碳-空氣電池
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-24
碳-空氣電池的實例教程
（圖片來源：techxplore）
據外媒報道，東京工業大學（Tokyo Tech）的研究人員提出一種替代性電能儲存系統，以碳為能源，而不是氫氣。新系統名為碳/空氣二次電池（CASB），由固體氧化物燃料和電解電芯（SOFC/ECs）構成，利用電解二氧化碳（CO2）產生的碳，與空氣氧化產生能量。通過向SOFC/ECs供應壓縮液化CO2，以構建能量儲存系統。
研究人員表示，CASB類似于電池，利用可再生能源產生的能量充電，將CO2還原為C。在隨后的放電階段，C被氧化以產生能量。由于碳被儲存在SOFCs/ECs的有限空間中，CASB的能量密度受限于其可容納的碳數量。盡管如此，研究人員發現，與氫儲存系統相比，CASB擁有更高的體積能量密度。
電池性能的另一個指標是充放電效率。為了評估這一指標，研究人員進行充放電實驗，并觀察到C和CO2之間的轉換是由于“波多反應”（Boudouard reactions），其特征是CO、CO2和C的混合物發生氧化還原反應。在充電期間，通過電化學還原CO2，以及波多分解還原CO，將C沉積在電極上。在放電期間，通過波多氣化反應和電化學氧化，C被分別氧化成CO和CO2。研究人員發現，CASB用于發電的C利用率，取決于3種不同碳物種(C、CO2、CO)之間的平衡，也就是所謂的“波多平衡”。
CASB系統能夠利用沉積在電極上的大部分碳發電，并表現出高達84%的庫倫效率。這表明，表明大部分儲存的能量可在放電階段獲得。此外，在800℃和100 mA cm -2 下，功率密度高達80 mW/cm2，可保持38%的充放電效率。這首次證明具有波多平衡的 CASB 系統，經過重復發電（10 次充放電循環）沒有退化，燃料電極沒有發生降解。
展開 來自哈爾濱工業大學（深圳），日本筑波大學的科研人員報道了一種由聚苯胺輔助模板法制備的三維納米多孔氮摻雜碳，該材料具有雙連續的孔隙率和互連的開孔通道。聚苯胺可以有效抑制表面擴散模板粗化，從而獲得35 nm的小孔徑。小的多孔形態導致高達7.20at%的高氮摻雜劑濃度。這反過來又顯示出商業鉑/碳可比的ORR性能以及在堿性介質中令人滿意的耐久性。使用這些納米多孔碳催化劑作為空氣電極，組裝了全固態柔性鋁-空氣電池，測量的最大功率密度達到130.5毫瓦每平方厘米，而使用商用鉑/碳標準時為106.2毫瓦每平方厘米。該研究為制備具有雙連續納米孔道的三維氮摻雜碳提供了一種有效的方法，可廣泛應用于便攜式和柔性器件。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103632
綜上所述，本文采用聚苯胺輔助的方法制備了具有雙連續開放孔隙率的三維納米孔摻氮碳。聚苯胺層可以有效地抑制了Mn2O3模板在800~1000°C熱解過程中因擴散而導致的顆粒粗化和孔膨脹效應，制得的三維納米孔炭的孔徑為35 nm。由于N摻雜量高、比表面積大、孔隙率高，因此3D納米多孔碳基全固態鋁空氣電池表現出優異的放電性能，達到是130.5 mW cm?2的大功率密度。這項工作為合成三維雙連續納米多孔摻氮碳材料提供了一條新的途徑，可用于各種電化學器件中潛在的催化劑。（文：SSC）
圖1|制備和形態表征。
圖2|結構和化學特性
圖3| ORR性能
圖4| 全固態鋁空氣電池性能
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 【背景】
目前可充電鋅空氣電池（ZABs）因其理論能量密度高、安全性和可持續性高而被認為是未來電動汽車最具前景的技術。然而，ZABs的大規模商業應用仍然存在受到電催化劑性能的阻礙，尤其是在充放電過程中對氧還原反應 (ORR) 和析氧反應 (OER) 的過高過電位。開發高效、低成本且具有優異電催化性能的雙功能電催化劑是非常必要的。
