多孔能源材料在有限扩散条件下的Warburg阻抗谱仿真研究

运用Warburg阻抗谱准确揭示多孔能源材料电极的动力学特性及离子在孔隙电解液的扩散行为,首先需要深入理解单孔Warburg阻抗谱随维度参数和材料特性的演化规律。本论文主要研究内容是:①建立单孔Warburg阻抗模型,并在理想界面和有限扩散条件下,从超越函数方程推演到代数方程;②通过数值计算方法,定量仿真了孔的直径、孔的深度、电解液单位长度电阻以及活性物/电解液界面单位长度比电容对Warburg阻抗特征的影响;③基于仿真结果,系统研究了Warburg阻抗谱的转折频率、横跨45°Warburg区低频电阻和低频等效电容随孔的维度参数和材料参数的动态演化规律;④最后,从电化学动力学的角度解释了有限扩散Warburg现象和半无限扩散Warburg现象彼此间的竞争关系及其观测结果的演变规律。通过本论文的仿真研究结果,可深入理解储能材料中多孔电极的行为特征,进而为有效设计储能材料的结构和组成提供了有价值的理论依据,尤其在能量密度和最大功率密度的优化上。     

固态电池离子/电子传导及其传输线阻抗模型的研究进展

固态锂电池因其具有预期的高能量密度、宽工作温度范围及高安全性而备受青睐,成为动力电源和能源存储的主要选择.然而,固-固界面的离子/电子迁移阻力大、稳定性不足、剥离易发生等问题严重限制了其实际应用及产业化.为了改善固态电池性能,深入理解离子/电子的传导机理,不仅需要获取原始实验数据,而且还需要利用阻抗传输线模型,分析离子/电子的彼此影响及分离离子与电子的独立贡献.综述了多孔电极中离子/电子传导的7种测试方法及其特点;讨论了多孔电极中离子/电子传导及其9种传输线模型;分析了离子/电子传导机理研究中仍存在的尚未解决的基本问题;给出了能改善固态电池循环稳定性的努力方向.上述措施便于快速了解插层电极中离子/电子传导的研究现状、关键问题和发展趋势.     

基于遗传算法的分数阶锂电池模型参数辨识

遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法,在求解非线性参数的复杂优化问题上极具潜力.在建立锂离子电池的分数阶等效电路模型之后,通过不断调整其电路模型的参数,使得模型的阶跃响应u_m与锂电池阶跃响应u的和方差的函数值逐渐向0逼近,直到在一定误差精度内,近似认为二者相等.在此基础上,采用遗传算法,在阶跃电流信号激励条件下,对锂离子电池Randle分数阶电路模型完成参数辨识.实验仿真结果显示：分数阶模型参数{R₀,R_p,Q₁,α,Q₂}辨识值分别为{7.33,6.18,3.049,0.76,608.6},误差均值为4.796×10^-5,误差率为1.143×10^-3,拟合度为98.90%.     

动力锂离子电池分形电路模型的降阶分析

采用改进Randle分形电路描述动力锂离子电池的传递函数,并给出该分形电路阶跃电流响应解析解.随后,对由R_1//CPE_1和Z_(W∞)分形子电路构成的电路模型进行降阶处理.时域仿真表明,在0.1 10.0 s时间范围内,降阶模型近似解和分形模型的解析解非常逼近,其中Z_(W∞)电路四阶降阶模型相对误差低于3.0%,而R1//CPE1分形系数α0.8时,相对误差低于12.0%.给出的分形电路降阶模型不仅降低运算的复杂性,而且精度满足控制要求.     

