关键词： 锂离子电池   正极材料   棒状大晶粒   锰基富锂   磷酸铁锂  

摘要： 近年来，随着电动汽车的持续走热，锂离子电池成为研究的宠儿，特别是锂离子电池正极材料。尽管目前实验室和商业化的锂离子电池正极材料种类繁多，但是它们都存在各自的缺陷。本文针对两种比较热门的材料进行了改性研究，锰基富锂材料和磷酸铁锂，研究了它们的形貌、组成和电化学性能，并对它们具有优异电化学性能的机制进行了研究。 采用共沉淀法制备了Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2球形碳酸盐前驱体，并采用超声辅助的方式对其进行混锂，经过煅烧获得了棒状大晶粒的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料。通过XRD、SEM、TEM和XPS等手段对材料的结构和组成进行了表征，结果表明材料具有良好的层状晶型结构。电化学性能表征结果显示，在0.1C倍率时其首次的放电比容量高达298mAh g-1，100次之后的容量保持率为91.2%。同时材料具有良好的倍率性能，在1C条件下的最高放电比容量为190mAh g-1，经过100次循环，没有衰减的迹象。进一步对其100次循环之后的电极片进行了XRD和SEM分析，得知其特殊的形貌能够抵抗Li+嵌入/嵌出的破坏和过渡金属离子的溶出。 采用超声辅助混锂的方式制备了Li1.2Mn0.6Ni0.2O2，其前驱体同样采用沉淀法制备。通过SEM和TEM表征，表明该材料具有与Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2类似的棒状结构，证明了超声辅助混锂能够影响材料的结构和形貌。组装的电池在0.1C放电倍率下，最高放电比容量为245mAh g-1，100次循环之后的容量保持率为87.8%。此外采用静电纺丝的方法制备了三元锰基富锂正极材料，通过XRD和SEM表征，得知其形貌为纳米纤维状，但是不具备良好的层状结构和晶型，电化学结果显示电化学性能较差，有待进一步改进研究方案。 利用Super P对商业化的LiFePO4进行包覆，以提升其电化学性能。不仅在LiFePO4表面形成了二次碳层网络结构，使其导电性有了显著提高，同时由于形成的这种特殊的结构，使其形成了电容器辅助电池碳层，即碳层能够作为类似电容器的功能而储存一定的电量，从而使包覆后的电极0.1C倍率下放电比容量达到193mAh g-1，超越了磷酸铁锂的理论比容量，同时倍率性能也得到很大的提高。

关键词： 太阳能照明   LPC2103   磷酸铁锂电池   PWM   MPPT  

摘要： 太阳能是一种绿色可再生能源,这种能源取之不尽用之不竭,所以开发太阳能资源势在必行,在太阳能的所有应用中,太阳能照明受到能源行业和照明行业的不断关注,发展前景势不可挡。虽然世界各国都在积极发展太阳能照明产业,但照明产品质量参差不齐,系统寿命普遍偏低,而且系统大多采用简单的控制,达不到智能化的要求。针对这些不足之处,本文从多个方面对太阳能照明系统进行了优化和设计研究。与同类太阳能照明系统相比,本设计主要体现在系统智能化的提高,同时选取了合适的照明器件,使得太阳能照明系统达到智能合理人性化需求。本文的主要工作可总结如下：(1)太阳能电池的工作原理和技术参数的研究分析。分析了太阳能电池的工作原理,然后从伏安特性曲线、最大功率点、开路电压、短路电流、温度和光照强度对太阳能电池的影响等参数进行了研究。(2)照明灯具和储能器件的研究及选型,分析了白光LED的工作原理,并说明它作为太阳能照明灯具的优势。系统对比分析了几种储能元器件,最终选择磷酸铁锂电池作为太阳能照明系统的储能器件,同时分析了锂电池的工作原理以及控制方式,最后研究了磷酸铁锂电池的充放电特性并给出了相应的曲线图。(3)太阳能照明系统的电路设计。选取ARM7芯片LPC2103作为控制器的核心,实现对光源照明的调节、磷酸铁锂电池的充放电控制以及其他逻辑功能的控制。系统采用MAX16834作为LED的恒流驱动电源,设计了大功率的LED驱动电路。最后还设计了MPPT控制电路。(4)系统软件和最大功率跟踪算法的设计。系统软件的设计实现了通过分时段和光照强度来调节LED的照明。对常用的最大功率跟踪算法进行了对比分析,采用扰动观察法作为最大功率跟踪算法,并在Matlab建立了太阳能电池的光伏模型,同时对此算法进行了仿真,结果验证了此方法的有效可行性。(5)在系统调试阶段,搭建了太阳能照明系统,验证了此照明系统的高效可行性,同时也验证了扰动观察法在此系统中的可行性。文章最后对本课题的研究工作做了总结,同时展望了本课题以后的研究内容和发展方向。通过选取LED为照明灯具,磷酸铁锂电池为储能器件,设计太阳能LED智能照明系统。系统通过对磷酸铁锂电池的充放电控制以及相应软件的设计,最终实现在不同光照强度和时间段时LED的智能照明功能。

