硅光电池特性实验装置

本期预览 本文利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对锂金属负极固态电池进行绝热热失控实验，评估该电芯的热稳定性和热失控危害。前言随着电动汽车的大规模发展，现有锂离子电池体系已不能满足日益增长的续航里程需求，亟须发展更高能量密度的电池体系。在众多的电池材料体系中，层状过渡金属氧化物-石墨负极体系的理论能量密度极限约为300Wh/kg。将纯石墨负极替代为硅基合金，则能量密度理论上限可提升至约400Wh/kg。而金属锂负极具有最低的电位和最高的理论比容量，被认为是电池负极材料的终极选择，锂金属电池能量密度的理论上限可达500Wh/kg以上。然而锂金属负极在传统液态电池体系中难以实现，金属锂和电解液界面副反应多，且负极容易产生锂枝晶，不满足电池循环寿命和安全性要求。将液态电池的电解液与隔膜替换成固态电解质所组成的全固态电池，被认为是解决锂金属负极应用的有效途径。固态电解质稳定性高、不挥发、不泄漏，并对金属锂具有良好的兼容性，因此锂金属全固态电池有望在实现高能量密度的同时解决锂电池本质安全问题，并且还具有成组效率高和模组结构简单等优势，因此中国在国家层面已明确提出了对固态电池的研发和产业化进程要求。图1 液态和全固态锂离子电池结构差异虽然目前固态电池仍然处于商业化早期阶段，但国内许多厂商的产品已接近量产状态。本文利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对某厂商提供的锂金属固态电池样品进行绝热热失控实验，以评估固态电池的安全性。实验部分1. 样品准备电池样品: 锂金属全固态锂电池(20Ah)，满电。2. 实验条件实验仪器：BAC-420A大型电池绝热量热仪、电池充放电设备；实验模式：HWS-R模式、温差基线模式；记录频率：1~100Hz；自放热检测阈值：0.02℃/min；热电偶固定位置：电池大面中心点（样品热电偶）、正负极耳。实验结果1. 绝热热失控曲线图2 锂电池热失控温升曲线及温升速率-温度曲线锂金属固态电池的绝热热失控曲线如图2所示，可以发现该电芯的热稳定性与常规的液态高镍三元电芯类似，但热失控剧烈程度明显更高。锂金属固态电池的热失控过程表现出如下的特征：1. 自放热起始温度Tonset低：Tonset温度为74.42℃，与常规三元电芯相当甚至略低。通常认为固态电解质与正负极界面的热力学稳定性要优于液态电池内的SEI膜，因此固态电池的Tonset温度理应较高。上述现象有待明确电池体系后进行进一步探究。2. 热失控起始温度接近锂金属熔点：热失控起始温度TTR约为180℃，该温度下锂金属负极熔化，电解质与熔融锂金属发生界面反应，产生的氧气会诱发锂金属发生剧烈氧化反应，导致热失控发生[1]。根据图2b，到达TTR之前电芯升温速率出现明显下降，与负极熔化过程相对应。3. 热失控剧烈程度显著高于液态电池：该电芯的热失控最高温度Tmax无法有效测定。这是由于热失控瞬间，用于温度采样的N型热电偶迅速发生熔断。考虑到采用的N型热电偶的熔点为1330℃，因此该电芯的Tmax明显超过三元9系液态电池的数值（1100-1200℃）。针对该电芯的检测需求，后续需更换熔点更高的铂基热电偶。同时，估算该电芯热失控瞬间的温升速率达到50000℃/min以上，超过目前已知的所有液态锂电池。图3 样品锂电池热失控过程监控视频另外，从热失控瞬间的监控画面可以看到，该固态电池的热失控爆燃持续时间短，爆炸冲击威力大。随着能量密度的提高，电芯热失控能量释放速率也显著增大。实验结论本次实验利用BAC-420A大型电池绝热量热仪对某型号的锂金属负极固态电池进行了绝热热失控特性评估，相关实验数据表明该电芯的热稳定性与液态高镍三元电芯相当甚至略低，同时热失控剧烈程度明显高于已知液态电池，因此针对该电芯应制定更为严苛的热管理策略。引用文献[1] Vishnugopi B S , Hasan M T , Zhou H , et al. Interphases and Electrode Crosstalk Dictate the Thermal Stability of Solid-State Batteries[J]. 2022..

近日，广东省计量院承担的原省质监局科技计划项目《光栅尺静动态特性研究及动态检测装置研制》顺利通过省市场监督管理局组织的专家组验收。 　　《光栅尺静动态特性研究及动态检测装置研制》项目由广东省计量院计量科研部牵头完成。该项目针对现有光栅尺检测装置静态校准检测方法不能满足光栅尺运行速度、加速度等实际工况运行需求，研制了一套基于精密气浮导轨的光栅尺静动态误差检测装置，可模拟光栅尺不同的运行速度、加速度工况，研究了几何参数、运行速度、加速度等因素对光栅尺测量精度的影响。项目获授权发明专利、实用新型专利各1件，发表科技论文2篇。项目产品经第三方机构校准，主要技术指标满足任务书(合同)要求。 　　目前，该项目成果已应用于广东光栅数显技术有限公司、苏州必力信光电有限公司等光栅设备生产、经销企业，使用效果良好，获得较好评价。

-快速检测微小电极 充实SCI系列产品线， 　　支持高可靠性太阳能电池生产 - 电极检测装置「SCI-8P」 　　近日，日本岛津制作所推出电极检测装置「SCI-8P」，该装置用于晶体硅型太阳能电池生产的电极印刷工艺中。 　　本产品配备卓越的高分辨率摄像系统，可用于微小电极的检测。并且，1台装置同时实现了电极检测和晶片外观检测，快速检测水平领先该行业。 　　【开发背景】 　　随着人们对绿色能源的关注度越来越高以及可再生能源购买制度的启动，太阳能电池的需要持续扩大。另一方面，太阳能电池的价格与质量竞争日趋激烈。为在提高生产效率的同时严格质量管理，用户要求目前在太阳能电池生产过程中主要以人工为主的检测尽快实现自动化。 　　本公司于今年3月推出了两款太阳能电池检测装置，分别是1台装置可同时检测微裂纹和晶片外观的复合检测装置「SCI-8SM」，行业内最小尺寸的外观检测装置「SCI-8S」，大获日本、中国大陆?台湾等国家与地区的用户的好评。此次推出的电极检测装置「SCI-8P」是SCI系列产品线的新成员，有助于提高产量和发电效率，支持高可靠性的太阳能电池生产。 　　关于岛津 　　岛津企业管理(中国)有限公司是(株)岛津制作所为扩大中国事业的规模，于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司。 　　目前，岛津企业管理(中国)有限公司在中国全境拥有13个分公司，事业规模正在不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心 覆盖全国30个省的销售代理商网络 60多个技术服务站，构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。 　　岛津作为全球化的生产基地，已构筑起了不仅面向中国客户，同时也面向全世界的产品生产、供应体系，并力图构建起一个符合中国市场要求的产品生产体制。 以&ldquo 为了人类和地球的健康&rdquo 为目标，岛津人将始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务。 　　更多信息请关注岛津公司网站www.shimadzu.com.cn/an/ 。

锂离子电池被广泛应用于手机以及笔记本电脑等家用电器中。今后，作为交通工具的飞机、混合动力车（HV）以及电动车（EV）等对锂离子电池的需求也将显著增加，为此，锂离子电池需要具备更高的功率、效率，以及更长的使用寿命、更高的安全性。锂离子电池由阳极、阴极、电解液、分离器等部分组成，为提高性能，需要使用仪器对每个组成部分以及整个电池进行详细的特性评价和解析。本文向您介绍使用热分析法对锂离子电池进行热特性评价的示例。岛津热分析仪60系列 了解详情，敬请点击《电池材料的热特性评价分析》 关于岛津岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司，在中国全境拥有13个分公司，事业规模不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心，并拥有覆盖全国30个省的销售代理商网络以及60多个技术服务站，已构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。本公司以“为了人类和地球的健康”为经营理念，始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务，为中国社会的进步贡献力量。更多信息请关注岛津公司网站www.shimadzu.com.cn/an/。岛津官方微博地址http://weibo.com/chinashimadzu。岛津微信平台

