電極材料
關注創建者：匿名 創建時間：2016-03-11
電極材料的視頻教程
Altair電池包解決方案系列研討會之EDEM電池制造工藝應用
Altair電池包解決方案系列研討會之EDEM電池制造 1.電極粉末材料建模； 2.工藝過程模擬； 3.電池輥壓分析； 4.電池膨脹分析； 5.高級分析功能。
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電極材料的實例教程
在本文中，研究者們普遍關注起材料表面和界面改性策略的最新進展，以有效地提高無機低維電極材料的電催化性能。我們總結了幾個重要的調控策略，包括：尺寸限制、結合、表面重建、界面調制和缺陷工程的，它們極大地優化了無機電極材料的自旋構型、電導率、催化活性位點暴露和反應能壘。在尺寸受限的原子級厚度下，更多的表界面原子作為活性位點暴露，這為應用表面結合和缺陷工程提供了理想的平臺，隨后產生更多的催化活性位點和更好的吸附自由能以改善催化活性。此外，調節電極材料的界面特性，例如表面應變、接觸面積和橋接鍵，可以優化電子轉移能力和反應動力學過程。另一方面，一旦暴露在氧化電位下的強堿性溶液中，電極材料的真實活性層（如過渡金屬硫化物，氮化物和磷化物）可以通過表面重建策略激活，實現獨特的核-殼結構內部具有高導電性電子傳遞通道，外部具有高活性催化位點，從而用于高效電催化?；谶@些觀點，關注無機低維電極材料，正確選擇表面和界面改性策略將有效調節其電催化活性，實現其不可限量的應用前景比如：電催化水分解、可充電金屬電池和燃料電池?？偟膩碚f，我們預計表界面調節方法可以提供對無機電極材料設計的新認識，促進電極材料的電催化性能的快速提升。
圖1. 使用表/界面調節策略設計用于可持續能源設備的無機低維電極材料的主要限制參數的示意圖。
【通過表/界面工程調節電催化反應參數】
1.1 提高電導率
在內在電性能和電催化活性之間建立明確的關系對于優質電極材料的開發具有重要意義。能帶結構、載流子濃度和遷移率是低維納米材料中固有電導率的內部決定因素。
圖2. 提高電導率。
（a）塊狀Ni3N和Ni3N納米片的狀態密度（DOS）。
展開 該項研究結果為溶液法制備大面積性能優異的柔性電極材料提供了研究思路，開創了新型儲能器件電極材料研究的一個新方向。
該研究獲得了國家自然科學基金、中科院前沿重點研究項目、山東省自然科學基金杰出青年基金的支持。（來源：青島能源所）
隨著可穿戴和可植入式電子設備的出現，以及對智能軟體機器人不斷增長的需求，學術界和工業界已將目光投向了研制開發同時具有優異力學柔性和電學特性的功能電子材料，而可拉伸電極材料是基礎關鍵。
圖1 柔性電極、柔性電子設備和軟體機器人之間關系的示意圖
文章系統比較了不同電極材料的光電性能和力學性能，并對常用電極材料的優缺點進行了評述。此外，文章還深入探討了材料的幾何形狀設計（圖2）、襯底選擇以及電極-襯底粘附力對電極拉伸性能的影響，揭示了設計制備可拉伸電極的一種通用策略，并闡釋了具有生物相容性的可拉伸電極在人體（圖3）和新型智能仿生電子產品（圖4和圖5）中的應用。
圖2 可拉伸電極的幾何形狀與剪紙結構設計
圖3 柔性電子器件在人體上的應用
圖4 多功能電子皮膚的特性示例
圖5 柔性電極在電驅動軟體驅動器的應用示例
文章最后指出，雖然柔性電子領域取得了很多令人鼓舞的進展，但依然面臨著巨大的挑戰。同時集成了物理、化學和電生理信號測試傳感功能的可穿戴綜合醫療健康監測系統，可以為人們提供一個更加全面的個人生理健康狀態圖像，是未來醫療健康領域發展的方向。此外，將具有不同功能的柔性電子元件（包括傳感、驅動、數據傳輸和分析、能源，以及能量收集轉化系統等）集成于一體的智能柔性電子系統能夠對內部和外部信號進行實時感應和動態反饋，是智能制造領域的熱點研究方向之一。隨著柔性電子和人工智能時代的到來，可拉伸電極和電子元件與生物體的有機集成，以及開發具有柔性幾何結構設計和實時自主感應反饋的全軟體機器人，將成為越來越重要的跨學科領域。
文獻鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.20180592
（Adv. Funct.
