和电解液两个方面总结了改善锂离子电池低温性能的方法。电极材料方面主要介绍了铌基材料的晶体结构和电化学性质、烧结对于铌基材料结构及性能的影响、铌基材料的修饰改性研究以及含铌氧化物低温电化学性能，结果说明了铌基材料独特的赝电容结构能促进离子和电子传导，异质原子的掺杂及其他材料的复合能够使其结构更加稳定，带隙变窄，载流子密度增加，使倍率性能得到提高，从而提高了材料的低温性能；电解液方面从溶剂、添加剂以及锂盐三方面介绍了匹配铌基负极的低温电解液的研究进展，提出采用多元溶剂体系与多种添加剂协同作用可以改善电解液对锂离子电池低温性能的影响，并且大部分线性羧酸酯类溶剂熔、沸点较低，蒸气压较大，能有效改善电池的低温性能。本综述可为设计在低温下具有优异性能的锂离子电池负极材料提供指导。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

中空三维结构的硅碳负极的构筑及性能研究 郝胐, 王俊明, 董春伟, 尉琳琳, 董阳, 梁文斌, 苏志江 2024 (1):  325-332.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0746 摘要 ( 192 )   HTML ( 7 )   PDF(6149KB) ( 51 )   硅碳材料作为高能量密度的锂电负极材料备受瞩目，但由于硅在充放电过程中巨大的体积膨胀效应，导致了其循环性能差，限制了其商业化应用。本工作利用薄层石墨柔性结构的特点，与纳米硅进行复合制备了中空结构的硅碳复合物，并通过对薄层石墨和纳米硅分别用含有羧基的羧甲基纤维素（CMC）和含有氨基的正硅酸乙酯（TEOS）进行表面修饰。相比于传统的机械混合工艺制备的硅碳负极材料存在纳米硅与碳材料复合不均一的问题，本工作修饰后的纳米硅与薄层石墨之间通过静电自组装作用，可形成更为均一的纳米硅与薄层石墨的复合物（S/MG）。通过造粒技术，构筑了由纳米硅/薄层石墨片层组成的中空结构的硅碳复合物颗粒，而颗粒外部由碳层进行包覆。通过SEM切片、EDS以及高分辨TEM等表征手段，可以看到颗粒内部由纳米硅与薄层石墨层结构构筑了微米尺寸的中空结构，该结构内部不但形成了导电的三维网络结构，而且为纳米硅的体积膨胀提供了充足的缓冲空间，从而大幅提升了硅碳负极材料循环稳定性。相比于传统石墨取代薄层石墨与纳米硅制备的硅碳复合物，薄层石墨制备的硅碳负极的比容量达到958 mAh/g，扣电在0.5 C下循环500次后容量保持率可维持在88%左右。本文作者也从实用角度评价了S/MG全电循环性能，与三元NCM811正极材料组装成的软包全电池，在1 C倍率充放电下，循环1000周后电池容量保持率可达86%，可为高能量密度锂电技术的研究提供实验依据。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

储能系统与工程

基于多参数耦合模型的锂离子电池充电策略在智能物流系统中的研究进展 马浩, 万丽丽 2024 (1):  333-335.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0921 摘要 ( 78 )   HTML ( 4 )   PDF(773KB) ( 24 )   为有效优化锂离子电池充电行为，避免智能物流系统过量消耗电力信号，针对基于多参数耦合模型的锂离子电池充电策略在智能物流系统中的应用展开研究。定义多参数耦合模型表达式，在此基础上，研究锂离子电池的充电行为，并对其进行调节，根据点电荷存储量，确定锂离子电池的最大储能水平，从而实现基于多参数耦合模型的锂离子电池充电特性分析，再以充电效率、电池安全性、智能化充电三个因素作为切入点，研究锂离子电池优化充电策略在智能物流系统中的可行性。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于数据预处理和计算机VMD-LSTM-GPR的储能系统离子电池剩余寿命预测 田凌浒, 袁炳夏 2024 (1):  336-338.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0920 摘要 ( 111 )   HTML ( 1 )   PDF(607KB) ( 55 )   离子电池剩余寿命影响储能系统运行能力，准确预测电池寿命，有助于判断系统的实时运行状态，为获得较为可靠的预测结果，提出基于数据预处理和计算机VMD-LSTM-GPR的储能系统离子电池剩余寿命预测方法。针对储能系统离子电池剩余寿命预测的相关理论问题进行研究，并联合储能数据预处理标准与计算机VMD-LSTM-GPR模型，计算锂离子电池的容量退化能力，从而评估剩余电池寿命，实现基于数据预处理和计算机VMD-LSTM-GPR的储能系统离子电池剩余寿命预测。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于非线性互补算法的太阳能电池储能系统设计与网络建模 李晓丽 2024 (1):  339-341.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0923 摘要 ( 62 )   HTML ( 3 )   PDF(636KB) ( 20 )   太阳能是一种环保型能源，利用储能系统，将太阳能转化为电能并用于驱动其他设备元件，有助于实现能源的高效利用。针对上述背景，研究基于非线性互补算法的太阳能电池储能系统设计与网络建模方法。分析太阳能储能系统的研究现状及发展趋势，结合等价非线性互补原则，确定储能部件的能量转化收敛性，实现基于非线性互补算法的电池储能收敛性研究。选用合适的电池储能元件，并在此基础上，完善动态储能模型，完成太阳能电池储能系统的网络建模与设计。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