燃料电池（Fuel Cell）市场前景 为缓解世界性能源危机的加剧，减少传统能源对环境造成的污染；有序推进碳中和的各项任务目标，不断深化能源结构优化，提高能源开发整体效益成为摆在我国科研工作人员及新能源产业开发从业者面前的重要课题。 燃料电池（Fuel Cell）是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。 燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术[1]。 作为一种新的高能量密度、高能量转化率、环保型的电源装置受到全世界的广泛关注，并具有广阔的应用前景。 一、质子交换膜燃料电池目前，燃料电池主要被分为六类[2]。碱性燃料电池(AFC，Alkaline Fuel Cell)、磷酸盐燃料电池(PAFC，Phosphorous Acid Fuel)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell)、固体氧化物燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)、质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)和直接甲醇燃料电池(DMFC，Direct Methanol Fuel Cell)。采用聚合物质子交换膜作电解质的PEMFC，与其它几种类型燃料电池相比，具有工作温度低、启动速度快、模块式安装和操作方便等优点，被认为是电动车、潜艇、各种可移动电源、供电电网和固定电源等的最佳替代电源[3]。如图1所示，膜电极（membrance-electrode assembly, MEA）是由质子交换膜、催化层与扩散层 3 个部分组成，是质子交换膜燃料电池 (PEMFC)电化学反应的主要场所，也是决定质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 的成本、性能和耐久性的核心关键部件。 二、质子交换膜燃料电池的催化剂浆料分析 催化剂浆料涂布是膜电极生产的关键步骤之一，要求催化层涂敷均匀，同时尽量减少铂含量以降低成本，因此必须对浆料进行严格的质量控制。 催化剂浆料的颗粒粒度和分散性能会影响浆料粘度、聚合物电解质的分布和形态、催化剂的利用率、催化剂和聚合物电解质的相互作用以及催化层的均匀性和连续性等重要参数，最终影响膜电极的电化学性能[4]。 如图 2 所示，常见的活性催化剂为铂基纳米颗粒，最佳粒度范围为 2～5nm，但这些纳米颗粒不是独立存在的，而是分散在碳载体颗粒上。单个碳载体颗粒的粒度范围为 20～40nm，在浆料中碳载体通常以团聚体的形式存在，粒度在亚微米至微米范围。聚合物电解质分散成不同形态（棒状或线团）、粒度在 70 nm～2.5 µm 之间的团聚体，与碳载催化剂混合形成催化剂浆料。催化剂和聚合物电解质分散在特定的溶剂中，需要控制团聚物的粒度，优化催化剂和电解质导体团聚物的相互作用。 对于聚合物电解质团聚体，粒度在200～400 nm范围有利于提高氢气/空气的反应性能。碳载体催化剂会出现未充分分散或过度分散的情况[5]。 在未充分分散时，碳载体是高度团聚的；离子交联聚合物只覆盖在团聚物外部，内部的铂催化剂无法与电解质充分接触，因此利用率不高。 过度分散时，团聚物破裂，铂催化剂颗粒与碳载体分离，影响其在氧化还原反应中的活性。 理想的分散状态是形成由碳载体催化剂组成的小团聚体，电解质聚合物在这些团聚体上均匀分布，能够提高催化剂的利用率[6]。 粒度是催化剂浆料的关键性指标，但浆料由不同尺度的颗粒混合物组成，要准确测量浆料的粒度有一定的难度，目前还没有一种技术可以全面表征所有颗粒的粒度。 X 射线衍射 (XRD)、激光衍射 (LD) 和动态光散射 (DLS) 是三种常用的材料表征技术，用于表征不同尺度的颗粒，结合三种技术能够全面表征催化剂浆料中的颗粒特性。 三、马尔文帕纳科解决方案 —— X 射线衍射技术X 射线衍射 (XRD) 通常用于确定小于 100 nm 的纳米晶粒尺寸。快速测量单个衍射峰（1～3 分钟），足以利用峰宽的 Scherrer 分析来计算晶粒尺寸。另外，如果测量多个衍射峰（20 分钟以上），则可采用全谱拟合技术，更精确地计算晶粒尺寸和点阵参数。图 3 显示了使用 Aeris 台式 X 射线衍射仪收集的 X 射线衍射数据，样品是分散在三种不同碳载体颗粒上的催化 Pt 粉末。 如表 1 所示，分散在 Ketjenblack EC-300J 碳黑上的 Pt 的平均晶粒尺寸比分散在 Vulcan XC72 碳或 Vulcan XC72R 碳上的 Pt 略小。晶粒尺寸的变化会改变催化活性和耐用性。全谱拟合分析还表明，EC-300J 上分散的 Pt 比 Vulcan XC72 或 Vulcan XC72R 上的 Pt 的点阵参数更大。该点阵参数也大于已公布的 Pt 的参考值3.9231 Å。[6]较大的点阵参7数可能表明表面引起了点阵应变或合金杂质可能改变催化活性。 XRD 可以分析分散体、固体碎片以及粉末。例如，碳载体 Pt 催化剂纳米颗粒可以在粉末分散到浆料中后和浆料印刷并固化在膜片或气体扩散层上后进行测量。图 4 显示了 40% Pt 在 Vulcan XC72 碳上的 XRD 数据，这些碳可作为粉末、浆料和催化剂涂覆膜 (CCM) 上的固化电极层。在所有情况下，Pt 衍射峰均可通过其他成分中解析出纳米粒尺寸计算，如表 2 所总结。 如图4所示，浆料和催化剂涂覆膜（CCM）样品与粉末样品相比，铂衍射峰变窄，说明这两中样品的铂晶粒尺寸变大。铂催化剂的这种粗化现象可能表明，在溶剂中的碳载体催化剂粉分散过程中，浆料变得过热。因此，在超声处理过程中，通常使用 5℃ 的水浴对浆料进行冷却。[8]在加工过程中，晶粒尺寸的变化（如颗粒粗化），会影响催化剂活性。 四、马尔文帕纳科解决方案—— 激光衍射技术激光衍射技术 (LD)是测量颗粒粒度分布的常用分析方法，粒度范围从十几纳米到几个毫米。动态范围宽，非常适合分析催化剂浆料的粒度分布。激光衍射法操作简便，测试速度快，通常不到1分钟，也非常适合生产过程控制。此外，激光衍射技术还可以研究工艺条件变化对浆料粒度分布的影响。 图 5 是使用 Mastersizer 3000 激光粒度仪对稀释后的催化剂浆料重复5次的粒度测试结果。该浆料中颗粒的粒度呈双峰分布，峰值在1 µm左右的颗粒占最大体积分数，20nm左右的颗粒体积分数占比较小。如表 3 所示，该浆料的粒度分布结果相对标准偏差（RSD）10 µm) 存在，这说明还需要增加剪切或者使用更高能量的分散方法进一步分散，才能达到合格的催化剂浆料要求。 五、马尔文帕纳科解决方案 —— 动态光散射技术 与激光衍射法相比，动态光散射 (DLS) 更适合于测量纳米级颗粒的平均粒度，范围从1 nm 至 1 µm。 将催化剂浆料以 1:10 比例分散在异丙醇（IPA）中，用Zetasizer Ultra纳米粒度仪测量催化浆料的平均粒度。稀释后的浆料仍然是高度不透明的，采用非侵入背散射 (NIBS)技术进行测量，重复测量5次。如图 7 所示，尽管浆料不透明，5次测量的相关曲线的一致性很好。图 8 是催化剂浆料的粒度分布图。如表 4所示，体积平均粒度为 1.04 µm，多分散指数也比较大(0.1)说明浆料的粒度分布宽，与激光衍射法的结果吻合。动态光散射技术（DLS）主要是检测颗粒的布朗运动产生的散射光光强波动，颗粒的散射光强与粒径的 6 次方成正比，大颗粒的信号很容易掩盖小颗粒的信号，因此动态光散射法（DLS）没有观察到激光衍射法测得的小颗粒。 动态光散射技术还可用于测量催化剂浆料的 Zeta 电位，研究电解质聚合物与碳载催化剂之间的相互作用，确定电解质聚合物在催化剂上的均匀分布。Zeta电位与浆料的离子浓度有关，可以通过对碳载体颗粒功能化改性或者改变电解质聚合物浓度来调节。通常来讲，特别是在介电常数较高的分散介质（如甲醇）中，Zeta 电位越高，浆料的稳定性越好。Zeta 电位分析还可以用于优化配方，改进浆料的稳定性。事实上，已经有研究报道可以通过模型根据初级颗粒的粒度和体系的Zeta 电位来预测催化剂浆料稳定[9]。 六、结论 通过X射线衍射技术发现，浆料和阴极催化剂涂覆膜中的晶粒尺寸比催化剂粉末大。这种颗粒粗化现象通常是由于浆料在分散过程中过热引起的。激光衍射法检测到在20 nm附近有大量初级颗粒，说明催化剂浆料出现了过度分散的现象。 联合使用激光衍射、X射线衍射和动态光散射技术，可以从不同尺度表征催化剂浆料，优化和监测催化浆料配方和稳定性。使用 Mastersizer 3000 激光粒度仪测量催化剂浆料的粒度分布，可评估临界颗粒分散的有效性。使用 Zetasizer 纳米粒度及Zeta电位仪进行 Zeta 电位测量，可研究聚合物电解质和碳载催化剂的相互作用，预测浆料稳定性。使用 Aeris 台式 X 射线衍射仪，可以测量纳米催化剂的晶粒尺寸，验证防止纳米颗粒粗化的方法的有效性。 参考文献[1] 陈光. 新材料概论：科学出版社，2003年[2] Kamaruzzaman.Sopian ，Wan Ramli Wan Daud.Challenges and Future Developments in Proton Exchange Membrane Fuel Cells [J].Renewable.Energy.2006，31(5):719~727[3] 胡嫦娥，刘琼，周敏. 质子交换膜燃料电池的研究现状. 新能源网. 2016.[4] D. Papageorgopoulos, US Dept. of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program Report, FY 2018 Annual Progress Report[5] Orfanidi et al,J. Electrochem. Soc.165 (2018) F1254[6] Wang et al, ACS Appl. Energy Mater. (2019) DOI: 10.1021/acsaem.9b01037[7] Swanson Natl. Bur. Stand. (U.S.) Circ. (1953) 539 1 31[8] Sharma et al, Materials chemistry and Physics 226 (2019) 66-72[9] Shukla et al, J. Electrochem. Soc.164 (2017) F600-F609 关于马尔文帕纳科马尔文帕纳科的使命是通过对材料进行化学、物性和结构分析，打造出更胜一筹的客户导向型创新解决方案和服务，从而提高效率和产生可观的经济效益。通过利用包括人工智能和预测分析在内的最近技术发展，我们能够逐步实现这一目标。这将让各个行业和组织的科学家和工程师可解决一系列难题，如最大程度地提高生产率、开发更高质量的产品，并缩短产品上市时间。