关键词： 天然气水合物   天然气水化物   生物质   磷酸铁锂电池   研究进展   水性粘结剂   烃类燃料   化学燃料   邵振华   肇秋   目录   检索工具  

关键词： 磷酸铁锂半电池   低温电解液   碳酸丙烯酯   亚硫酸丙烯酯  

摘要： 磷酸铁锂电池由于其安全性能高,且原材料成本低的优点,成为目前商业化最普及的一种电池,应用前景广阔。但是由于磷酸铁锂的本征电导率和锂离子的扩散系数都很低,导致其低温性能差。而电解液作为电池的“血液”,可以通过调整电解液的配方来改善电池的低温性能。本文先利用规模化生产工艺在实验室合成磷酸铁锂,然后对该材料的理化性能进行全面分析,接着通过调整电解液的溶剂和添加剂,对LiFeO4/Li和MCMB/Li半电池在常温、低温下的容量、循环性能和倍率性能进行测试,最终确定电解液的配方工艺。采用的溶剂有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC),添加剂为亚硫酸丙烯酯(PS)。先对合成的磷酸铁锂进行了各方面的测试,然后对装配的电池进行电化学测试。得到的结论如下：1、采用葡萄糖碳热还原法制备的磷酸铁锂,其形貌为类球形,尺寸在1μm左右,根据能谱分析,其表面覆盖一层碳膜。而且该工艺烧制温度低、时间短、能源消耗少,工艺简单,适合规模化生产。2、针对电池低温性能,先对溶剂比例进行摸索,由于EC的介电常数比较高,在低温下会导致电解液的电导率降低,因此其含量高不利于电池低温性能的发挥,最终确定了EC:DMC:EMC=1:1:3的溶剂比例,此时电解液在-40℃的电导率为2.206mS/cm,在低温下的放电比容量为40mAh/g,低温和常温性能相对来说都比较优秀。3、由于PC的熔点特别低,为了提高电解液在低温下的电导率,采用PC按照一定比例替换EC的方式,进一步对电解液的配方进行优化。经过摸索发现,当EC与PC的比值为2：1时,电池的常温和低温综合性能最好,在低温-40℃放电容量达到了50.1mAh/g,而且放电电压很高,为2.9V。且常温下的循环性能、倍率性能都很优秀。4、通过对电池的常温和低温的EIS测试我们发现,在低温下对于LiFeP04/Li半电池来说,其电荷转移阻抗增加的非常迅速,比常温下的阻抗要高三个数量级。但是对于EC：PC为2：1的半电池来说,不仅其常温下阻抗比较低为160欧姆,而且其低温下的阻抗在所研究的情况中是最低的。5、由于PC的加入对于负极MCMB的层状结构破坏比较严重,需要加入少量成膜剂PS,使得负极形成稳定的SEI膜。最终确定了加入体积分数为3%的PS,对于负极石墨的保护效果最佳。PS的加入不仅使得LiFePO4/Li半电池低温性能提高到62.1mAh/g,而且大大提高了负极的稳定性。对于MCMB/Li半电池来说,其容量高,80周循环的容量保持率最高为98.5%。