TiO2纳米颗粒电化学后处理对超级电容器性能的改善

通过水热法以硫酸钛为钛源制备TiO2 纳米颗粒,然后将样品制成电极模拟超级电容器.1)通过SEM观察TiO2 纳米颗粒的微观形貌,其直径大小分布在30～50 nm, 并通过XRD测定TiO2 纳米颗粒的晶相结构为锐钛矿型;2)对超级电容器进行电循环处理,其比电容从10 mF/cm2增长到103 mF/cm2,并达到稳定,说明电循环处理大幅度提高了该样品的电导率;3)CV曲线中观察到一对明显的氧化还原峰,其比电容主要起源于该氧化还原反应. 恒流充放电和CV曲线计算所得比电容基本一致,阻抗谱图谱也清晰地显示了氧化还原反应所对应的极化电阻的存在.     

金属支撑固体氧化物燃料电池阻抗谱动态分析

采用悬浮等离子喷涂工艺制造金属支撑固体氧化物燃料电池(SOFC),阴极为SSCo-SDC(质量分数比为75%:25%),电解质为SDC,阳极为NiO-SDC(质量分数比为70%:30%),支撑体为多孔Hastelloy X合金.在450～600℃下,对极化电阻、欧姆电阻、本体电阻与界面接触电阻分别进行了静态分析,分析结果显示接触电阻对欧姆极化损失的影响较大.电池经受3次慢速热循环(3℃/min)和12次快速热循环(60℃/min),并记录600℃时动态阻抗谱和开路电压.基于对欧姆电阻和极化电阻的动态分析,给出了金属支撑SOFC可能的降解机理.动态分析结果也显示,金属支撑体的抗氧化性在金属支撑SOFC稳定性中发挥重要作用.     

TiO2的水热生长及其超级电容性能

以FTO玻璃为衬底,采用水热法制备针状TiO_2电极材料.利用XRD、SEM、EDS对TiO_2电极材料结构和成分进行分析,并用电化学工作站对其电容性能进行测量.结果表明:经H_2SO_4溶液和电化学循环处理后,TiO_2电极材料从白色转变成蓝色物质,导电性大幅上升,比电容也随之显著提高,从0. 657 F/g上升到49. 14 F/g,CV曲线表明TiO_2电极材料经电循环后出现从赝电容到双电层电容的转变.     

电化学阻抗谱基础

电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)已在电化学能源领域得到广泛的应用,如燃料电池、电池、超级电容器、电解水/二氧化碳等。为了更好地发挥EIS的诊断功能,文章系统地综述了EIS的基础理论、测量技术、发展趋势,以及在电化学能源技术中的应用,并着重阐明了如何理解以下四个核心问题:(1)什么是EIS(What)?(2)为什么需要EIS(Why)?(3)如何实现EIS诊断(How)?(4)EIS能力边界在哪里(Where)?为了用好EIS技术,必须清楚:EIS可以做什么,EIS不可以做什么,EIS擅长做什么。尽管EIS不是无所不能,但是如果能被合理运用,它的价值和潜力将会得到更好发挥,尤其在电化学能源技术领域。     

TiO_2有序纳米管阵列的阳极氧化法制备

以乙二醇和氟化铵的混合水溶液为电解液,高纯度钛片为电极,采用电化学阳极氧化法制备出表面整洁、高度有序的TiO_2纳米管阵列.系统研究氟化铵含量、电解液浓度,阳极氧化电压、氧化时间对TiO_2纳米管尺寸和形貌的影响.结果表明,当氟化铵质量分数为0.3%,阳极氧化电压为60 V,氧化时间为13 h时,可以制备出表面干净清晰,管长50μm,管径90 nm的高度有序的TiO_2纳米管阵列.     

TiO_2/C复合电极的电容性能

将活性炭与二氧化钛TiO_2纳米纤维混合组成复合电极材料,研究复合方式和比例对复合电极材料及其电容性能的影响.结果表明,随着活性炭比例的增加,TiO_2/C电容器的等效串联电阻迅速降低,比容量和能量密度相应提高.当活性炭与二氧化钛TiO_2比例为2∶1时性能最优,比容量为24.2 F/g,能量密度为3.32 Wh/kg.