随着家用及类似场所用过电流保护断路器应用范围不断扩大,对此类断路器的性能要求也越来越严格，GB10963.1-2005《电气附件 家用及类似场所用过电流保护断路器 第1部分：用于交流的断路器》标准的要求，对家用及类似场所用过电流保护断路器产品的耐热性、耐异常发热和耐燃、温升试验及功耗测量、脱扣特性、运行短路能力等检验项目提出了较为严格的要求；每一年国家市场监督管理总局对家用及类似场所用过电流保护断路器产品质量国家监督抽查结果总会有很多企业的产品是不符合标准的规定。Delta德尔塔仪器针对GB10963.1-2005标准中28天（昼夜）试验专门设计研发了相应的28昼夜试验装置,通过实际试验验证断路器长期工作的可靠性。 2020年底，Delta德尔塔仪器接到天津电气科学研究院有限公司(原天津电气传动设计研究所)委托非标定制一款“断路器28昼夜及温升特性试验装置”，天津电传所老师对设备提出的要求如下，设备定制生产周期要求两个月内完成。本项目设备已经于2021年3月份顺利验收结束。 （Delta德尔塔仪器交付天津电传所&28昼夜及温升特性试验台） 1、设备概述： 1.1、总说明 本“采购技术要求”所要求采购的 28 周期试验装置用于“天津电气科学研究院有限公司低压元器件直流短路、交直流寿试验能力提升项目”。该设备以满足相关工程的试验能力为准，设备供应商为此可以进行必要的优化与性能提升，故最终技术数据以最终实际协商一致的数据为准。1.2 、供货范围： 本“采购技术要求”所要求的供货及服务范围包括：28周期试验装置的设计和制造与检验、运输、现场安装以及其他必要的售后服务和培训等。1.3、运行条件：海拔高度：≤1000m；环境温度：－10℃～＋45℃；z大日温差：≤25℃；日相对湿度平均值：≤95%；安装地点：户内；一般情况下仅有非导电性污染，必须考虑到凝露和潮湿引起的绝缘下降。2、性能要求：2.1、功能用途 依据国家标准GB10963.1中9.9款，对MCB进行28 天试验、断路器1.13~1.45倍延时脱扣试验，也适用于GB16916.1第9.22.1.5中1.25倍脱扣电流试验。兼顾产品做200A 以下的温升试验，环境温度、湿度本设备不包含。 2.2、技术标准： 本项目设备的设计、制造、试验等遵循以下标准，但不限于此，且下列相应标准号的标准在合同签订时有更新版本发布时，应满足该更新标准要求。（1）GB10963.1-2005 电气附件 家用及类似场所用过电流断路器 第 yi 部分：用于交流的断路器；（2）GB 10963.2-2008 家用及类似场所用过电流保护断路器第 2 部分:用于交流和直流的断路器；（3）GB16917.1-2014 家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO)第 1 部分:一般规则；（4）GB14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第 2 部分:断路器。 3 、主要设备（部件）技术要求： 3.1 、电源构成： 本装置为三相电源，也可以作为 3 个单相回路进行检测。 3.2、关于输出电压的要求： 标准要求：电路的开路电压至少为 30V，分辨率不低于 0.1V。电源具备电容补偿， 以减少对实验室电源的容量要求。测试电流：0～200A 可长期连续工作，分辨率 0.1A。电流波形：正弦波。3.3、其他要求： 装置应配备稳流功能，配备 9 个工位的续流功能（即可同时进行 9 只 3 相试品的串联试验）。续流要求时间在 1～2s 内实现，并能防止续流后瞬间的电流过冲。装置应具备触摸屏或液晶显示器等元件用于电流显示和设定。标准规定在z后一个周期后需要将电流升到 1.45In，因此要求能够实现至少 2 段电流和时间设定，用于实现断路器特性检测 2 种电流的转换功能。2 个电流转换之间的时间应保证“5s 内稳定的从第yi个电流稳定的升到第二个电流”。3.4 、温升测量记录测试通道：54 通道；设备能带电测量：测量范围：0-200℃；温度传感器：镍铬—镍硅热电偶测量精度：0.2 级；温度曲线显示：具有温度数值以及曲线显示记录；系统应带记录温升的功能，在z后一个流过电流期间，应测量接线端子的温升。 3.5、安全配置：漏电保护，短路保护，过流保护，运行指示，试验结束指示，故障报警自动停机。 3.6 、其他要求 具有基于 Modbus RTU 或 Modbus TCP 通讯协议，可组成计算机控制的智能型设备。 4、安装与调试 在设备安装完毕后，需要根据相关设计文件和订货设备的技术资料，进行调试工作。调试前需确认技术资料完整、有效，与系统及设备实物状况一致，对备进行检查以及完好性和功能验证，也包括参数整定等。 天津电气科学研究院有限公司（原天津电气传动设计研究所）是原国家机械工业部直属研究所，现为中国机械工业集团有限公司所属科技型企业，主要从事电气传动自动化系统工程、中小型水力发电设备成套、低压电控配电装置和新能源电控设备的科研开发、生产制造和检测认证。自1954年8月成立以来，荣获了150余项省部级以上科技奖励，取得了近千项科技成果，承接了万余项国内外工程项目，见证了国家冶金、矿山、交通、国防、电力、石化等国民经济支柱行业的技术进步和产业发展。天津电传所是国家ji"国家电控配电设备产品质量监督检测中心"和部属 "中小型水力发电设备产品质量监督检测中心"的挂靠单位，所拥有的先进检测手段多年来承担着行业产品的试验、检验和认证任务，特别是低压配电产品强制性安全（3C）认证工作。依托于该所的"电气传动国家工程研究中心"拥有电气传动及自动化工程化系统和产业化产品的各类实验室，为国家电气传动工程化研究开发与工程化验证能力以及产业化开发提供了优越的科研条件，大大提高了国家电气传动及自动化行业的技术水平和装备水平。 Delta德尔塔仪器专业致力于为3C低压电器企业提供符合IEC 60898-1:2015+A1:2019 电气附件.家用和类似设施用的过电流保护断路器.第yi部分:交流操作断路器 《Electrical accessories - Circuit-breakers for overcurrent protection for household and similar installations - Part 1: Circuit-breakers for a.c. operation》、GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第yi部分：总则》、GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备 第yi部分：断路器》、GB10963.1-2005《电气附件-家用及类似场所用过电流保护 断路器 第yi部分：用于交流的断路器》、GB 10963.2-2008 《家用及类似场所用过电流保护断路器第 2 部分:用于交流和直流的断路器》、GB 16917.1-2014 《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCBO）第yi部分 一般规则》、IEC60947-1:2011《Low-votage switchgear and controlgear Part1:General rules》、IEC60947-2:2006《Low-votage switchgear and controlgear Part1:Circuit breakers》等标准的检测设备。 Delta德尔塔仪器为3C低压电器实验室提供以下项目的专业检测设备：低压断路器——检验项目及设备低压开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器 ——检验项目及设备一般工作特性额定运行短路分断能力额定极限短路分断能力额定短时耐受电流带熔断器的断路器的性能综合试验耐湿热性能试验附录B剩余电流保护断路器附加试验附录C用于相地系统中的断路器附加试验附录F电子过电流保护断路器附加试验附录H用于IT系统中的断路器附加试验温升介电性能泄漏电流额定接通和分断能力操动器机构的强度操作性能额定短时耐受电流额定短路接通能力熔断器保护的短路耐受能力熔断器保护的短路接通能力耐湿热性能抗非正常热和着火危险过载试验接线端子机械性能电磁兼容(EMC)(如适用)低压机电式接触器和电动机起动器——检验项目及设备机电式控制电路电器——检验项目及设备耐湿性能耐非正常热和着火危险温升动作条件及动作范围介电性能额定接通和分断能力外壳防护等级(如适用)接线端子的机械性能接触器耐受过载电流能力约定操作性能短路条件下的性能电磁兼容(EMC)(如适用)辅助触头的通断能力和额定限制短路电流(如适用)保护功能报警功能控制功能(验证面板控制功能)热记忆功能故障记忆功能(验证面板显示)一般工作特性额定运行短路分断能力额定极限短路分断能力额定短时耐受电流带熔断器的断路器的性能综合试验耐湿热性能试验附录B剩余电流保护断路器附加试验附录C用于相地系统中的断路器附加试验附录F电子过电流保护断路器附加试验附录H用于IT系统中的断路器附加试验交流半导体电动机控制器和起动器——检验项目及设备控制和保护开关电器(设备)——检验项目及设备介电性能温升极限操作性能动作和动作范围混合式电器中串联的机械开关电器的接通和分断能力及约定操作性能短路条件下的性能接线端子的机械性能带外壳的控制器和起动器防护等级EMC的试验耐湿性能动作范围温升介电性能操作性能短路条件下的性能接通和分断能力电磁兼容性耐湿性能抗非正常热和着火危险外壳防护等级接近开关——检验项目及设备自动转换开关电器——检验项目及设备标志温升介电性能正常条件和非正常条件下开关元件的接通和分断能力限制短路电流性能结构要求防护等级动作距离操作频率电磁兼容性冲击耐受能力振动耐受能力耐湿性能抗非正常热和着火危险附录BII级封装绝缘的接近开关的附加试验具有整体连接电缆的接近开关的附加试验结构要求操作操作控制、程序及范围温升介电性能接通和分断能力操作性能能力短路接通能力短路分断能力短时耐受电流限制短路电流EMC耐湿性能抗非正常热和着火危险外壳防护等级设备用断路器 ——检验项目及设备家用及类似用途机电式接触器 ——检验项目及设备标志检查一般规则检查、机构检查电气间隙和爬电距离标志耐久性螺钉、载流部件及其连接的可靠性，连接外部导体的接线端子的可靠性防触电保护耐热耐异常发热和耐燃防锈介电性能温升28昼夜试验耐漏电起痕脱扣特性额定电流下的性能额定通断能力下的性能在规定的过电流条件下的性能限制短路电流能力温升试验动作与动作范围额定接通和分断能力介电性能约定操作性能耐湿性能过载电流耐受能力抗锈性能标志耐久性耐撞击性能检验电气间隙和爬电距离接线端子的机械性能安装、维修用螺钉和螺母性能验证耐热性能抗非正常热和着火危险试验耐漏电起痕耐老化性能外壳防护等级短路条件下的性能

可再生能源和绿色能源是驱动未来经济发展的动力。作为重要的可持续能源技术之一，太阳能电池将成为主要能源以满足全球对能源的需求。在各类太阳能电池中，染料太阳能电池以其较高的性价比而得到了广泛应用。 　　传统的染料太阳能电池利用纳米颗粒和纳米线来提高其光电转换效率。然而这些都是基于二维的平面结构，从而限制了此类光电池效率的进一步提高。美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)王中林教授领导的研究小组研制开发出纳米和光纤技术相结合的三维染料太阳能电池。其独特的三维结构大大提高了同类太阳能电池的光电转换效率。这一最新成果近期发表在德国《应用化学》(Angewandte Chemie) 上。 　　王中林教授，魏亚光博士和研究生本杰明温超布将太阳能电池结构和光纤技术结合在一起，利用纳米结构实现了三维光电池的设计。光纤和纳米线混合结构的三维染料太阳能电池主体结构包括光纤和垂直生长于光纤表面的氧化锌纳米线阵列(如图所示)。太阳光从光纤一端延轴向入射并传播。三维太阳能电池的核心设计思想在于入射光在光纤内传播过程中多次反射。每一次反射过程中，入射光会通过氧化锌纳米线与其表面附着的染料相互作用。多次反射增加了入射光子与纳米线表面的染料相互作用的次数，从而大大增加了对光线的吸收以及光电子的输运效率。实验结果表明，对于同一个三维染料太阳能电池，相对于光线照射在光纤侧壁，光线延轴向传播将太阳能电池的能量转换效率提高了六倍。在一个太阳(AM 1.5)光照下，基于氧化锌纳米线的三维染料太阳能电池的光电转换效率达到3.3%。这一效率比此前报道的同类型二维染料太阳能电池的最高效率高出120%，比使用带有二氧化钛薄膜涂层的氧化锌纳米线的染料太阳能电池效率高出47%。 　　新型的三维染料太阳能电池在科研和实际应用中具有以下突出特点。从物理学的角度来看，以纳米线为基础的二维染料太阳能电池的表面面积较小，从而限制了染料的加载和对太阳光的吸收。增加纳米线的长度可以增大表面积，但纳米线的长度受到材料制备和电子扩散长度的限制。三维染料太阳能电池的独特结构克服了上述困难：入射太阳光在光纤内多次反射，在不增加电子输运距离的情况下多次与纳米线表面的染料相互作用，大大增加了对光线的吸收以及光电子的输运效率。在应用上，三维染料太阳能电池具有以下主要优点：首先，光纤的使用使得太阳能电池得以远程工作和具有高移动性。它可以工作在太阳光无法到达的地层和海洋深处 其次，三维染料太阳能电池可以有更小的尺寸，更高的效率，更大的流动性，更可靠的设计，更灵活的形状，并有可能降低生产成本 第三，三维染料太阳能电池可以在不同的光强下有效工作，具有较高的动态工作范围。此研究成果为设计使用光纤和有机、无机材料混合结构的三维高效多功能太阳能电池开辟了崭新方法和思路。 　　光纤和纳米线混合结构的三维染料太阳能电池结构和基本工作原理示意图。A)三维染料太阳能电池包括光纤和垂直生长于光纤表面的氧化锌纳米线阵列。图中上半部为传统光纤用于光线的远程传输，下半部为太阳能电池用于光电转换。B) 三维染料太阳能电池的细节结构。

工业型防爆除湿器，电力换流站蓄电池室防爆除湿装置【新闻导读】高压换流站是整个电力供电系统中将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对于安全稳定及电能质量的要求而建立的的一个站点，也是电能传输、转换过程中必不可少的一个环节，其运行是否正常直接影响电网的安全、稳定、灵活和经济运行!雨季来临之际，高压换流站的防潮除湿是一项不容忽视的重要工作内容 其中，蓄电池室或锂电池室则是整个高压换流站防潮除湿工作的关键场所!　　目前，大部分高压换流站蓄电池室或锂电池室都配置有玻璃窗、轴流风机和百叶窗等，通过通风散热的方式来降低其室内的温度，但对蓄电池室或锂电池室的防潮防湿效果造成了很大的影响!在南方地区垢梅雨季节即使蓄电池室或锂电池室的门窗都关闭好了，但潮湿的空气是无孔不入的，百叶窗的存在则会使室外大量的潮湿空气源源不断的侵入蓄电池室或锂电池室，势必会造成许多不利的影响和危害!　　据相关测试表明，在梅雨季节里南方地区很多高压换流站的蓄电池室或锂电池室内环境湿度高达80%RH甚至90%RH以上 在高温高湿的环境是很容易形成凝露现象的，常常引起蓄电池或锂电池柜内电气设备的漏电或放电，严重的甚至还有可能造成火灾与爆炸。另外，蓄电池室或锂电池室内电气设备长时间受到潮湿空气的侵害，极易造成各种金属材料严重锈蚀，最为直接的危害是造成开关柜拒动，以及及影响刀闸的正常操作。　　那么，如何做好高压换流站蓄电池室或锂电池室的防潮防湿措施呢?根据每个高压换流站蓄电池室或锂电池室空间的大小，以及湿度的高低等各方面的实际情况安装与之相匹配的正岛BCFZD-8240C换流站蓄电池室除湿器及BCFZD系列工业型防爆除湿器，随时对室内空气进行快速有效除湿，即可避免出现湿度过高或空气过于潮湿的情况，那么以上所述的种种问题也就不会发生，从而确保了高压换流站蓄电池室或锂电池室设备的正常运行和安全 　　正岛BCFZD-8240C换流站蓄电池室除湿器及BCFZD系列工业型防爆除湿器是通过特殊防爆技术加工处理，可广泛应用于国防、科研、石油、化工、医药、加工制造、生物等存在ⅡA、ⅡB级，T1～T4组可燃性气体、蒸汽与空气混合形成的易引发爆炸的危险场所，本系列产品执行标准如下：　　◎GB3836.1-2010爆炸性环境第1部分：设备通用要求 　　◎GB3836.2-2010爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备 　　◎GB3836.4-2010爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备 　　◎GB3836.9-2006爆炸性气体环境用电气设备第9部分：浇封型“m” 　　◎GB3836.15-2000爆炸性气体环境用电气设备第15部分：危险场所电气安装(煤矿除外)。　　欢迎您查询工业型防爆除湿器，电力换流站蓄电池室防爆除湿装置的详细信息!防爆除湿器的种类有很多，不同品牌的防爆除湿器价格及应用范围也会有细微的差别，而正 岛 电 器将会为您提供优质的产品和全面的售后服务。 正岛BCF-8240C及BCF系列防爆工业除湿器技术参数与选型参考:产品型号除湿量(l/d)适用面积(㎡)功率(w)电源(v/Hz)尺寸(mm)净重(kg)BCFZD-890C90100-1501700220/50480*430*97050BCFZD-8138C138150-2002000220/50480*430*110058BCFZD-8168C168180-2402800380/50605*410*1650126BCFZD-8240C240240-3604900380/50770*470*1650160BCFZD-8360C360360-4807000380/501240*460*1700200BCFZD-8480C480480-6009900380/501240*460*1750230　　正岛BCFZD-8240C换流站蓄电池室除湿器及BCFZD系列工业型防爆除湿器的防爆处理，主要有哪些地方呢?总结起来有三条：　　1、防爆除湿器工艺制作，除湿器的主要系统是制冷循环系统。各制冷系统的转换管路须采用紫铜焊接。如其中有外购部件，也必须符合相应的防爆等级要求，才能用于部件组装 　　2、防爆除湿器主要的外部空气循环系统，主要包括风机，而风机中的电机，也必须符合相应的防爆等级要求。风扇电机须符合GB3836.2-8.3和GB3836.9-90有关要求。　　3、防爆除湿器的各种连接线及电源线，必须符合阻燃标准 防爆接线盒内的电路接头及本安电路的接头必须焊接并使用安全接线帽。　　4、防爆除湿器的金属外壳及机架，必须做安全接地保护措施。电缆或数据线如有屏蔽层，必须单独接地。　　综上所述：南方地区梅雨季节来临之际，及早做好高压换流站蓄电池室或锂电池室的防潮除湿工作是刻不容缓的 最为简捷有效的方法无疑就是配置相应的正岛BCFZD-8240C换流站蓄电池室除湿器及BCFZD系列工业型防爆除湿器来进行除湿，只要将其室内的湿度控制在45-65%RH左右，即可达到最为佳的防潮除湿效果，只在设备运转正常，高压换流站蓄电池室或锂电池室就不用再担心潮湿问题!　　如果在高压换流站的蓄电池室或锂电池室内安装一套集中控制系统，根据室内湿度大小自动开启或关闭窗户与正岛BCFZD-8240C换流站蓄电池室除湿器及BCFZD系列工业型防爆除湿器，那么这样对于蓄电池室或锂电池室的防潮除湿和通风散热的效果就更好了。以上关于工业型防爆除湿器，电力换流站蓄电池室防爆除湿装置的全部新闻资讯报道是正 岛 电 器提供的，仅供大家参考!