关键词： 磷酸铁锂   碳包覆   液态丙烯腈   工业化  

摘要： 由于磷酸铁锂正极材料高安全性,高稳定性以及原料丰富、廉价等优点,因此其广泛被用于电动汽车的正极材料。然而,其过低的导电性和锂离子迁移率限制了磷酸铁锂的大规模应用。因此,通过碳包覆或离子掺杂等改性方法,来改善磷酸铁锂较低的导电性和锂离子扩散速率,成为磷酸铁锂正极材料研究过程的主要内容。本文以碳酸锂、磷酸铁和易溶于水的液态聚丙烯腈(LPAN)分别为锂源、铁源和碳源,以水为分散剂/介质,通过普通固相球磨和纳米砂磨-喷雾干燥这两种方法制备出电化学性能优异的磷酸铁锂复合正极材料。首先研究了普通固相球磨法中,LPAN的加入量、烧结温度及其保温时间、预烧温度及其保温时间对磷酸铁锂性能的影响,这些条件只有处于最适当的范围才能最大程度提升磷酸铁锂的性能。最优条件如下:LPAN加入量为35%;烧结温度为750℃,其保温时间为18h;预烧温度为350℃,其保温时间为6h。通过SEM、TEM、XRD和Raman等检测发现,最优条件下所得到的磷酸铁锂粒径分布均匀,没有杂质相;表面包覆着厚约5.9 nm的碳层,该碳层的石墨化程度非常高;该碳层可以为磷酸铁锂同时提供快速的电子迁移和锂离子传输。这些特征有助于磷酸铁锂的倍率性能和循环稳定性:0.1C下放电比容量为167 m Ahg-1,接近理论容量170 m Ahg-1;1C下放电比容量为130 m Ahg-1,循环1000次以内基本不衰减,2400次以后只衰减了8%,容量保持率达92%。其次在纳米砂磨-喷雾干燥的方法中,研究了Li/Fe摩尔比和LPAN的加入量对磷酸铁锂性能的影响,这些条件只有处于最适当的范围才能最大程度提升磷酸铁锂的性能。最优条件如下:Li/Fe摩尔比为1.18:1;LPAN的加入量20%。通过SEM、TEM、XRD、XPS和Raman等检测发现,最优条件下所得到的磷酸铁锂为微球形颗粒,粒径分布均匀,能很好地浸润电解液;含有少量Fe3P和极少量Fe2P杂质,它们能提升磷酸铁锂的导电性;表面包覆着厚约4.3 nm的碳层,该碳层的石墨化程度非常高;该碳层可以为磷酸铁锂同时提供高速的电子迁移和锂离子运输。这些特征有助于磷酸铁锂的倍率性能和循环稳定性:0.1C下放电比容量为155m Ahg-1;1C下放电比容量为130 m Ahg-1,循环500次以内基本不衰减;循环伏安特性曲线表明,磷酸铁锂电极可逆性好,循环稳定性高。通过研究这两种方法,最终表明纳米砂磨-喷雾干燥法能够在不降低磷酸铁锂电化学性能的前提下,实现工业化大规模生产。