展開 電極材料在嵌/脫鋰過程中伴隨著體積的膨脹/收縮。這種體積效應往往會導致材料破碎失效。因此，電極材料在充放電循環過程中的結構穩定性，對電池的容量、倍率以及循環壽命等性能有著至關重要的影響。
基于二氧化硅（SiO2）作為填料可以提高復合材料機械性能這一現象，西安交通大學電氣學院牛春明千人團隊王紅康老師課題組設計并成功制備了一種SiO2增強的多孔Sb/C纖維復合材料。
利用靜電紡絲法將硅源（硅酸乙酯）、銻源（三氯化銻）和碳源（聚乙烯吡咯烷酮）制備成纖維結構，再通過熱處理一步形成了多孔碳纖維包覆SiO2和Sb納米顆粒的獨特結構。
SiO2的引入大大增強了纖維的整體結構穩定性。作為鋰離子電池負極材料，所得SiO2/Sb/C多孔纖維電極在半電池和全電池測試中均顯示了優異的電化學性能。碳纖維不但提高了電極材料的導電性，而且其多孔結構有效消納了SiO2和Sb在嵌/脫鋰過程中體積變化。
通過原位和非原位電鏡表征，進一步揭示了該材料在嵌/脫鋰過程中的結構穩定性。該工作提出的電極材料結構增強思路，即利用SiO2增強效應（Silica-Reinforcement Effect）同步實現了電極結構穩定性和儲鋰性能的雙提升，且該方法具有通用性（Materials Today Energy 2016, 1–2, 24-32；Nanoscale 2016, 8, 7595-7603）。
展開 【引言】
FeS2成本低廉，儲量豐富，理論容量可以達到894 mAh.g-1，是高能量密度二次鋰離子電池的候選材料。但是FeS2及其放電產物的電導率較低，而且伴隨FeS2的轉換反應出現嚴重的體積變化以及多硫化物的溶解，導致FeS2容量迅速衰減。納米化可以減小充放電過程中材料的體積變化，提高參與儲鋰反應的活性物質比例。盡管如此，納米結構會加劇材料相間不利的反應，同時造成體系體積能密度降低，與高能量密度電池的設計要求相差甚遠。與之相比，微米級FeS2粒子作為鋰離子電池的活性材料更具有實用性。然而，微米級FeS2電極材料研究開發面臨著以下重要的挑戰：體積膨脹嚴重、Li+擴散條件差、以及有效活性物質比例低。
【成果簡介】
北京科技大學連芳教授研究團隊采用溶劑熱法一步制備了同時具有CNT外部保護殼層和內部連續導電網絡的FeS2/CNT微米材料(FeS2@B-CNTs)。CNT纏繞交織形成的外殼作為強大的機械緩沖層和多硫化物吸附器，保證了電極材料超長循環周期的電化學活性。此外，從表面到內部的連續CNTs網絡縮短了離子和電子的輸運路徑，增強了鋰離子的擴散性能，參與儲鋰反應的活性物質比例顯著提高。FeS2@B-CNTs電極的首次庫侖效率高達91.3%，在1000 mA.g-1電流密度下循環500圈后仍具有698 mAh.g-1的容量。同時，此項研究為長循環壽命、高能量密度的過渡金屬硫化物電極材料的設計和制備提供了技術方案。
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它們類似于平行板電容器，其中金屬板（電極）由絕緣材料（介電）隔開。這類電容器具有較高的單位面積電容，因此得到了廣泛應用。為了進一步提高電容值，MIM電容器通常由三塊板構成，其中兩層是標準制造工藝的金屬層（通常是最上層），中間是一個特殊金屬層。這種獨特的布局使MIM電容器能夠實現更高的電容密度，同時保持絕緣介電材料的穩定性能和低漏電優勢。