p 　　近年来，随着新能源政策的利好和社会资本的涌入，新能源行业特别是动力电池制造企业如雨后春笋般不断生长。怎么建设和规划好一个全新的新能源锂电池检测实验室是许多新能源制造关联企业的痛点。新能源锂电池实验室不同于其他家用电器、灯具照明或汽车电子产品实验，由于锂电池在试验过程存在的不确定性和危险性，锂电池可能会产生有毒有害废气、冒烟、明火、甚至出现爆炸、溶液飞溅等情况，这些问题可能导致环境空气污染、设备损坏、实验人员受伤，甚至对人身财产造成巨大损失。因此，无论锂电池试验室规模大小，都有必要在新能源电池实验室的场地建设，设备购置，以及日常的运营成本给予充分的重视和了解。 /p p style=" text-align: center " img title=" 1.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/b5a6c188-4150-44ec-aebe-786d32141b2b.jpg" / /p p strong span style=" color: rgb(31, 73, 125) " 　 span style=" color: rgb(84, 141, 212) " 　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 一、(规划)锂电池实验室设计依据及设备部署： /span /span /span /strong /p p 　　 strong 1、依据标准规范： /strong /p p 　　满足GB/T 32146.2-2015《检验检测实验室设计与建设技术要求 第2部分:电气实验室》标准规范要求设计。 /p p 　　实验室主要用于锂电池强制性安全检查试验，提供稳定可靠的环境条件。为了评估电池在存储、运输、误用和滥用等情况下，是否会引发过热、明火、爆炸、有害气体溢出、人员安全等情况，由此应运而生的电池安全检测标准有：国际标准(IEC 62660、IEC62133)、欧盟标准(EN62133、EN60086)、中国标准(GB31241-2014)、美国标准(SAE UL)、日本标准(JIS)，针对新能源锂电池应用较为广泛的标准是UN 38.3、GB/T31467.3-2015、GB/T 31485-2015、SAND 2005-3123、UL1642、UL2054、UL2580、JIS C 8711、JIS C8714、JIS C 87115、ISO 16750、ISO 12405、SAE J2464。电池标准针对的检测项目，大体可分为电性能适应性、机械适应性和环境适应性测试三大类的检测。 /p p 　　1)电性能适应性：包括电池工况容量、各种倍率的充放电性能、过充性能、过放性能、短路性能、绝缘性能、自放电特性、电性能寿命等。其中过充、过放、短路的实验过程风险较大，可能会存在明火爆炸等剧烈现场。 /p p 　　2)机械适应性：加速度冲击、机械振动、模拟碰撞冲击、重物冲击、自由跌落、电池包翻转、洗涤试验、挤压和钢针穿刺等。其中钢针针刺和挤压的实验过程风险较大，可能会存在明火爆炸等剧烈现场。 /p p 　　3)环境适应性：热滥用(热冲击)、温湿度循环、高低温循环、冷热冲击、温度骤变、真空负压测试、盐雾试验、浸水试验、海水浸泡和明火焚烧等。其中明火焚烧实验过程风险较大，可能会存在爆炸的情况。 /p p 　　 strong 2、(规划)锂电池实验室设备布局： /strong /p p 　　在实验室建设初期规划实验室，既可以降低实验操作风险，同时也能系统的形成检测能力，通常具有完整测试能力的电池检测实验室，可规划成如下功能分区： /p p 　　1)电性能检测区，此区域主要涉及的仪器是充放电机柜、内阻测试仪、绝缘强度测试仪、绝缘电阻测试仪、数据采集设备等，由于电池的实测容量与测试温度有关，因此应对此区域的温度、湿度进行控制。 /p p 　　2)机械性能测试区，此区域主要涉及的仪器包括充放电机柜、振动试验台、冲击碰撞试验台、翻转试验台、三综合实验台，由于设备质量重、体积大、噪音大，且部分检测设备需要下挖，因此此区域多放置在一楼，做好隔音和隔震措施。 /p p 　　3)环境测试区，此区域主要完成温度、湿度、老化、热分析等实验，涉及的仪器包括充放电机柜、高低温箱、负压箱、温湿度实验箱、热分析仪、数据采集设备等，此区域需要24h连续长时间工作，因此容易出现麻痹大意导致安全事故。 /p p 　　4)辅助功能区，可根据实际需要进行配置，包括样品室(放置测试前后的电池样品)、库房(放置闲置线缆、工具等)、办公室、会议室、休息区等。样品室存放电池样品，需要频繁检查电池状态。 /p p 　　5)电池安全测试区，此区域开展的测试均带有危险性，包括样品不成熟导致的风险以及测试本身的风险，包括的测试项目：跌落、针刺、挤压、燃烧、过充、过放、短路、浸水、海水浸泡、高温充放电等项目，涉及的设备包括充放电机柜、跌落试验台、针刺试验机、挤压试验机、燃烧试验机、短路试验机、浸泡设备、高温箱等。由于此区域着火爆炸概率较高，因此需要建设行之有效的尾气排放和处理措施，以避免对环境的影响。 /p p 　　 strong 注意：GB/T 31467.3-2015(电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分安全性要求与测试方法)以及GB/T 31485-2015(电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法)标准部分试验项目适用。 /strong /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 二、(规划)锂电池实验室测试程序： /strong /span /p p 　　 strong 1. 电池材料检测 /strong /p p 　　电池材料的测试主要为材料的组成、结构、性能测试，所有测试过程都不涉及任何化学处理步骤，均属于仪器分析，测试的全过程不产生对环境有害的物质。最终产生的废弃样品及未测试的多余样品均交还送检单位。 /p p style=" text-align: center " img title=" 2.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/f6c52bd6-dbf2-4a1a-887f-274ec60e8e5f.jpg" / /p p 　　工艺流程简述：称取电池材料—电池材料制样—上机分析—结果输出。 /p p 　　 strong 2、电池单体常规测试、电性能、安全性能和失效性能、可靠性检测 /strong /p p 　　电池单体常规测试包括外观、极性、尺寸和质量，涉及到目检、电压表检测、量具和衡器检测手段，四种测试项目都不涉及任何化学处理步骤，均不产生任何环境有害物质。电池单体电性能测试包括放电容量、倍率、循环寿命，涉及到的设备有电池充放电性能测试仪和电池模块充放电性能测试仪，以上两种设备基于电化学原理进行检测，都不涉及任何化学处理步骤，测试过程中不产生任何环境有害物质。 /p p 　　电池单体安全性能测试包括过充、过放、短路、跌落、高低温、针刺、挤压多项，涉及到针刺机、挤压机、跌落台、高低温箱和过充过放专用设备，所有的测试项目都在专用测试设备内执行，同时操作人员按照国标要求配备有严格的防护措施，测试过程都不涉及任何化学处理步骤。测试结束后产生的失效电池交由送检单位回收处理，对环境不产生影响。电池单体可靠性测试主要包括循环寿命、不同倍率放电特性、不同温度放电特性、充电特性、自放电特性、不同温度自放电特性、存贮特性、过放电特性、不同温度内阻特性、高温测试、温度循环测试、跌落测试、振动测试、容量分布测试等，以上测试涉及到的设备主要为电性能测试仪和部分安全性测试设备，电化学性能测试设备基于电化学原理对电池进行电性能检测，测试过程都不涉及任何化学处理步骤， 不产生化学反应，不产生对环境有害的物质。 /p p 　　电池单体失效分析和电池模型分析在上述可靠性检测、安全性检测、常规检测及化学组成检测等基础上开展，检测过程都不涉及任何化学处理步骤，不产生化学反应。对环境不造成污染。 /p p 　　工艺流程简述：电池单体试样遴选—电池试样连接检测设备—设备自动检测—数据输出。 /p p style=" text-align: center " img title=" 3.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/cc2f2757-c359-499b-b8d0-caf36db2fe17.jpg" / /p p 　　 strong 3. 电池模块常规测试、电性能、安全性能和失效性能、可靠性检测 /strong /p p 　　电池模块常规测试包括外观、极性、尺寸和质量，涉及到目检、电压表检测、量具和衡器检测手段，四种测试项目都不涉及任何化学处理步骤，均不产生任何环境有害物质。电池模块电性能测试包括放电容量、倍率、循环寿命，涉及到的设备有电池充放电性能测试仪和电池模块充放电性能测试仪，以上两种设备基于电化学原理进行检测，都不涉及任何化学处理步骤，测试过程中不产生任何环境有害物质。 /p p 　　电池模块安全性能测试包括过充、过放、短路、跌落、高低温、针刺、挤压多项，涉及到针刺机、挤压机、跌落台、高低温箱和过充过放专用设备，所有的测试项目都在专用测试设备内执行，同时操作人员按照国标要求配备有严格的防护措施，测试过程都不涉及任何化学处理步骤。测试结束后产生的失效电池模块交由送检单位回收处理，对环境不产生影响。电池模块可靠性测试主要包括循环寿命、不同倍率放电特性、不同温度放电特性、充电特性、自放电特性、不同温度自放电特性、存贮特性、过放电特性、不同温度内阻特性、高温测试、温度循环测试、跌落测试 、振动测试、容量分布测试等，以上测试涉及到的设备主要为电性能测试仪和部分安全性测试设备，电化学性能测试设备基于电化学原理对电池进行电性能检测，测试过程都不涉及任何化学处理步骤， 不产生化学反应，不产生对环境有害的物质。 /p p 　　电池模块失效分析和电池模型分析在上述可靠性检测、安全性检测、常规检测及化学组成检测等基础上开展，检测过程都不涉及任何化学处理步骤，不产生化学反应。对环境不造成污染。 /p p 　　工艺流程简述：电池模块试样遴选—电池模块试样连接检测设备—设备自动检测—数据输出。 /p p img title=" 4.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/b7a7a4dd-b45a-46cf-bc6f-1964c0ab31ef.jpg" / /p p 　　 strong 4. 电池系统常规性能、电性能、安全性能和失效性能检测、可靠性检测 /strong /p p 　　电池系统常规测试包括外观、极性、尺寸和质量，涉及到目检、电压表检测、量具和衡器检测手段，四种测试项目都不涉及任何化学处理步骤，均不产生任何环境有害物质。电池系统电性能测试包括放电容量、倍率、循环寿命，涉及到的设备有电池充放电性能测试仪和电池模块充放电性能测试仪，以上两种设备基于电化学原理进行检测，都不涉及任何化学处理步骤，测试过程中不产生任何环境有害物质。 /p p 　　电池系统安全性能测试包括过充、过放、短路、跌落、高低温、针刺、挤压多项，涉及到针刺机、挤压机、跌落台、高低温箱和过充过放专用设备，所有的测试项目都在专用测试设备内执行，同时操作人员按照国标要求配备有严格的防护措施，测试过程都不涉及任何化学处理步骤。测试结束后产生的失效电池系统交由送检单位回收处理，对环境不产生影响。电池系统可靠性测试主要包括循环寿命、不同倍率放电特性、不同温度放电特性、充电特性、自放电特性、不同温度自放电特性、存贮特性、过放电特性、不同温度内阻特性、高温测试、温度循环测试、跌落测试、振动测试、容量分布测试等，以上测试涉及到的设备主要为电性能测试仪和部分安全性测试设备，电化学性能测试设备基于电化学原理对电池进行电性能检测，测试过程都不涉及任何化学处理步骤， 不产生化学反应，不产生对环境有害的物质。 /p p 　　电池系统失效分析和电池模型分析在上述可靠性检测、安全性检测、常规检测及化学组成检测等基础上开展，检测过程都不涉及任何化学处理步骤，不产生化学反应。对环境不造成污染。 /p p 　　工艺流程简述：电池系统试样遴选—电池系统试样连接检测设备—设备自动检测—数据输出。 /p p style=" text-align: center " img title=" 5.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/b6ae167e-9e9b-439b-8098-99f7fc7e2f3f.jpg" / /p p 　　 strong 5、(温馨提示) 由于新能源锂电池能量高度集中，且密集安装，因此即便是正常的试验测试(如各种充放电性能、高空模拟)，也可能因误操作导致危险，下面列举新能源锂电池存在的潜在风险： /strong /p p 　　1)着火、燃烧、爆炸 /p p 　　磷酸铁锂电池在电解液中添加过充添加剂非水有机体系的电解液具有低燃点的易燃性质，它在温度升高的密闭电池体系内极易和充放电过程中非常活跃的电极材料发生一连串催化放热反应，从而引起热失控。同时电解液和电极材料之间的副反应伴有气体产生，当电池内压力达到设定的阀值，泄爆阀开启，并伴随气体泄放。如果电池内部集聚温度过高，与空气种的氧气的接触的情况下引起有机电解液的燃烧，最终导致电池的爆炸。 /p p 　　电池检测中的各种滥用实验的实质，是通过各种手段使电池发生外部短路或内部短路，引起正负材料和电解液的直接反应，电池温度急剧升高。电池的散热性和压力的释放能量决定了电池着火、燃烧或爆炸。对实验现场的着火、燃烧、爆炸的防护，重点是保证试验现场压力要有足够的释放空间，防止燃烧扩展和压力的突然释放，可采取加固防爆壳体、快速压力泄放、通过多传感器融合技术进行预警检测，以实现不爆炸货弱能量的反应。 /p p 　　2)有毒气体的排放 /p p 　　由于电解液含有有机溶剂，在安全检测过程中，电解液的高温气化导致有毒气体的排放，通常有毒气体是通过电池泄爆阀打开后溢出，其气味刺激。当被测样品是大功率的新能源电池时，有毒气体的含量较多，且成分更为复杂，其排放问题更要注意，UL 2580规定了有毒气体释放量的检测要求。有毒气体的排放的防护重点，是加装有害气体检测传感器监测有害气体含量，加装抽风装置或无害化处理装置将有毒气体抽离实验室，避免操作人员与有害气体的接触。 /p p 　　3)漏液的污染性 /p p 　　电池在检测过程中容易出现漏液，漏液会腐蚀设备和测试台的外表面。应加倍关注富液设计电池的这种危害。因此无论是在有意破坏的漏液，或是实验过程意外泄露，都应该关注人员防护、设备防护和测试环境防护。其防护重点是通过严格操作流程管理和规范，将漏液的腐蚀侵害降至最低。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 三、(规划)锂电池实验室——通风系统特点： /strong /span /p p 　　1、因锂电池在做破坏性测试时可能会产生大量的烟雾或者燃烧废气，需要考虑到通风环保设施要求 系统所作用的通风设备较复杂，流量较大。通风设备在工作期间可根据实际须要控制使用数量，风机负载随通风设备增减而变化。 /p p 　　2、系统控制采用各实验室布点控制，即利用同系统的各通风设备的电动调风阀或在附近设置信号开关，利用电动调风阀或信号开关输送信号远距离控制风机启停。采用电动调风阀对通风设备进行流量调节。 /p p 　　3、采用在风机入口处加装消声器的方式对通风系统进行噪声处理，对于电机功率小于4KW，A式传动的风机采用橡胶减振，对于电机功率大于4KW，C式传动的风机采用阻尼弹簧减振器减振。 /p p 　　4、因应节能要求及实际需要，对全面排风系统P1及局部排风系统P3、P4、P5、P6系统功率≥4KW的通风系统采用变风量变频控制系统控制。节约电能同时也可大大延长风机使用寿命。 /p p 　　5、因应现代环保要求，根据废气类别对P4、P5、P6系统的排气采用酸雾净化塔、活性炭干附等进行环保治理。 /p p 　　6、实验室的通风换气次数取每小时10～20次。 /p p 　　7、支管内风速取6～12m/s，干管内风速取8～14 m/s。 /p p 　　8、通风设备设计风量：单台1800*800*2350mm排毒柜设计排风量：1400～2100CMH 单台1500*800*2350mm排毒柜设计排风量：1100～1700CMH 单台500*500mm原子吸收罩设计排风量：800～1300CMH 单台万向排烟罩设计排风量 180～300CMH。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 四、(规划)锂电池实验室——内部装饰 /span /strong /p p 　　 strong 1、天花 /strong /p p 　　(1)实验室、办公室天花采用轻钢龙骨吊600*600mm的铝合金扣板天花。 /p p 　　(2)结合通风和机电要求，实验室天花选用铝合金扣板天花可以大幅度降低通风和机电施工难度和强度，也利于日后的正常维护和检修。 /p p 　　(3)实验室天花采用铝合金扣板天花美观，大方，无污染，还可以搭配其他一体化装修完成整个装修工程。 /p p 　　(4)实验室天花采用铝合金扣板天花可以有效的防霉、防潮。 /p p 　　(5)洁净室采用彩钢板天花板。 /p p 　　 strong 2、地面 /strong /p p 　　(1)实验室地面按照甲方要求保留原有抛光砖地面600*600mm。 /p p 　　(2)抛光砖技术成熟，整洁，美观，灰缝小，易于清洁。 /p p 　　(3)在装修过程中，抛光砖的铺设最适合于办公场所。 /p p 　　(4)抛光砖可承受多人办公场所的磨损，维护后不变色不需打蜡抛光等繁复操作。 /p p 　　(5)洗涤室利用原有地面，节约成本。 /p p 　　(6)优质防滑地砖可以有效杜绝液积留在地板上对实验室工作人员造成的不便。 /p p 　　 strong 3、墙体 /strong /p p 　　(1)新砌墙身采用轻质砖砌180mm厚砖墙，双面批荡面贴500*500抛光砖。 /p p 　　(2)采用其他墙体全部贴500*500抛光砖 /p p 　　(3 走廊用12mm厚钢化玻璃做玻璃隔墙，踢脚线材质选用抛光砖。 /p p 　　(4)采用玻璃间隔的设计使得开放式实验成为一种可能。 /p p 　　(5)采用玻璃间隔的设计令人视野开阔，整体实验室洁净、明亮。 /p p 　　 strong 4、门窗 /strong /p p 　　(1)实验室统一采用12mm厚钢化玻璃地弹簧门，增加实验室通透性。按照规划设计要求，分为900*2100mm、1200*2100mm、1500*2100 mm三种规格，根据具体情况，洁净室的门为800*2100 mm。 /p p 　　(2)实验室主通道入口用1500*2100mm钢化玻璃双开门，外加电脑磁卡感应门锁(配10张卡)。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 四、(建议)锂电池实验室注意事项： /strong /span /p p 　　实验室设计之初就应该全面性的考虑到被测试锂电池出现爆炸、燃烧、漏液等问题。 /p p 　　 strong 1.爆炸前预警： /strong 由于电池起火爆炸前会有很大的变化，可以传感器充分检测指标达到爆炸前预警的目的。这些变化包括——温度升高、电流突然增大、泄爆阀打开、有害气体溢出等，其中温度和电流是预警的重要指标，对相同规格的电池具有相似的指标，通过概率分布可形成较好的爆炸预测。 /p p 　　 strong 2.爆炸过程控制： /strong 电池连锁爆炸是爆炸过程控制的重点，通过切断电流回路、降低爆炸现场温度、阻断燃烧路径、撤离着火源头等方式，其中以切断电流回路和干冰灭火方式最为有效。既能起到控制火情，同时也保留了测试样品。 /p p 　　 strong 3.污染物可回收： /strong 污染物包括固态污染物和气体污染，通过电池回收罐收集固态污染物回收时，要避免二次危险。有害气体的回收成本非常高昂，可根据实际情况酌情处理。 /p p 　　 strong 4.试验室防爆系统： /strong 房间内安装2个传感探头。测试单元放置在室外可随时的监测试验室内的气体是否超标。报警系统分2级控制当第1级报警时启动声音报警，此时不切断电路。当浓度继续升高时达到2级报警时报警器自动打开风阀启动抽排风系统并切断实验室电源。防爆室内部采用1.2mm厚的钢板焊接而成，墙体可采用铝塑板或其他材料支撑，整改防爆室具有耐火、防止爆炸物飞出等功能。防爆门采用往里面推开的开门方式，必须具有防止冲击波导致开门的问题，门上配置有防爆玻璃观察窗，并且窗上焊接有铁柱防止玻璃破裂。防爆室上空设置有铁制的通风管道，其作用有二 1、当有燃烧、烟雾时，开启风机抽风，2、主要用于泄放爆炸时的压力。因此通风管道需要做宽，建议尺寸不小于500mm× 600mm× 870000mm。 /p p 　　 strong 5.每个防爆室配置有防爆灯，视频监控探头。 /strong 视频监控探头对准被测物位置。每个防爆室的底部设置有设备的连线门洞：100mm× 200mm 在高1000mm处也设置有直径500mm的连线门洞，门洞的里面一侧设置有钢铁挡板。防爆室作为样品储存室使用，并配置有小一匹分体式空调作为恒温，外墙配置有直径120mm的排气扇。里面配置有消防烟感探头。 /p p 　　 strong 6.充放电区： /strong 设置有试验台，台面分有仪器操作位置和样品区，样品区四周及底面采用1.2mm不锈钢板焊接 前面设置有开门 上方开孔，用于泄放用。也可以在上方加装排气管道。样品区的侧面开有直径50mm的孔用于连接线。样品区可放置定做的防爆箱。 /p p 　　 strong 7.消防要求： /strong 在人员操作区和样品区设置有消防烟感探头。 /p p 　　 strong 8.视频监控要求： /strong 共用七个视频监控探头，五个用于防爆室，两个用于冲放电区，在防爆室外配置有视频监控显示器，可在测试过程中查看到里面情况，并具有连接内网功能，可便于在办公室查看具体情况。空调恒温功能：在人员操作区采用原来配置有的5匹空调，另外在A防爆室加装小一匹空调用于储存室。 /p p 　　 strong 9.实验室噪音： /strong 实验室噪声源主要为测试设备、风机等设备运行时产生的噪声，其噪声值约为 50～75dB(A)之间。 /p p 　　 strong 10.电气控制柜及电气连线，有永久性的标志，并与图纸相符，同时符合国家有关的标准。 /strong 设备供电采用三相五线制供电。可靠地保护人身安全。测试系统应增加电源切换开关，能够给各台位提供不同频率的电源(同时包括每台的一路市电供电。试验室有高温保护装置，具有过流、漏电保护、有保险丝。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 五、(规划)锂电池实验室水电要求： /span /strong /p p 　　1.配备电源：3Φ5W 380V，50/60Hz 总功率约130KVA /p p 　　2.独立地线：接地电阻≤4Ω /p p 　　3.给水：配管连接直径Φ20 水压≥0.15MPa，水质洁净无杂质 /p p 　　4.排水：配管连接直径Φ100。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 六、(设计)锂电池实验室测量系统精度： /strong /span /p p 　　1.所以控制值的准确度应在以下范围内 /p p 　　2.电压：± 1.0% /p p 　　3.电流：± 1.0% /p p 　　4.温度: ± 2℃ /p p 　　5.时间：± 1.0% /p p 　　6.尺寸：± 1.0% /p p 　　7.容量：± 1.0%。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 七、锂电池防爆实验室典型设计应用： /span /strong /p p style=" text-align: center " strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " img title=" 6.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/99c27761-dfaf-494b-a3db-5c2355573e90.jpg" / /span /strong /p p style=" text-align: center " (锂电池实验室效果图) /p p style=" text-align: center " img title=" 7.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/cab6d5f4-6ae1-4329-ab4d-24dfb53560e9.jpg" / /p p style=" text-align: center " (测试系统综合交钥匙工程) /p p style=" text-align: center " img title=" 8.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/839110f4-dffb-4911-a168-6afd61901ad6.jpg" / /p p style=" text-align: center " (电池整体实验室正面) /p p style=" text-align: center " img title=" 9.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/d9e4888e-a8a8-465a-9cfc-f8526ff437aa.jpg" / /p p style=" text-align: center " (电池整体实验室背面) /p p 　　 strong 作者：东莞市高升电子精密科技有限公司(DELTA德尔塔仪器) /strong /p