关键词： 磷酸铁锂   相变   放电态   石墨化   二价金属离子掺杂  

摘要： 磷酸铁锂是目前最具有应用前景的锂离子电池正极材料之一,然而低温工作时严重的容量损失制约了其发展,以及在动力能源,储能电站等方面的应用。容量损失与正极材料的放电过程有密切联系,区别于其他正极材料,磷酸铁锂放电过程中存在两相反应过程,该两相过程中的相界会阻碍锂离子扩散。因此提升磷酸铁锂低温性能的关键在于明确低温放电的相变过程,针对此过程中两相反应的影响因素对材料进行改性。本文以固相法制备的磷酸铁锂为研究对象,使用ex-situ TEM观察磷酸铁锂-40℃下放电插锂反应中的两相相变过程,并结合XRD对相变过程中的相组成进行详细分析,得出影响磷酸铁锂低温放电性能的主要因素,并针对各种影响因素展开实验改性,使磷酸铁锂的-40℃放电性能较商业化材料提升3倍。展开的主要工作如下：1.使用透射电镜观察-40℃下放电阶段的两相界面,界面为2-3 nm区域,且具有区别于富锂相和贫锂相的独特扭曲固溶体结构；发现相变过程中的亚稳相,区别于常温的富锂相与贫锂相之间的相变,低温相变过程需要经历两个阶段的两相转变,分别为贫锂相向亚稳相转变,和亚稳相向富锂相转变；使用ex-situ XRD对放电过程中材料的相组成进行追踪,发现磷酸铁相作为一组分存在于低温放电反应的始终,且含量稳定(27.01%),成为低温容量损失的原因之一。通过计算表明,具有反应活性的磷酸铁也未能充分插锂生成磷酸铁锂,反应程度只有77.10%,成为低温容量损失的原因之二。针对这两种-40℃放电容量损失的根源,提出了增加电导率,减小粒径,金属离子掺杂等改性方法。2.研究了磷酸铁锂粒径对低温性能的影响。本文通过球磨时间,原料和工艺等方法对磷酸铁锂的粒径进行控制,最终使用二步法工艺得到50～80 nm,粒径分布较窄的类球形磷酸铁锂颗粒,有效缩短了放电插锂反应中锂离子扩散路径,使低温性能较常规商业化材料提升2倍,达到50%。3.研究了电导率对磷酸铁锂低温性能的影响。针对碳包覆磷酸铁锂电导率的制约因素,分别研究了碳层厚度(碳含量),碳层石墨化程度对磷酸铁锂的影响。其中碳层的原位石墨化能大幅度提高磷酸铁锂的电导率,达到2.15e-1 S cm-1,但是对低温容量保持率影响不大为57%,表明保证电子快速传输时,进一步提高电导率并不能显著提升低温性能。4.分别研究了Mg, Zn, Ni, Mn四种二价金属离子掺杂对磷酸铁锂低温性能的影响。发现Mg掺杂虽有效提高磷酸铁锂的锂离子扩散能力,但只对结构稳定起作用,不能改善低温相变过程,只能一定程度提高低温性能；Zn, Ni, Mn掺杂都能有效缩短放电插锂反应中贫锂相向亚稳相的转变过程,使相变过程缓和,有效提高低温放电能力。其中Mn10%掺杂还能有效增加放电反应中的固溶插锂比例,利于低温放电反应,故拥有最高的低温放电能力,-40℃容量保持率达到65.2%。

关键词： 磷酸铁锂电池   等效电路模型   SOC估算   扩展卡尔曼滤波算法  

摘要： 随着环境污染和能源危机的日益加剧,节能环保的电动汽车受到各国政府的关注,电动汽车产业成为全球交通能源转型的发展方向。作为电动汽车的关键组成单元,动力电池的状态好坏、寿命长短在很大程度上决定了电动汽车整体的性能优劣。动力电池的荷电状态(State of Charge,SOC)是动力电池的重要参数,表征了电池剩余容量的多少,是电池管理系统对动力电池进行管理控制的重要依据,也是制定能量管理策略的关键因素。准确估计动力电池的荷电状态(SOC)对提高电池使用寿命和整车性能具有重要意义。但动力电池内部电化学反应复杂,非线性强,在动力电池模型建立和SOC估计两个方面都存在困难。本文工作主要从电池模型建立和SOC估计两个方面对磷酸铁锂电池进行了研究。本文以3.2V/10Ah磷酸铁锂电池为研究对象,通过对其进行不同电流倍率的充放电实验、不同温度下的放电实验、HPPC循环实验等一系列实验,分析了磷酸铁锂电池的充放电特性和温度特性。在对现有电池模型特点进行简单介绍后,考虑电池的充放电电流方向和放电倍率,在Thevenin等效电路模型的基础上建立改进的等效电路模型。本文采用HPPC循环实验,运用最小二乘法辨识得到在不同SOC点充放电方向上的电池模型参数,再利用Matlab中的cftool工具箱进行参数拟合。根据拟合得到的模型参数,在Matlab中建立改进的等效电路模型,并对其进行实验仿真对比。对比结果表明,本文建立的改进等效电路模型具有较好的精度,能够准确模拟磷酸铁锂电池动态特性。基于所建立的改进等效电路模型,本文采用扩展卡尔曼滤波算法对磷酸铁锂电池SOC进行估算。扩展卡尔曼滤波算法可以通过不断地迭代计算,逐渐逼近真实值,克服了安时积分法初值难以确定的缺点,但它对模型的依赖性较强。考虑到电池本身的强非线性和模型所存在的必然误差,为了进一步提高电池SOC估算精度,本文对扩展卡尔曼滤波进行了两方面的改进：修正观测噪声协方差；引入增益因子。最后,通过对磷酸铁锂电池进行动态工况测试,对算法改进前后的估计结果进行了对比分析。分析结果表明,改进后的算法能够有效估算电池SOC,在一定程度上提高了SOC估算精度。