它們類似于平行板電容器，其中金屬板（電極）由絕緣材料（介電）隔開。這類電容器具有較高的單位面積電容，因此得到了廣泛應用。為了進一步提高電容值，MIM電容器通常由三塊板構成，其中兩層是標準制造工藝的金屬層（通常是最上層），中間是一個特殊金屬層。這種獨特的布局使MIM電容器能夠實現更高的電容密度，同時保持絕緣介電材料的穩定性能和低漏電優勢。
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電極材料與幾何：通常采用耐高壓的金屬或合金電極，電極間距、傾角可根據 UL?2597 規定調節。
滴液量與高度：可調節的滴液系統，滴液高度約?30?-?40?mm，滴速約?30?s/滴。
適用范圍：汽車、軌道交通、航空等高壓/高功率電氣系統的絕緣材料和部件。
本案例從CT掃描微觀粒子斷層數據中，重建起來三維模型，計算氧氣電化學反應，橫向對比不同形態微觀粒子的反應強度分布。
通過對微觀粒子重建、分析，可以有效評估該粒子的多種性能表現，輔助研究人員快速發現和優化所需的粒子體系。
歡迎交流。
參會者親自參與了基于ARC絕熱加速量熱儀的電池熱安全測量實驗，DSC實驗中電極材料活性物質剝離以及利用差示掃描量熱儀對電極材料進行熱特性測量的實際操作，揭示電池的熱失控機制，并表征放熱反應。基于不同升溫速率下的 DSC 結果，采用 Kissinger 方法和非線性擬合方法確定各放熱反應的動力學參數。通過實際案例演示與操作講解，系統掌握了熱失控建模與仿真分析的關鍵步驟與技巧。
圖1 熱光調制光開關基本幾何模型
其中加熱電極為鋁電極，具體配置的材料參數圖示如下圖2所示：
圖2鋁電極材料設置參數
其中參數WA,PxA均為參數變量，可自行設定控制波導所在位置。由于熱光調制效應需要涉及到物理場熱光效應模塊，因此對于波導、鋁電極材料分別進行相應材料參數設定。
該過程的性質受保護氣體環境的成分、電流、電弧電壓、電極絲的材料和直徑等因素的影響。根據這些條件，熔化材料以短脈沖進入熔池。通過填充焊絲，最佳數量的合金元素和脫氧劑進入熔池，從而確保良好的連接。交流電模式允許您在焊接周期內自動切換電流的極性。結果，在循環開始時，氧化膜被破壞，在下一個循環中，實現了鋁的深度和致密熔合。設置電流的極性和平衡允許您調整清潔區域和穿透深度。
鋰電池充放電過程并非純可逆過程，其電極材料在每次充放電過程中都會受到不可逆的損傷 ，電池有效容量出現衰退。
按照新能源汽車國家標準，電池容量衰減至額定容量的80%以下時就將面臨退役。
電池健康狀態（State of Health，SOH）是衡量電池是否老化的重要指標，其定義為電池當前實際容量與額定容量的比值。
例如，電池電芯的制造需要精確控制電極材料的比例、涂布厚度、壓實密度等參數。在電池組裝環節，焊接溫度、焊接時間、焊接壓力等參數對電池的性能和安全性至關重要。眾多的過程參數不僅增加了生產管理的難度，也使得質量控制變得更加復雜。一旦某個參數出現偏差，可能會對整個產品的性能和質量產生重大影響。
