离子迁移动力学的计算材料学研究方法概述及其在锂离子电池材料中的应用

锂离子的迁移及扩散动力学行为是影响锂离子电池倍率性能的最重要的因素之一.计算材料学的发展为模拟锂离子在电池材料中的迁移及扩散提供了各种不同的计算方法,包括蒙特卡罗模拟、分子动力学模拟、绝热轨道方法和弹性能带方法等.讨论了这些方法的特点、适用范围、计算结果的精度和可靠性,并就这些方法在研究锂离子电池材料离子输运行为上的应用实例进行综述.     

细菌纤维素/TiO2锂离子电池复合隔膜的研究

利用细菌纤维素（BC）的纳米纤维与纳米TiO2颗粒进行溶液混合制备具有多孔、极性和良好热稳定性的BC/TiO2锂离子电池隔膜,并对其孔结构、亲液性、热稳定性、电化学稳定性、离子电导率和电池性能循环稳定性等性能进行研究. 结果表明,BC/TiO2复合膜具有三维多孔结构、良好吸液性和高温尺寸稳定性.相对于商品化隔膜（Celgard?2325）,BC/TiO2隔膜具有更高的离子电导率,并且随着纳米TiO2含量的增加,离子电导率先升高后降低,当纳米TiO2质量分数为20.81 %时,BC/TiO2复合膜具有最大的室温离子电导率（1.7010-3 S/cm）. BC/TiO2复合膜作为锂离子电池隔膜时,电池具有较好的循环稳定性和倍率性能. 该研究对制备优异热稳定性和离子电导率的锂离子电池隔膜具有指导意义.     

不同温度循环过程中PE基隔膜和PP基隔膜的力学性能和电化学性能变化

为了选择合适的锂离子电池内部隔膜的基材,深入理解采用PE和PP基材料制作隔膜的力学以及电化学特性,基于试验法对PP和PE基薄膜进行了对比研究,结果表明此2种隔膜基础材料均具有极强的耐腐蚀性,在锂离子电池进行充放电工作循环过程中,导致其力学性大幅下降的因素为拉断力产生的蠕变以及疲劳积累.试验结果亦表明:2种基材隔膜的阻抗随着循环的持续时间的增加而增加,并且PP基材制得的隔膜阻抗较之PE基材制得的隔膜阻抗大,最终得到影响锂离子电池内部阻力增加受基材阻抗变化的影响不大.     

多孔碳材料的合成及其在锂离子电池中循环性能的研究

基于多孔有机聚合物及其衍生碳材料在锂离子电池负极材料领域的发展和研究现状,探究了一种孔径可控的多孔碳纳米球的合成方法 .首先,设计合成了6,13-双（双4-溴苯基亚甲基）并五苯化合物,并以此为单元制备了一系列具有规则形貌的新型多孔有机聚合物.通过将不同孔径尺寸的聚合物在不同温度下进行碳化,以此探究碳化温度对材料电化学性能的影响.根据得到的数据可知,多孔碳材料THF-800具有最好的循环稳定性和优异的倍率性能,由此证明THF-800在锂离子电池负极材料领域具有潜在应用价值.此外,对锂离子电池负极材料孔径尺寸进行了调控,可以促进有机材料在锂离子电池中的应用,最终拓展了多孔有机聚合物衍生碳材料在锂离子电池负极材料中的应用范围.     

锂离子电池功能隔膜的研究进展

隔膜作为区隔电化学过程电子得失反应的阻隔物,是电池完成能量转换与获得电子电功的重要组件.在实际应用中,隔膜材料在很大程度上决定了电池的安全性能.此外,隔膜对于电池的影响还表现在电化学性能、加工与使用过程等多个方面.随着人们对锂离子电池性能提升的期待越来越高,以往作为非活性材料的隔膜将发挥更大的作用,其进一步功能化的要求...     

锂离子电池材料探析

锂离子电池是高效的能量转化和存储设备。锂离子电池材料对其性能有着直接的影响。现阶段,锂离子电池的正极材料主要有层状的钴酸锂（LiCoO2）,氧化镍锂（LiNiO2）,锰酸锂（LiMnO2）和磷酸铁钽（LiFePO4）等;负极材料主要有各种碳材料与一些非碳负极材料,如硅和钛酸锂（Li4Ti5O12）;电解液主要为非水系电解液;隔膜主要为聚烯烃隔膜。锂离子电池不同构成部分的材料,有着一定的发展．应用历程,对其进行探完,具有广泛的应用前景。     

锂离子在石墨、MoS2及其复合材料中扩散过程的分子模拟及量子力学研究

锂离子在电极材料中的传递性能对电池的充放电速率起着至关重要的作用.采用非平衡态分子动力学(NEMD)方法,模拟了充电过程中锂离子在石墨 、MoS2及其复合材料(G/MoS2)中的迁移过程,考察了锂离子的非平衡态扩散时间、平衡态扩散系数(D)和吸附能,探究了石墨、MoS2层间距及边缘结构对锂离子扩散的影响.计算结果表明:...     

