電池材料研究
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-18
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多材料切削仿真研究進展：材料建模、方法創新與參數優化
傳統切削實驗方法需反復制造物理樣機、更換刀具參數，單組實驗成本可達數萬元，且難以捕捉材料動態失效等微觀機制；而基于有限元法的切削仿真技術可將研發周期縮短40%以上，某研究通過正交切削仿真與實驗對比顯示，切削力誤差可控制在5%以內，驗證了其技術經濟性優勢。
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難加工材料切削優化的多尺度分析與跨技術關聯性研究
在航空航天、能源動力等高端制造領域，難加工材料構件的精密制造已成為制約裝備性能提升的關鍵瓶頸。以航空發動機渦輪盤、鈦合金薄壁構件為典型代表，這類構件通常要求在極端工況下保持結構完整性與功能穩定性，其制造過程面臨著材料切削性能與加工質量控制的雙重挑戰。
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來自美國愛達荷國家實驗室等單位的研究人員結合電化學分析、老化模型和循環后檢測，介紹了快充對正極材料循環壽命的影響。在前期循環過程中，材料老化問題較小，在隨后的循環中，當疲勞機制出現時，正極開裂和表面老化問題對整體正極容量衰減和阻抗增長產生累積和/或競爭效應，其中低倍率循環下更多由開裂主導，高倍率循環下主要由材料表面老化主導。相關論文以題為“Extendedcycle life implications of fast charging for lithium-ion battery cathode”發表在EnergyStorage Materials期刊上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.001
當鋰離子電池在非快充條件下，但在其他條件（例如更高的溫度或電壓）充放電時，其機械、結構和正負極等問題已被廣泛研究，因而許多研究者開始關注快充條件下的正極材料。然而，這些研究大多是在扣式電池中進行的，研究范圍狹窄，往往不足以全面了解快充對鋰離子電池正極材料的長期影響。在快充條件下，扣式電池具有更高的阻抗，在相同操作條件下，扣式電池的極化和材料利用率明顯不同于軟包電池，因此，應該非常謹慎地以扣式電池的結果來推斷軟包電池，特別是長期老化行為。
目前關于扣式電池和全電池的快充研究，通常循環次數有限，一般認為開裂是正極老化的主要機制之一。然而，目前還沒有專門的、以正極為中心的快充研究，還不了解在什么條件下開裂成為主導，以及它是如何隨著循環而演變的。目前的文獻對長循環條件下鋰離子電池正極除開裂外的老化模式和機制沒有明確的認識，對正極方面的問題缺乏全面的了解，這使得研究人員對快充加速正極老化的程度感到困惑。
展開 鋰電池已經被廣泛應用在手機、電腦和汽車上，成為了不可或缺的部件。不過，鋰電池卻也會因熱失控而自燃自爆。研究人員一直都在尋找電池過熱的原因和解決辦法，最近美國得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員有了新的發現，鋰離子電池過熱根源并不在材料內部，而在于材料表面，提高材料穩定性才能打造高容量且安全的電池。
電池在充放電時，電池材料也在不斷衰退，所釋放的能量也會使電池熱量提升。材料科學與工程教授Kyeongjae Cho博士表示，“只有電池陰極材料的表面才是問題所在，電池內部沒有問題。”鋰電池主要由正極、負極、隔膜和電解質組成，鋰離子則通過電解質在電極兩端游移，在電池充放電時，電池表面材料會釋放氧氣，進而產生金屬鎳粉塵。但鋰離子的傳輸通道被鎳粉塵堵塞時，導致電池容量就會快速下降，隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的幾率也會增加。
Kyeongjae Cho博士稱，可以在電池材料表面添加氧化物涂層，重新建構電池的結構，這也是保障鋰電池安全的方法之一。此舉可將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以經受住更長的充電時間。但問題是，研究與實驗所耗費時間會相當長。
展開 該研究小組發現了這種具有特殊性質的材料，第一條線索是，當把這種材料加熱到華氏450-600度之間時，它會轉變為一種更對稱的分層結構。研究人員還發現，當降低溫度，然后再升到高溫區時，這種轉變是可逆的。Mercouri Kanatzidis表示：“分析結果顯示，在轉變之前，銀離子被固定在材料中有限的二維空間內。然而，在發生轉變之后，它們會左右搖擺。”雖然人們對離子在三維空間中的運動了解很多，但對其在二維空間中的運動卻知之甚少。
一段時間以來，科學家們一直在尋找一種示范性材料，以用于研究2D材料中的離子運動。這種層狀鉀銀硒材料似乎可成為其中之一。該團隊測量了離子在這種固體中的擴散方式，發現它與重鹽水電解質（已知最快的離子導體之一）相當。