單原子催化劑（SACs），尤其是過渡金屬單原子催化劑（TM-SACs），由于其原子利用率極高，在堿性條件下表現出更好的ORR活性。然而，單金屬TM- SACs 對 OER 仍然不滿意，這是制備高效 ORR/OER 雙功能催化劑過程中的一個巨大挑戰。碳氣凝膠（CA）因其相互連接的孔隙率、高表面積、優異的傳質性能和高導電性而被廣泛接受，是負載活性位點的最佳載體材料之一。在這種情況下，由 CA（Fe-Ni ANC@CA）支持的 Fe-Ni ANCs 可以實現穩定的 OER 活性，同時保持其作為 ZAB 的 ORR 和 OER 的雙功能電催化劑的 ORR 活性。
【摘要】
中國科學院上海高等研究院
Zhengxing Lv
、浙江大學
田鶴研究員
、山東大學
張進濤
/
夏海兵教授
團隊共同
通過優化熱解聚苯胺（
PANI）氣凝膠，成功地制備了
錨定在 N、S 共摻雜碳氣凝膠（Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑）上的 Fe-Ni 合金納米團簇（Fe-Ni ANCs）
。通過在單寧酸 (TA)、Fe
3+
和 Ni
2+
離子的共存下聚合苯胺單體
合成
PANI 水凝膠
，并進行
冷凍干燥。
展開 傳統車輛的出現導致全球變暖、聲音和空氣污染、特大城市的酸雨以及化石燃料資源的枯竭。然而，盡管提到了這些事實，但對客運和過境方式的需求從未減少。在替代傳統車輛內燃機的現有選擇中，電力驅動的動力總成，包括電動機和機電電池似乎是最有前途的。
電池熱管理系統分為有源 TMS、無源 TMS 和混合 TMS。被動熱管理系統，如熱管或受益于相變材料 (PCM) 的系統，可以在不消耗任何能量的情況下控制電池溫度。然而，它們的冷卻能力有限，這意味著它們的可靠性不能滿足汽車傳熱工程師的要求。另一方面，利用主動式 TMS 可以達到更大的冷卻能力，但要達到這一目的，需要消耗大量能量。此外，創建均勻的溫度分布被認為是對這些 TMS 的大膽挑戰。在混合動力電池熱管理系統中，結合了主動和被動TMS的優點，并試圖盡可能地由另一方的角色來彌補缺點，然而，當前對這種電池熱管理系統的研究很少。
02
成果掠影
近期，伊朗科技大學汽車工程學院G.R. Molaeimanesh團隊研究出一種混合動力電池熱管理系統（BTMS），基于相變材料的主動熱管理系統（TMS）和被動TMS的組合(PCM) 將電池溫度保持在合適的范圍內，同時與被動 TMS 相比具有更好的冷卻效果，并且使用比主動 TMS 更少的能量。在整個研究中，該團隊對具有三種不同冷卻管道結構和三種不同冷氣流壓力差的九個案例進行了模擬和研究。結果表明，即使在最壞的情況下，溫度的升高也是安全的、可接受的，并且對于熱管理考慮來說足夠平穩。電池的最高溫度從未超過 314 K，顯示出所提出的混合 BTMS 的完美能力。此外，人們可以注意到入口空氣越強大流或通過 PCM 體積的冷卻管道越長，電池表面溫度越低。
展開 蓋世汽車訊 在智能手機、電動汽車和儲能系統等領域，鋰離子電池得到了廣泛應用，但這種電池需要使用鈷等稀有金屬，而且易于過熱、著火甚至爆炸，使充電速度受到影響。另外，這種電池的充放電循環次數有限，給用戶增加了更換及維護成本。因此，電池創新已成為一些重要行業的發展基石。
（圖片來源：tech.eu）
據外媒報道，日本初創公司PJP Eye推出一種替代型電池，以解決這些問題。該公司首席情報官Inketsu Oina表示，使用PJP Eye的碳基技術，能夠可持續性制造和回收電池，同時提供卓越的能量密度、安全性和壽命。
PJP Eye公司開發的替代電池，使用從有機棉（或任何可以轉化為碳的有機材料）中回收的碳，取代電極中的稀有金屬。
目前，該公司已經開始量產單碳電池，其中一個電極由碳制成，另一電極由普通金屬制成。在這一改進的基礎上，與傳統電池（充電循環次數約1500次）相比，單碳電池的充電速度提高了10倍，電池循環次數超過8000次。而且，這種電池的安全性高，在正常電池達到300°C及以上的情況下，其溫度不會超過50°C。
單碳電池的缺點在于，無法為電動汽車提供足夠的功率密度和電壓。其輸出電壓為3.6V，因此不適合電動汽車或飛機等應用（通常需要4.2V），然而非常適用于電動滑板車、衛星和小型無人機等解決方案。
至于電動汽車和其他需要高電壓的應用，PJP Eye正在研究一種方法，用碳取代電池中的兩個電極，在完全去除稀有金屬的同時實現更高的電壓，即5.2V。這種電池被稱為雙碳電池，目前已完成概念驗證，尚末進入生產階段。