关键词： 储能电池   钠离子电池   固体氧化物燃料电池   华中科技大学   国家自然科学基金   锂离子二次电池   锂电池   实验室   学术论文   锂空气电池   正极材料   磷酸铁锂  

摘要： 动力与储能电池实验室成立于2008年,以华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为依托,实验室现有教授(博导)3名、副教授2名、讲师一名、博士后4名、在读博士研究生20余名、硕士研究生20余名。研究方向主要包括锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、锂空气电池和固体氧化物燃料电池等。近年来,实验室承担了国家杰出青年基金科学项目、科技部863项目、国际合作项目、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金重点项目、高校产学研合作

关键词： 磷酸铁锂   充放电性能   温度特性   热管理  

摘要： 锂离子电池因其具有能量密度大、自放电小、不含有毒有害物质等优点,被称为绿色电池。随着新能源及电动汽车等新兴产业迅速发展,锂电池在储能领域中的应用研究成为热点问题。分别采用了现场实验、理论分析及数值模拟等方法,对锂电池的充放电特性、产热特性及不同热管理体系的温度场进行了深入研究。通过对锂离子电池组不同环境温度及北方典型月份中电动汽车锂电池的充放电性能测试,结果表明,锂离子电池组的充放电性能在25℃时优于其他温度下的性能,低温运行性能较差,但电池组一致性良好,电动汽车中电池组模块温度和平均单体电压变化稳定,但冬夏季节运行性能下降。通过建立电池组的传热模型,对型号为GBS-LFMP100Ah的锂电池的产热特性及温度特性进行研究,结果表明虽然理论上电池组能够将自身的产热散发出去,但是随着环境温度的升高,电池组内部的温度大幅度增加,需要对电池组进行热管理。采用Fluent软件对PCM散热系统、热管散热系统和小型热泵系统3种不同方式对锂电池组进行热管理数值模拟,研究发现PCM散热系统能够使电池组温度保持在相变温度42～43℃,热管散热系统能使电池组温度保持在35～37℃,小型热泵系统在高温下能使电池组温度保持在32～38℃,低温下能使电池组温度保持在20～25℃。研究表明,锂电池充放电性能稳定,低温和高温性能较差,锂离子电池组的最佳工作温度区间在20～45℃,通过科学的热管理方案能够延长电池组寿命和运营稳定性。研究结果可为锂电池在新能源发电及电动汽车的储能等应用中提供理论参考和技术借鉴。图40幅;表9个;参51篇。