增塑剂DBP对PVDF-HFP聚合物膜性能的影响

采用Bellcore制膜法制备了锂离子电池用PVDF-HFP共聚物型多孔聚合物隔膜;研究了增塑剂DBP对该聚合物膜的离子电导率、电化学稳定窗口的影响.研究表明,随增塑剂含量增大,离子电导率不断提高,在增塑剂与溶剂体积比大于等于20%时,离子电导率可达10-3S.cm-1;在增塑剂与溶剂体积比为10%~30%时,该聚合物膜的电化学稳定窗口在4.3 V以上,均能满足锂离子电池的要求,并且随增塑剂含量的增大,电化学稳定窗口先增大后减小,在比值为20%时达到最大,为5.3 V左右.     

锂硫电池用隔膜材料的研究进展

锂离子电池在生产和生活中已经得到广泛应用，但也面临更高的使用要求和技术挑战，如能量密度较低等问题.凭借高理论能量密度和低成本等优势，锂硫电池被寄予厚望.但是，容量稳定性和安全性等问题成为锂硫电池技术发展的主要瓶颈.上述问题均与膜材料的结构和性能密切相关.在锂硫电池中，隔膜除发挥基本功能外，还需解决界面、硫穿梭及锂枝晶等问题，开发功能隔膜是解决电池上述问题的有效途径.基于涂层材料的特殊结构和理化性能对隔膜或隔膜/电极界面进行修饰是当前广泛选用的方法.本文针对锂硫电池的3大问题与隔膜材料的关系，总结了锂硫电池隔膜的研究进展，并对其未来发展方向提出展望.     

锂离子电池的工作原理及其主要材料

本文介绍了锂离子电池的发展概况，并从电化学角度阐述其充放电过程的工作原理。同时，对构成锂离子电池的主要材料：正极材料，负极材料，电解质材料和隔膜进行了初步介绍。     

基于TiO2纳米管的三维LiFePO4正极材料的制备及其电化学性能

本文用TiO_2纳米管阵列作为薄膜锂离子电池的三维模板,通过磁控溅射在TiO_2纳米管上沉积LiFePO_4薄膜,制备出了具有三维结构的LiFePO_4薄膜.结果表明,这种结构的电池不仅增大了LiFePO_4与电解质的接触面积、提高了正极材料的利用率,还有效地缩短了锂离子的迁移路径、弥补了锂离子扩散率低的缺陷,从而改善了电极材料的动力学性能.     

土体性质对Cl-迁移过程影响的试验研究

通过室内土柱试验模拟污染物迁移,分析了平均粒径、孔隙比、不均匀系数等土体性质对迁移规律的影响。试验结果表明:平均孔隙流速随着土样平均粒径的增大而增大,初始穿透时间随着土样孔隙比变大而缩短;弥散系数随着平均粒径、孔隙比的增大而增大。通过试验数据拟合得到符合试验土样的弥散系数经验公式。试验结果为污染土体及地下水体的防治工作提供依据。     

孔径和比表面积调控对SBA-15上溶菌酶吸附动力学的影响

研究具有不同孔径和比表面积的介孔二氧化硅SBA-15对溶菌酶的吸附行为,并分析了材料孔径和比表面积对吸附性质的影响.研究结果表明:材料对溶菌酶的最大吸附量受控于材料的比表面积,关系式为q=0.602 53SBET-130.58;用3种吸附动力学模型分析溶菌酶的吸附动力学过程,发现吸附行为符合准二级动力学模型;用外部扩散...     

页岩储层纳米孔气体传输耦合模型新研究

页岩气在纳米孔隙的传输过程中受多种因素影响,包括孔隙尺寸和压力、孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应以及权重因子等。因此需要综合考虑以上因素以及吸附气分子在孔隙中所占空间对气体流动影响的条件下,厘清页岩气的不同运移机制（表面扩散、滑脱流、Knudsen扩散和黏性流动）在不同孔隙尺寸和压力下对纳米孔中总气体流量的贡献率。首先,对页岩气的不同运移方式进行了物理描述及数学表征,然后,在考虑孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应和权重因子等因素的条件下,建立页岩气在储层纳米孔中的气体传输耦合数学模型,模型可靠性通过格子Boltzmann方法计算结果验证。研究结果表明,当孔径小于10 nm时,纳米孔的总流量主要由表面扩散流量组成,孔径越小,表面扩散流量越大;当孔径为40~250 nm和低压条件下,滑脱流和Knudsen扩散对气体传输影响较大;当孔径大于10 μm时,纳米孔的总流量主要为黏性流量。     