高比能二次锂电池电极材料的储能系统配电网运行建模与仿真研究 刘红, 李俊霞 2024 (1):  342-344.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0922 摘要 ( 64 )   HTML ( 3 )   PDF(786KB) ( 30 )   对于包含储能系统的配电网运行建模与仿真，传统方法由于缺少对储能系统变量增补约束，导致建模后储能系统的电热转换效率较低。为此，提出高比能二次锂电池电极材料的储能系统配电网运行建模与仿真研究。依据储能系统在配电网中的运行特性，建立储能系统等效电路，并以高比能二次锂电池电极材料的储能系统的经济性指标构建电网运行模型，同时对其加以变量增补约束，以动态描述配电网的运行过程。实例应用结果显示，所提方法能够有效提高储能系统的电热转换效率，建模结果更加可靠。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

储能技术经济性分析

火焰喷雾热解法生产锂离子电池高镍三元正极材料的技术经济分析 杜文, 王君雷, 徐运飞, 李世龙, 王昆 2024 (1):  345-357.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0558 摘要 ( 358 )   HTML ( 15 )   PDF(4199KB) ( 86 )   正极材料约占锂离子电池制造成本的三成，是影响动力电池价格的主要因素；采用火焰喷雾热解法生产三元正极材料能耗低、设备少，可降低锂离子电池的制造成本。本文研究的主要目标是定量评估采用火焰喷雾热解法生产高镍三元正极材料的技术经济可行性。计算火焰喷雾热解法生产LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)的原料、燃料、排放产物质量流量和盈亏平衡条件下的最低销售价格，并与传统共沉淀法比较。技术分析中物料与能量平衡计算结果表明，火焰喷雾热解法可使CO2排放、电力消耗和用水消耗分别降低约41%、85%和29%。经济分析结果显示，盈亏平衡条件下NCM811材料的最低售价为221.1 CNY/kg，较当前市场销售价低约18%。最后，针对材料最低售价的敏感性分析结果显示，原材料成本是最敏感的因素，当原料价格降低25%时，盈亏平衡点售价可达172.0 CNY/kg。 数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

经济视角下锂离子电池产业技术现状、挑战与未来 李琳 2024 (1):  358-360.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0016 摘要 ( 298 )   HTML ( 38 )   PDF(552KB) ( 233 )   本文从经济视角探讨锂离子电池产业的技术现状、挑战及未来发展。锂离子电池因其在电动汽车和可再生能源中的主导地位成为解决清洁能源需求的关键技术。本文概述了锂离子电池行业的国际发展格局，强调我国的技术优势。技术研究方向中，正负极材料和电解液创新为电池性能提升提供支持。然而，产业面临原材料供应链波动、技术限制和环境压力等挑战。提出了通过固态电池技术和新型材料研究实现技术创新，并通过原材料多元化和可持续采购解决供应链不稳定性。锂离子电池产业通过持续创新和国际合作，有望在技术、经济和环保方面实现更可持续和绿色的未来。 参考文献 | 相关文章 | 计量指标