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全球市場新格局下，電池產業亟待加速新技術/新產品的開發管理、高效的設計/仿真一體化能力、以及更精準的碳排放/ESG碳管理等，達索系統致力于推動全球可持續發展的應用和實踐，一直以來，與電池行業先鋒客戶通過數字化手段，幫助企業實現快速發展和快速創新，共同推動電池產業成果的產業化進程。
達索系統憑借動力電池和新能源方面的專業知識及強大虛擬孿生技術，耕耘新能源行業，在電池技術的發展和應用解決方案的數字化提供諸多方案
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達索2024探索之旅第二季系列會議“達索系統賦能新電池產業鏈數字仿真一體化協同解決方案
來源 | Journal of Energy Storage
原文 | https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108322
01
背景介紹
由于不可再生資源的限制以及對環境污染和化石燃料減少的擔憂，近年來開發替代能源的努力不斷加強。
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
如今，世界正在走向工業化，最近的工業革命導致更多的汽車生產以滿足人類交通的需要。受益于內燃機的車輛消耗大量化石燃料有其優點和缺點，但可以觀察到弊大于利。傳統車輛的出現導致全球變暖、聲音和空氣污染、特大城市的酸雨以及化石燃料資源的枯竭。然而，盡管提到了這些事實
儲能系統的產生
在熱力/化工系統循環中，物質的能量在整個過程中不斷變化，且系統與外界環境發生物質或能量交換。以燃氣輪機發電系統為例，其工作過程是以氣體為工質的布雷頓循環：空氣在壓縮機中被壓縮升壓（能量次高位）；高壓空氣進入燃燒室中與燃料燃燒產生高溫高壓的燃氣（能量高位）；燃氣進入膨脹機中做功，帶動發電機發電；做功后的低溫低壓氣體排入大氣（能量低位）。
圖1 燃氣輪機
<p>本案例基于COMSOL軟件，建立了可滲透陽極空氣梓呼吸微流體燃料電池，電池由五層結構組成，從上至下分別是：CDL-多孔擴散層、CCL-催化層、MC-電解液燃料混合液主流道、ACL-可滲透陽極和AC-陽極燃料通道，幾何模型如圖1所示。該模型燃料為醋酸鈉（HCOONa）,氧化劑為空氣，電解液為KOH，燃料和電解液濃度均為 5 mL/h。仿真結果如圖2所示。</p><p><img src="https
12月3日，工信部發布《“十四五”工業綠色發展規劃》明確，加快氫能技術創新和基礎設施建設，推動氫能多元利用。
氫燃料電池汽車作為氫能利用的重要方式，近年來發展迅速。在即將到來的北京冬奧會期間，張家口賽區共將投入625輛氫燃料電池車，為賽事提供交通運輸服務保障。
氫燃料電池與鋰電池相比，具有哪些優勢？
——續航更久、更環保，在固定路線、中長途及高載重場景下更有優勢
更環保
新系統名為碳/空氣二次電池（CASB），由固體氧化物燃料和電解電芯（SOFC/ECs）構成，利用電解二氧化碳（CO2）產生的碳，與空氣氧化產生能量。通過向SOFC/ECs供應壓縮液化CO2，以構建能量儲存系統。
研究人員表示，CASB類似于電池，利用可再生能源產生的能量充電，將CO2還原為C。在隨后的放電階段，C被氧化以產生能量。
作為全球最大的汽車生產國和消費國，中國新能源汽車市場已實現從導入期向成長期轉變。中國新能源汽車市場驅動力也從單一“政策”驅動向“政策+市場”雙驅動轉變，發展模式、發展格局等均發生重大變化。
力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和——這是中國對世界的承諾。為達成“雙碳”目標，中國交通運輸領域低碳化推動新能源汽車市場化成為必然趨勢。
最新數據顯示，2021年前三季度，中國新能源汽車產銷量分別達
在眾多電池中，鋰離子電池因其環保性、高能量密度和長循環性能而成為最成熟的商用電池之一。然而，傳統石墨因其較差的容量（372 mAh g-1）而成為下一代負極開發的主要障礙。SiOx（0 < x < 2） 因其較低的成本和較弱的體積變化而受到青睞，并且具有可接受的容量（~2000