現在判斷這種特殊的超離子材料是否可以得到實際應用，還為時過早。但是，這種材料馬上就可以成為設計其他具有高離子導電性和低導熱系數2D材料的關鍵平臺。MSD首席材料科學家Duck Young Chung表示：“對于設計用于電池和燃料電池的新型二維固體電解質而言，這些特性具有重要意義。”
對這種超離子材料的研究，也可能有助于設計新的熱電材料，在發電廠、工業過程甚至汽車尾氣中，將熱能轉化為電能。這些研究可用于設計用于環境凈化和水淡化的膜。
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展開 鋰空氣二次電池因具有超高的理論比能量而成為國際上的研究與開發熱點，然而由于其正極復雜的氣-液-固共存的三相結構，及其在循環穩定性、能量效率等方面所存在的問題，其實際應用仍然面臨很大的挑戰，開發高效的空氣電極催化劑等材料十分迫切。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀帶領的團隊在鋰空氣電池電極材料的設計和機理研究方面取得新進展。他們針對金屬硫化物的催化惰性，以材料晶體結構修飾為手段，成功制備了具有高度晶格畸變的亞穩態金屬硫化物正極材料，具有潛在的應用價值，相關研究成果于近期發表于《納米快報》（Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00603）。
同時，他們還成功揭示了鋰空氣電池中間放電產物在氧空位位點的自催化分解反應，放電產物自催化分解現象的發現也可以為未來高效正極的設計提供新的思路和解決方案，該項成果于近期發表《納米能源》（Nano Energy, 2017, 36, 186-196. DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.04.038）。
溫兆銀團隊在前期成功合成定向結構三維二硫化鉬材料的基礎上（ACS Nano, 2015, 9 (12), 12464-12472. DOI: 10.1021/acsnano.5b05891），采用低溫液相法成功地設計了層內二硫化鉬/二硒化鉬異質結構，通過與美國伊利諾伊斯大學合作進行的球差校正掃描透射電鏡分析證明了該層狀材料層間和層內高度的晶格畸變，且沿相同晶面呈現間距不規則的特性，這種高度畸變的亞穩結構能夠顯著提升材料的催化活性。原位透射電鏡揭示了鋰離子在材料結構中的快速穿梭和傳輸。此種高活性的催化劑首次成功地實現了金屬硫化物在鋰空氣電池中的穩定深度循環，具有潛在的應用價值。
展開 為最大限度地提高電池的效率，研究人員在納米尺度上進行了研究，并發現通過采用10nm的TiN和5nm的TiO2，可以更快更多地吸收多硫化物，從而大大提高電池性能，進而使所需充電時間更短、充電間隔更長且整體壽命更長。為了更加確定，研究人員將電池運行了200次循環，發現其效率幾乎相同。
該研究的資深作者、OIST能源材料與表面科學部負責人Yabing Qi教授稱：“我們將繼續進一步優化材料以提高性能。目前已有很多人在研究鋰硫電池。這是一項非常有前景和令人興奮的技術。”
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傳統的空氣冷卻與間接式液冷存在接觸熱阻大
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目標
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高性能復合材料（尤其是航空、航天、汽車和風電結構中的碳纖維復合材料（CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer））的核心研究方向。下面我給出一個科研和工程設計層面系統化的總結，包括研究方向 、算法、軟件、硬件配置推薦。
一、主要研究方向
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隨著全球對環境和能耗的關注日益提高，包括復合材料、工程塑料和橡膠在內的高分子聚合物材料，因其材料性能具有較高的強質比，被越來越多的應用到汽車輕量化設計當中。
但是，相對于傳統金屬材料，聚合物材料在不同溫度和加載速率下所表現出了巨大差異性和敏感性，這些差異包括彈性模量、峰值應力、應力應變曲線以及失效應變。
上述差異將會增加材料本構模型建立的難度和準確度，進一步影響實際產品的仿真結果
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在材料科學與工程領域，復合材料憑借其優異的比強度、比剛度以及可設計性等特點，被廣泛應用于航空航天、汽車制造、新能源等諸多關鍵行業。而在這些應用場景中，復合材料部件往往需要承受不同程度的扭矩作用，其抗扭力學性能直接關系到整個結構的安全性與可靠性。因此，開展復合材料扭力測試力學性能研究具有至關重要的現實意義。
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