硅负极商业化应用的瓶颈硅负极具有极高的理论比容量（＞3500 mAh/g）、较低的充放电电压平台（0.5 V vs. Li+/Li）以及非常丰富的自然储量等优势，被认为是下一代高能量密度锂离子电池最具发展潜力的负极材料之一。然而，在实际应用中，硅负极面临着一个迄今尚未解决的技术瓶颈，即较差的循环稳定性。特别是硅基全电池，其循环性能往往不超过100圈，这主要归功于硅负极的本征缺陷：1）硅负极在嵌锂和脱锂过程中会发生较大的体积变化(300%)，极易导致硅颗粒的破裂和粉化，以及与集流体的剥离；2）由于Li-Si 合金的高反应性，会导致固体电解质界面膜（solid electrolyte interphase, SEI）的不断破裂和重新生成，造成电解液和活性锂的持续消耗，最终造成硅负极的容量快速衰减。针对硅负极存在的问题和挑战，科学家们开发了许多先进的改性策略来缓解容量衰减，如纳米结构设计、探索新型聚合物粘结剂、电解液改性、不同的预锂化策略和硅/石墨复合等等。尽管这些策略均在一定程度上提高了硅负极的循环性能，但是没有一种策略能够同时解决上述所有问题，硅负极的商业化应用之路仍然任重道远。突破瓶颈，新型微硅全固态电池稳定循环500次，容量保持率高达80%2021年9月24日，加州大学圣地亚哥分校的华人美女科学家孟颖（Ying Shirley Meng）教授团队提出了一种全新的方案可以一次性解决硅负极面临的上述问题，即通过使用硫化物固态电解质以及不含碳的99.9 wt.%微硅(μSi)阳极的组合，组装了一种高性能的纯硅阳极全固态电池（ASSB）。所制备的全电池不仅能够在高面电流密度（5 mA cm-2）和宽温度范围内（-20 ℃到80℃）稳定运行，还可以提供高达 11 mAh cm-2 (2890 mAh g-1) 的面积容量。研究表明，该电池可以在5 mA cm-2的电流密度下稳定循环 500 次，容量保持率高达 80% ，且平均库伦效率高达99.9% ，是迄今为止报道的微硅全电池的最佳性能。如此优异的性能主要归因于微硅阳极和硫化物电解质之间理想的界面特性以及锂硅合金独特的化学机械行为，从而彻底解决了硅负极存在的连续的界面生长和不可逆的锂损失等问题。上述研究成果以“Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes”为题，发表在国际顶级期刊《Science》上。文章的第一作者是加州大学圣地亚哥分校的Darren H. S. Tan博士，通讯作者是孟颖（Ying Shirley Meng）教授和Zheng Chen教授。值得注意的是，早在2017年，Darren H. S. Tan、ERIK A. WU、ZHENG CHEN 和Ying Shirley Meng便共同创立了一家专注于全固态电池技术的初创公司 UNIGRID Battery。其中，Darren H. S. Tan为公司的CEO，ERIK A. WU担任公司的CTO，ZHENG CHEN 和Ying Shirley Meng教授担任公司的技术顾问。目前，该公司已经获得文章所开发的技术的使用权。微硅全固态电池的设计思路和创新之处1）选择基于硫化物的固态电解质(SSE)可以保证优异的界面特性。由于硅负极的稳定性问题主要来自阳极与液体电解质的界面，因此作者选择使用SSE，因为它能够形成稳定且钝化的 SEI。同时，与传统的液态电池结构不同，SSE 不渗透多孔 μSi 电极（图 1），且将SSE 和 μSi 电极之间的界面接触面积减少到二维（2D）平面。在 μSi 锂化后，尽管体积膨胀，但二维平面仍被保留，从而防止了新的SEI界面产生。2）制备出由99.9 wt% μSi 和0.1%PVDF组成的纯硅阳极，去除阳极中碳导电添加剂，可以减少SSE的分解和不必要的副反应。碳的消除显着减少了与固体电解质的界面接触（和不需要的副反应），避免了液体电解质通常发生的连续容量损失。同时，如图 1 所示，负极 μSi 颗粒保持彼此直接的离子 (Li+) 和电子 (e-) 接触，确保了 Li+ 的快速扩散和 e- 在整个电极中的传输，不受任何电子绝缘成分（如 SEI 或电解质）的阻碍。鉴于此，作者使用由 99.9 wt% μSi 组成的 μSi 电极、硫化物SSE和锂镍钴锰氧化物 (NCM811)组装了一种纯硅μSi||SSE|| NCM811全固态电池。在锂化过程中，在 μSi 和 SSE 之间形成钝化 SEI，然后在界面附近对 μSi 颗粒进行锂化。然后，高反应性的 Li-Si 与其附近的 Si 颗粒发生反应。反应在整个电极中传播，形成致密的 Li-Si 层。值得注意的是，得益于 Li-Si 和 μSi 颗粒之间的直接离子和电子接触，在 μSi 锂化过程中，Li-Si 的形成可以在整个电极中传播（图 1）。而且，这个过程是高度可逆的，不需要任何过量的锂。图 1.ASSB 全电池中 99.9 wt% μSi 电极的示意图。无碳纯硅阳极减少了SSE的分解，Si-SSE界面的钝化阻止了不必要的副反应为了证明消除阳极中碳的重要性，以及 Si-SSE 界面的钝化性质，研究人员制备了两种有20wt%碳添加剂和无碳添加剂的硅阳极，并表征和量化了 SSE 分解产生的 SEI 产物。CV曲线显示，不含碳的电池表现出大约 3.5 V 的初始电压平台，这是 μSi||NCM811 全电池的典型特征（图2A）。然而，含 20 wt % 碳的电池却在2.5 V 处出现电压平台，这说明在达到 3.5 V 以上的锂化电位前发生了SSE 电化学分解。XRD表征同样证实，在使用碳的电池中，大部分原始 SSE 的衍射信号不再存在（图2B），表明电解质严重分解。XPS分析进一步表明，碳的存在会导致更大程度的 SSE 分解。与不含碳的电极（图 2C 中间）相比，含碳电极（图 2C，底部）的 PS43-硫代磷酸盐单元信号的峰值强度下降幅度更大。因此，与传统的含碳电极相比，无碳电极将大大减少 SSE 分解，从而提高电池的首次循环库仑效率 (CE%) 和倍率性能。图 2. Si-SSE 界面SI成分的表征。同时，研究人员还采用滴定气相色谱 (TGC) 来量化 SEI 增长并确定其钝化和稳定性质。通过组装五个 μSi||SSE||NCM811 全电池，并分别进行 1 到 5 次循环（图 3A）发现：所有电池的首次库伦效率均大约76%，第二圈就迅速上升至 99%。结果表明，在第一次循环后，发现形成的 SEI 总量为电池容量的 11.7%，而在第二次循环中这一数量略有增加至 12.4%。在随后的循环中，发现累积的 SEI 和活性 Li+ 均保持稳定且相对不变，表明界面钝化可防止 Li-Si 与电解质之间发生不必要的连续反应。为了评估延长循环期间的 SEI 稳定性，研究人员制造了一个 Li-Si 对称电池，并在 5 mA cm-2 下循环，每次循环使用 2 mAh cm-2 的容量（图 3C）。电化学阻抗谱 (EIS) 测量发现阻抗在 200 次循环后保持稳定（图 3D），证实 SEI 在本质上是钝化的。图 3. SEI 增长的量化效应。(A) 滴定气相色谱中使用的全电池的电压曲线， (B) Li-Si 和 SEI 相对于电池容量的相对含量， (C) Li-Si 对称电池的电压曲线，和 (D) EIS奈奎斯特图。Li-Si 和 SSE独特的化学和机械性能保证了良好的界面接触为了可视化 Li-Si 的形态演变，研究人员采用聚焦离子束SEM技术表征了在原始、锂化和脱锂状态下三个单独的 μSi 电极的横截面形貌：1）在原始状态下（图 4A），观察到离散的 μSi 颗粒（2 至 5 μm），压延后电极孔隙率为 40%；2） 锂化后（图 4B），电极变得致密，大部分孔隙在原始 μSi 颗粒之间消失。此外，单独的 μSi 颗粒之间的边界已经完全消失，整个电极已成为相互连接的致密锂硅合金；3）脱锂后（图 4C），μSi 电极并没有恢复到其原始的紧密微粒结构，而是形成了大颗粒，且大颗粒之间存在空隙。能量色散 X 射线 (EDS) 成像证实孔隙确实是空隙，没有证据表明每个脱锂颗粒之间存在 SEI 或 SSE。相比之下，由于整个颗粒表面形成了SEI，液态体系下的锂化 μSi 颗粒不会合并并保持分离。为了进一步量化循环过程中的厚度增长和孔隙率变化，研究人员还制备了质量负载约为 3.8 mg cm-2 的 μSi 电极，并在充电和放电状态下测量了它们的厚度。在原始状态下，电极的厚度为约 27 μm，在锂化为 Li3.35Si 后，厚度增加到约 55 μm，脱锂后厚度达到约 40 μm，计算出的孔隙率为约 30%。与原始 40% 相比，脱锂状态下的孔隙率较低。尽管厚度和孔隙率变化相对较大，但在多次循环后观察到相似的形态和厚度，SSE 层和脱锂的 Li-Si 的多孔结构之间仍然保持良好的接触（图 4C）。这表明 Li-Si 和 SSE 的机械性能在保持界面完整性以及沿 2D 界面保持与阳极的接触方面起着至关重要的作用。图 4. 99.9 wt % 微硅负极的锂化和脱锂的可视化。(A) μSi 电极的原始多孔微结构， (B) 锂化后具有致密互连 Li-Si 结构， (C) 脱离后形成大而致密的 Si 颗粒，且颗粒之间形成空隙。纯硅阳极全电池性能得益于上述的 组合优势，该μSi||SSE|| NCM811全固态电池可以实现高达 5 mA cm-2 的电流密度、-20° 和 80°C 之间的工作温度范围以及高达 11 mAh cm-2 (2890 mAh g-1) 的面积容量（图5）。同时μSi||SSE|| NCM811在 5 mA cm-2 下进行500 次循环后仍然可提供 80% 的容量保持率，证明了纯微硅阳极全固态电池具有优异的循环稳定性。图 5. μSi||SSE||NCM811 全固态电池性能：(A) 高电流密度测试， (B) 宽温度范围测试， (C) 高面积容量测试， (D) 室温下的循环寿命。总体而言，这种方法为解决μSi阳极存在的基本界面和性能问题提供了新的解决方案，对推进硅负极商业化具有重要的意义。作者简介通讯作者：孟颖 (Ying Shirley Meng)孟颖教授在中国杭州出生并长大，在新加坡接受高等教育。2005 年获得新加坡-麻省理工学院联盟微纳米系统高级材料博士学位，随后进入麻省理工学院从事博士后研究。2011 年获得美国国家科学基金会 (NSF) CAREER 奖，2013 年获得加州大学圣地亚哥分校校长跨学科合作奖，2014 年巴斯夫和大众汽车电化学科学奖，电化学学会 CW Tobias 青年研究员奖（2016 年），IUMRS-新加坡青年科学家研究奖（2017 年）、国际储能与创新联盟（ICESI）首届青年职业奖（2018 年）、美国化学学会 ACS 应用材料与界面青年研究员奖（2018 年）和 Blavatnik 国家奖（2018 年）入围者。孟颖教授目前是加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 纳米工程和材料科学教授， Zable Endowed 能源技术讲座教授，UCSD可持续电力和能源中心 (http://spec.ucsd.edu) 的创始主任。主要从事能源转换与储存设备（锂离子电池，锂金属电池，锂空气电池，钠离子电池，全固态电池，太阳能电池）的研究，在Science，Nature，Nature Energy等学术期刊上总共发表论文500余篇，h-index 86，被引用25400余次。参考文献：Tan et al., Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes. Science 373, 1494–1499 (2021). DOI: 10.1126/science.abg7217