关键词： 固体复合电解质   LAGP   PEO   离子电导率   LFP全固态电池  

摘要： 全固态锂离子电池是一类以非可燃性固体电解质取代易挥发易燃液体电解质的新型高安全性锂二次电池,是锂离子电池领域的研究热点。具有高稳定性和高离子导电特性固体电解质的开发是固态电池实现应用的先决条件。LAGP-PEO-Li X体系固体复合电解质(SCE)不仅具有与快离子导体Li1+x AlxGe2-x(PO4)3相当的离子电导率和电化学稳定性,同时,又保留了聚合物电解质易成型加工的特性,在全固态锂离子电池中具有很大的应用潜力。本论文选择将高温固相法制备的无机快离子导体Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP)粉末、聚氧化乙烯(PEO)和锂盐(Li X)复合,采用溶液浇注法制备了LAGP-PEO-Li X体系固体复合电解质。系统的研究了LAGP与PEO质量比,EO/Li摩尔比,锂盐类别对固体复合电解质性能的影响,确定了具有最佳综合性能的固体复合电解质的制备工艺,探讨了LAGP在固体复合电解质中的作用机理以及锂离子的传导机制,并将其应用于磷酸铁锂(LFP)全固态电池当中,分别研究了复合正极的导电性和固体复合电解质的离子电导率对LFP全固态电池电性能的影响。论文首先通过固定EO/Li摩尔比为13、选择二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI),研究了LAGP与PEO质量比对LAGP-PEO-LiTFSI固体复合电解质性能的影响。研究结果表明,在以LAGP为主相的固体复合电解质中,由于LAGP与PEO-LiTFSI存在相互作用使PEO主要处于无定形态,整个体系主要为PEO与LiTFSI的络合相、LAGP与PEO-LiTFSI相互作用形成的过渡相以及LAGP晶相。离子电导率与温度的关系符合经典的Arrhenius方程,离子电导率随LAGP与PEO质量比的不同而变化,当LAGP与PEO的质量比为6:4时,固体复合电解质的成膜性能最好,离子电导率也最高。通过固定LAGP与PEO的质量比为6:4、选择LiTFSI盐,系统的研究了EO/Li摩尔比对LAGP-PEO-LiTFSI体系固体复合电解质性能的影响。研究表明,LiTFSI同PEO的配位存在一最佳值,当EO/Li摩尔比为13时,LiTFSI同PEO的配位达到上限,固体复合电解质的成膜性能最好,有效载流子Li+的浓度最高,具有最高的离子电导率和最低的Li+迁移活化能。当LiTFSI含量超过同PEO的配位极限时,又会生成更多的接触离子对和富盐晶相,阻碍离子的传输;同时,也会降低有效载离子Li+浓度,使离子电导率降低。通过固定EO/Li摩尔比为13、LAGP与PEO的质量比为6:4,系统的研究了锂盐类别对LAGP-PEO-LiX体系固体复合电解质性能的影响。研究结果表明,锂盐阴离子的体积越大,抑制PEO的结晶能力越强,可移动的载流子Li+源的浓度越高。按照阴离子体积的大小排序有:TFSI-1>BOB-1>ClO4-1,因此,含LiTFSI的固体复合电解质具有最高的离子电导率和最低的Li+迁移活化能。论文结合电化学阻抗法、表面形貌表征以及与惰性陶瓷粒子(SiO2、Al2O3)对比性能分析,研究了LAGP在固体复合电解质中的作用机理。研究表明,在以LAGP为主相的固体复合电解质中,LAGP是主要的导电基体,具有较高的离子传导能力,可以降低Li+迁移的活化能;同时也可以降低PEO结晶度,改善两相的导电界面,形成有利于Li+传输的通道。论文系统研究了复合正极导电性和固体复合电解质离子电导率对Li/SCE/LFP半电池电性能的影响。研究结果表明,在25℃时,复合正极中含有与固体复合电解质成分相同的电解质时,有利于获得较高的放电比容量。在复合正极中添加适量PVDF粘结剂后,虽然放电比容量稍有降低,但具有较好的循环稳定性和倍率性能,以0.05C倍率进行充放电,首次放电比容量为143mAh/g,经过50次循环后,放电比容量保持率为96%。在0.5C倍率放电时,放电比容量稳定在105m Ah/g左右。复合正极中活性物质含量可以达到77%。固体复合电解质对Li/SCE/LFP半电池电性能的影响与自身的离子电导率成正相关,离子电导率越高,循环性能和倍率性能越好。