乳状液在岩心中运移的影响因素研究

为了研究乳状液在多孔介质中运移的影响因素及运移规律,了解乳状液对提高采收率的作用,利用长岩心作为模型进行驱替实验,研究了乳状液液滴粒径、液滴密度及运移速度对其运移规律的影响.结果表明,乳状液在孔喉中的宏观运移阻力是乳状液液滴对孔喉堵塞的累积结果.大液滴的乳状液在孔隙介质中运移阻力明显大于小液滴的乳状液.注入速度对乳状液在岩心中运移阻力影响较大,在粒径孔径匹配的条件下,存在一个临界注入速度,在临界速度下乳液在岩心中才能形成明显的封堵.速度太低,乳状液破乳严重,乳状液变形通过孔喉的能力强不容易封堵孔喉;速度太高,乳状液液滴被分散破碎、粒径变小不容易封堵孔喉.     

特殊环境条件下复合重金属污染固化土中离子迁移特性分析

运用有限元软件建立二维轴对称分析模型,研究了重金属离子(Cu2+,Cd2+)在土壤中的迁移扩散规律,对比了单一重金属离子(Cu2+)和复合重金属(Cu-Cd)的迁移特性,分析了固化前后重金属的扩散规律,并考虑了温度和干湿作用的影响。结果表明:复合重金属在渗透过程中的迁移半径大于单一重金属离子的迁移半径;固化后的污染土对于重金属离子的扩散速率有着良好的控制作用,固化作用对单一重金属离子扩散的影响更为明显。环境温度对于重金属离子的扩散速率和范围呈现出正相关的影响;干湿循环作用下重金属离子的扩散范围明显增大。     

化学活化法制备酚醛基活性炭纤维及其吸附性能

以酚醛纤维为原料、KOH为活化剂,采用化学活化法制备酚醛基活性炭纤维（PACF）,并以亚甲基蓝（MB）染料溶液作为吸附对象,对其吸附性能和吸附机理进行研究,同时采用扫描电子显微镜和比表面积及孔隙度分析仪对其微观形貌和比表面积及孔结构进行分析。结果表明：所制备的PACF得率高达47.01%,比表面积为1 378.48 m2/g,总孔容为0.60 cm3/g,平均孔径为1.52 nm,微孔率为90.62%,是一种以微孔为主的多孔性高吸附材料。当MB染料溶液的初始质量浓度为300 mg/L、pH为5时,最有利于PACF对其吸附,此时吸附量高达468.52 mg/g。吸附平衡和吸附动力学研究表明：PACF对MB染料溶液的吸附过程更符合Langmuir等温线模型和准二级动力学模型。此外,颗粒内扩散模型分析表明：外扩散和粒子内扩散都是PACF对MB染料分子吸附过程速率的控制步骤。     

微孔介质上气泡形成规律的研究

用激光测试技术对微孔介质上气泡形成规律进行了研究。实验结果表明,在微孔介质上所形成气泡的 Ｓａｕｔｅｒ平均直径随通气量的增大而减小;液相中盐或醇的引入使形成的气泡直径明显减小。使用不同模型的计算结果表明,单一孔上气泡形成模型难以描述微孔介质上气泡形成规律。为了描述微孔介质上气泡形成过程,不仅要考虑孔径减小带来的影响,而且要考虑操作条件及体系性质的变化对实际生成气泡的“有效孔”数目及当量直径等因素的影响。     

多孔球形电极颗粒中的扩散-应力耦合分析

具有良好化学稳定性及较高存储容量的多孔材料在锂离子电池及超级电容器中有广泛的应用,但已有的扩散-应力耦合模型大多忽略多孔材料的微观结构.基于此,建立考虑孔隙率和迂曲度的多孔球形电极颗粒中的扩散-应力耦合模型.针对Mn_2O_4电极进行恒压充电下的数值计算,探讨孔隙率和迂曲度系数对锂离子浓度、径向应力、环向应力及体积应变的影响,并将模型结果与他人结果进行对比.数值结果表明:迂曲度系数越大,电极中锂离子的扩散越差、体积应变越小且径向应力和环向应力越大;孔隙率越大,电极中的锂离子浓度和体积应变越大但径向应力和环向应力越小;多孔电极结构更有利于提高嵌锂能力.因此,应选择孔隙率大且迂曲度系数小的材料作为高存储容量的电极材料.