尽管目前钙钛矿/硅叠层太阳电池效率可达到33.2%，但钙钛矿活性层的长期稳定性是阻碍钙钛矿/硅叠层太阳电池商业化的最紧迫问题之一。目前提高钙钛矿器件稳定性通常基于封装工艺、晶体调控工程、缺陷钝化方法和能带调节方式。 　　然而，类似于许多金属、玻璃和聚合物材料中的“应力腐蚀”，由器件制造和运行中不可避免的拉伸应力引起的时间依赖的亚临界钙钛矿降解仍然会发生。微观层面，该应力可以削弱铅卤化物轨道耦合，从而改变与结构相关的材料特性(如带隙和载流子动力学)，降低相变、缺陷形成和离子迁移的势垒；宏观层面，该应力会促使裂纹和分层情况的产生，从而加速钙钛矿的降解，导致器件的效率降低甚至失效。 　　近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属新能源所硅基太阳能及宽禁带半导体团队在叶继春研究员的带领下在前期晶体硅和钙钛矿太阳电池研究的基础上，在高效稳定钙钛矿/硅叠层电池领域又取得了新的进展。该团队采用一种长碳链阴离子表面活性剂添加剂，研究发现该添加剂能通过表面自分离和胶束化以改善钙钛矿晶体生长动力学，并在钙钛矿晶界构建类胶状的支架以消除残余应力；因此，钙钛矿活性层中缺陷减少、离子迁移受抑制以及能级结构改善。最终实现了未封装的钙钛矿单结和钙钛矿/硅叠层太阳电池在最大功率点跟踪下连续光照下3000小时和450小时的运行稳定性测试中，分别保持了85.7%和93.6%的初始性能，代表了迄今为止在类似条件下报道的稳定性最佳的器件之一。 　　相关成果以“Long-chain anionic surfactants enabling stable perovskite/silicon tandems with greatly suppressed stress corrosion”为题发表于Nature Communications(https://doi.org/10.1038/s41467-023-37877-z)，博士生汪新龙为第一作者，应智琴博士后、杨熹副研究员和叶继春研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划(2018YFB1500103)、澳门特别行政区科学技术发展基金(FDCT-0044/2020/A1、0082/2021/A2)和澳门大学研究基金(MYRG2020-00151-IAPME)等项目的支持。长链阴离子表面活性剂抑制应力腐蚀作用机理(上)；钙钛矿单结(中)以及钙钛矿/硅叠层(下)太阳电池最大功率点工作稳定性测试

记者从国网青海电科院获悉，该院于8日成功完成“光谱类油中溶解气体在线监测装置的测量误差及稳定性环境影响特性试验”，该试验是中国首次在海拔2000米以上地区进行的该类在线监测装置的特性试验，试验结果可有效解决在高海拔环境下，光谱类油中溶解气体在线监测装置可靠性差和现场运维难题。图为试验人员开展光谱类油中溶解气体在线监测装置的测量误差及稳定性环境影响特性试验。何炳勋 摄据悉，通过在线监测装置实时监测大型充油电气设备绝缘油中溶解气体含量，反馈主设备运行状态、实现故障主动预警，是当前强化变压器(高抗)状态管控、对设备开展早期故障检测和诊断最有效的手段之一。光谱类油在线装置因其无需分离单元、监测周期短等特点，正广泛运用于750千伏及特高压变电站。据悉，由于该类装置研发和出厂应用主要集中在中国东部地区，在高海拔地区存在油气分离度、气体检测准确度不足等应用瓶颈，导致在装置入网过程中，质量管控标准难以统一。“我们搭建测试平台验证激光与红外热辐射光源的环境适应性，提出数据校正方法，可提高高海拔地区油在线装置的入网质量管控质量，突破高海拔环境下装置可靠性差、缺乏科学评价标准的难题。”国网青海电科院设备状态评价中心周尚虎介绍说。未来，国网青海电科院将开展系列研究，形成高海拔环境因素对光谱类在线装置的影响规律及数据抑制校正方法，并将研究结果应用至光声光谱在线装置的入网及现场运维，解决现场运维技术瓶颈，保障电网设备安全稳定运行。

燃料电池具有工作温度低、启动响应快、能源效率高、电池寿命长、产物无污染等优点，是交通、工业、建筑等领域实现能源转型的重要途径。当前，全球主要经济体都在加大氢燃料电池技术研究投入，破解氢燃料电池商用化难题。燃料电池测试系统作为氢能实验室科研必备仪器，发挥着重要作用。燃料电池测试包含电池性能测试（稳态模型、极化曲线V-I特性、极限电流、气体计量比、扩散增益、温度、压力、湿度、过载等）、气密性测试、耐久性测试及环境适应性测试等内容。一套功能强大的燃料电池测试系统可以帮助科研人员高效率完成测试工作，实验数据更准确，结果易重现，节约大量的宝贵时间。实验室选择燃料电池测试系统应该注意哪些技术问题呢？这3个技术点值得注意。1、 自动背压与手动背压背压的作用是根据燃料电池电堆进气需求，与空压机配合，提供适当流量和压力的空气。有自动背压与手动背压两种类型。实验室一定要首先考虑自动背压型燃料电池测试系统。手动背压依赖实验人员的动手经验，操作费时费力，不能非常细腻地调控数值，反应滞后，且存在压力波动现象，测试数据受人为干预因素较大，不利于结果复现。自动背压完全由计算机程序控制，可以连续实时保持恒流恒压的状态，保证了实验的重复性和精准性，避免物料浪费，加快研发效率。2、 电子负载多参数极化曲线测试是典型的燃料电池测试项目，通过描述输出电压和电流密度曲线，表征燃料电池的电化学反应和电子传输情况。在测试时，需要面临“0V启动”、“大电流”问题。具备“0V启动”功能的燃料电池测试系统可以从0电压开始测试，即便是满电流带载运行也无须担心设备问题。燃料电池测试系统的“大电流”选择也很重要，实验室测试所用的电子负载并不是越高越好。过高电子负载的燃料电池测试系统仪器规格不仅尺寸庞大，造价不菲。也非常占空间，操作复杂繁琐，维护保养成本高。很多测试实验根本用不到那么高的电流、功率。一般而言，0-300A即可满足绝大多数测试需求。合理的电子负载，不仅价格经济、不挑空间，而且功能完善、性能卓著。以武汉电弛新能源研制的DC 980Pro燃料电池测试系统为例，该系统电子负载规格10V/240A/1600W，具备0V启动功能，100毫秒超高响应速度，反极也能测试，电子负载的精度、分辨率与进口设备同水平。3、 质量流量控制燃料电池本质上是氢、氧化学反应的发电装置，质量流量控制至关重要，是衡量一套燃料电池测试系统的重要指标。当参与反应的氧气量不足时，电堆输出电压降低，质子交换膜过热，降低电堆寿命。反之参与反应的氧气量过高，电堆输出功率不会随之增加但对应的空压机功耗变大，燃料电池系统净输出功率减少。[1]以武汉电弛新能源DC 980Pro为例，流量计和压力仪表负责主要液体、气体和压力测量和控制相关任务。该系统拥有10000:1（0.01%-100%量程）超宽稳定控制，精度可+/- 0.125%满量程。阳极气体流量控制最大可到5 SLPM，阴极气体流量控制最大可达10 SLPM，应用国际一线品牌T型热电偶，连续实时检测燃料电池质量流量数据，为后续开发节能型燃料电池产品技术打下坚实基础。结语工欲善其事，必先利其器。燃料电池测试系统强大的应用功能不仅能帮助科技工作者快速完成分析测试工作，其多功能性特点也有助于材料学、界面科学、电化学、流体力学等多学科交流创新，对我国氢能源技术加速发展，意义非凡。引用资料[1] 西南交通大学 张玉瑾, 《大功率PEMFC空气系统控制策略研究》

本周我们推荐5篇前沿学术成果，针对发光、电池、材料领域，涉及拉曼、荧光技术。发光电池材料“学术简讯”栏目旨在帮助光谱技术使用者时时掌握最新发表的科学研究前沿资讯。我们将每周给您推送新增学术论文：包括但不限于主流期刊Nature index、ACS、RSC、Wiley、Elsevier等，帮助您了解全球范围用户使用 HORIBA 光谱技术的新动态，为您的科学研究提供新思路，激发学术灵感。更多光学光谱文献欢迎访问Wikispectra

p 　　研究人员表示，分析和设计新离子导体的新方法为可充电电池提供了关键部件。新方法的应用可能会加速高能锂电池以及其他能量存储和传输装置(如燃料电池)的发展。 br/ /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/3477e76a-b550-4f8f-87c2-f756b0769936.jpg" title=" 201803300842364192.png" / /p p 　　该图揭示了意向电池电解质材料Li 3 PO 4的晶格结构。 研究人员发现，声波能够穿过固体材料，通过声音振动可以揭示离子带电荷的原子或分子如何通过晶格移动 ，以及它们如何在电池中实际的工作原理。在该图中，氧原子显示为红色，紫色金字塔形状为磷酸盐(PO4)分子。 橙色和绿色的球体是锂的离子。 /p p 　　新方法依赖于对振动通过锂离子导体晶格方式的理解。新方法与抑制离子迁移的方式相关联。这提供了一种方法来发现具有增强离子迁移性的新材料，允许快速充电和放电。同时，该方法还可以降低材料与电池电极的反应性，材料与电池电极的反应会缩短电池的使用寿命。更好的离子迁移率和低反应性这两个特性——往往是相互排斥的。 /p p 　　这个新概念是由W.M领导的一个团队开发的。该团队包括Keck能源教授Yang Shao-Horn，研究生Sokseiha Muy，最近毕业的年仅17岁的博士John Bachman，研究科学家Livia Giordano以及麻省理工学院，橡树岭国家实验室以及东京和慕尼黑的其他9所院校人员。他们的研究结果在 Energy and Environmental Science杂志上报道。 /p p 　　Shao-Horn说，新的设计原则已经有五年的时间了。最初的想法始于她和她的团队用来了解和控制催化水分解，并将其应用于离子传导 - 这一过程不仅是可充电电池的核心，而且也是其他应用的技术关键，如在燃料电池和海水淡化系统中的应用。当带有负电荷的电子从电池的一极流向另一极(从而为装置提供电力)时，正离子以另一种方式流过电解质或夹在这些极之间，以完成流动。 /p p 　　典型地，电解质以液体形式存在时，溶解在有机液体中的锂盐是当今锂离子电池中常见的电解质。但该物质易燃，有时会导致这些电池着火。通过新方法寻找一个可靠的材料来取代锂盐将消除这个问题。 /p p 　　Shao-Horn说，存在多种有前景的固体离子导体，在与锂离子电池的正极和负极接触相比都具有不稳定性的特点。因此，寻找既具有高离子电导率又具有稳定性的新的固体离子导体是至关重要的。但是，通过对许多不同的结构族和成分进行分类，找到最有前途的结构无疑是一项大海捞针的工作。这就是新的设计原则的用武之地。 /p p 　　我们的想法是寻找离子电导率与液体相当的材料，但必须具有固体的长期稳定性。Shao-Horn说研究人员被问到“基本原则是什么”，“在一般的结构层次上，是什么设计原则来控制所需属性的”。研究人员回应理论分析和实验测量相结合的方法现在已经有了一些结果。 /p p 　　该论文的第一作者Muy说：“我们意识到有很多材料可以被发现，但是没有理解或者共同的原则让我们能够合理化发现过程。我们想出了一个可以封装我们的理解并预测哪些材料将处于最佳状态的想法。” /p p 　　Shao-Horn 说，关键是要观察这些固体材料的晶格性质。这决定了诸如热波和声子之类的振动是如何通过材料的。这种观察结构的新方法最终证明能够准确地预测材料的实际性能。一旦你知道了某物质的振动频率，你就可以用它来预测新的化学性质或解释实验结果。 /p p 　　研究人员观察到使用该模型确定的晶格特性与锂离子导体材料的导电性之间具有良好的相关性。她说，“我们做了一些实验来实验性地支持这个想法”，并发现结果非常吻合。 /p p 　　他们特别发现，锂的振动频率本身可以通过调整晶格结构、使用化学取代或掺杂剂来微妙地改变原子的结构排列来进行微调。 /p p 　　研究人员表示这个新概念现在可以提供一个强大的工具，用于开发新的性能更好的材料，从而可以大幅度提高可存储在给定尺寸或重量的电池中的功率量，并提高安全性。他们已经用这个新方法筛选出了一些新的材料。而且这些技术还可以适用于分析其他电化学过程的材料，如固体氧化物燃料电池，基于膜的脱盐系统或产生氧气的反应。 /p p 　　该团队包括麻省理工学院的张浩勋， Douglas Abernathy，Dipanshu Bansal和Oak Ridge的Olivier Delaire 东京工业大学的Santoshi Hori和Ryoji Kanno 以及宝马集团位于慕尼黑的研究电池技术公司的Filippo Maglia，Saskia Lupart和Peter Lamp。这项工作得到了宝马，国家科学基金会和美国能源部的支持。 /p p 　　文章来自azonano网站，原文题目为Design principles could point to better electrolytes for next-generation lithium batteries /p p br/ /p

圆柱电芯的膨胀力主要源于电池内部的化学反应和充放电过程中的物理变化。在充电过程中，正极上的活性物质释放电子并嵌入负极，导致正极体积减小，负极体积增大。同时，电解液在充电过程中发生相变及产气副反应，也会造成一定的体积变化。这些因素共同作用，使得圆柱电芯在充放电过程中也会产生膨胀力。随着充放电次数的增加，这种膨胀力逐渐累积，导致电芯的尺寸发生变化。这种尺寸变化不仅会影响电池的外观和使用寿命，还可能对电池的安全性产生影响。因此，准确表征圆柱电芯的膨胀力对于优化电池设计、提高电池性能和安全性具有重要意义。表征圆柱电芯膨胀行为的方法电池的膨胀行为分为尺寸上的膨胀量和力学上的膨胀力测量。目前，对于软包电池、方壳电池膨胀行为的测量表征，已有较多研究和相应的测试手段及设备，在此不再赘述。但对于圆柱型电池的膨胀行为研究相对较少，也没有较好的商业化膨胀力评估手段。目前在文献资料中，常见的圆柱电芯膨胀行为的表征手段主要有以下几种：1、估算法如图1和图2所示，有研究表明圆柱型电池的膨胀变化与电池的SOC和SOH状态具有一定的相关性。但该方法建立在圆柱型电池的膨胀在整个圆周上是均匀的。图 1 单次充放电过程中，圆柱型电池的可逆膨胀变化图 2 电池老化过程中，圆柱型电池的SOH变化与不可逆膨胀之间的关系直接测量法通过在圆柱电芯外部施加压力，通过贴附应变片测量应变，该方式计算复杂，无法直观体现膨胀力。2、影像分析法影像分析法是一种无损检测方法，如利用CT断层扫描、中子成像、X射线、超声波等影像技术观察电芯内部的形变情况，通过分析影像的变化来测算电芯尺寸变化。这种方法适用于多种类型的圆柱电芯，且对电芯无损伤。然而，影像分析法需要使用昂贵的专业设备，且测量精度易受到设备性能和操作人员经验的影响。3、薄膜压力法一般需解剖圆柱电池，在电芯内部嵌入薄膜压力传感器或压敏纸的方式，从而获得圆柱电芯在不同方位上的膨胀力分布情况。但薄膜压力传感器精度一般较低，成本高；而压敏纸分析，具有滞后性。该测试均为破坏性测试。表征圆柱电芯膨胀行为存在的问题有研究表明，圆柱型电池电池实际的膨胀是明显偏离预期的均匀膨胀，在周长上会形成膨胀和收缩的区域，这取决于圆柱型电池的卷芯卷绕方向。因此，使用体积变化来研究老化或预测SOC需要特别谨慎，因为膨胀会因测量位置而显著不同，测量结果可能因测量方法而有偏差。电弛膨胀测试解决方案电弛自主研发的电池膨胀测试系统，高度集成了温控、充放电、伺服控制、高精度传感器等模块，并提供企业级系统组网功能。该系统可对多种电池种类和电池形态的电池进行膨胀行为测试，包括碱金属离子电池(Li/Na/K)、多价离子电池(Zn/Ca/Mg/Al)、其他二次金属离子电池(金属-空气、金属-硫)、固态电池，以及单层极片、模型扣式电池(全电池、半电池、对称电池、扣电三电极)、软包电池、方壳电池、圆柱电池、电芯模组。同时，可为不同形态电池提供定制化夹具，开展手动加压、自动加压、恒压力、脉冲恒压、恒间距、压缩模量等不同测试模式的研究。本产品还可方便扩展与电池产气测试、内压测试、成分分析的定制集成。为锂电池材料研发、工艺优化、充放电策略的分析研究提供了良好的技术支持。参考文献Jessica Hemmerling, 2021. Non-Uniform Circumferential Expansion of Cylindrical Li-Ion Cells—The Potato Effect. Batteries, 7, 61.

材料是社会进步的重要物质条件，半导体产业近年来已成为材料产业中备受瞩目的焦点。从沙子到晶片直至元器件的制造和创新，都需要应用不同的表征与检测方法去了解其特殊的物理化学性能，从而为生产工艺的改进提供科学依据。仪器信息网策划了“半导体检测”专题，特别邀请到布鲁克光谱中国区总经理赵跃就此专题发表看法。布鲁克光谱中国区总经理 赵跃赵跃先生拥有超过20年科学分析仪器领域丰富的从业经历，先后服务于四家跨国企业，对于科学分析仪器以及材料研发行业具有深刻理解，促进了快速引进国外先进技术服务于中国的科研创新和产业升级。2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会上，明确提出中国力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”的目标。“双碳”目标的直接指向是改变能源结构，即从主要依靠化石能源的能源体系，向零碳的风力、光伏和水电转换。加快能源结构调整，大力发展光伏等新能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的必然选择。目前，光伏产业已成为我国少有的形成国际竞争优势、并有望率先成为高质量发展典范的战略性新兴产业，也是推动我国能源变革的重要引擎。太阳能光伏是通过光生伏特效应直接利用太阳能的绿色能源技术。2021年，全球晶硅光伏电池产能达到423.5GW，同比增长69.8%；总产量达到223.9GW，同比增长37%。中国大陆电池产能继续领跑全球，达到360.6GW，占全球产能的85.1%；总产量达到197.9GW，占全球总产量的88.4%。截止到2021年底，我国光伏装机量为3.1亿千瓦时。据全球能源互联网发展合作组织预测，到2030、2050、2060年我国光伏装机量将分别达到10、32.7、35.51亿千瓦时，到2060年光伏的装机量将是今天的10倍以上。从发电量来看，虽然其发电容量仍只占人类用电总量的很小一部分，不过，从2004年开始，接入电网的光伏发电量以年均60%的速度增长，是当前发展速度最快的能源。2021年我国光伏发电量3259亿千瓦时，同比增长25.1％，全年光伏发电量占总发电量比重达4％。预计到2030年，我国火力发电将从目前的49%下降至28%，光伏发电将上升至27%。预计2030年之后，光伏将超越火电成为所有能源发电中最重要的能源，光伏新能源作为一种可持续能源替代方式，经过几十年发展已经形成相对成熟且有竞争力的产业链。在整个光伏产业链中，上游以晶体硅原料的采集和硅棒、硅锭、硅片的加工制作为主；产业链中游是光伏电池和光伏组件的制作，包括电池片、封装EVA胶膜、玻璃、背板、接线盒、逆变器、太阳能边框及其组合而成的太阳能电池组件、安装系统支架；产业链下游则是光伏电站系统的集成和运营。硅料是光伏行业中最上游的产业，是光伏电池组件所使用硅片的原材料，其市场占有率在90%以上，而且在今后相当长一段时期也依然是光伏电池的主流材料。在2011年以前，多晶硅料制备技术一直掌握在美、德、日、韩等国外厂商手中，国内企业主要依赖进口。近几年随着国内多晶硅料厂商在技术及工艺上取得突破，国外厂商对多晶硅料的垄断局面被打破。我国多晶硅料生产能力不断提高，综合能耗不断下降，生产管理和成本控制已达全球领先水平。2021年，全球多晶硅总产量64.2万吨，其中中国多晶硅产量50.5万吨，约占全球总产品的79%。全球前十硅料生产企业中中国有7家，世界多晶硅料生产中心已移至中国，我国多晶硅料自给率大幅提升。与此同时，在多晶硅直接下游硅片生产中，因单晶硅片纯度更高，转化效率更高， 消费占比也不断走高，至 2020 年，单晶硅片占比已达 90%的水平。用于光伏生产的太阳能级多晶硅料一般纯度在6N～9N之间。无论对于上游的硅料生产，还是单晶硅片、多晶硅片生产，硅中氧含量、碳含量、III族、V族施主、受主元素含量、氮含量测量是硅材料界非常重要的课题，直接影响硅片电学性能。故准确测试上游硅料、单晶硅片中相应杂质元素含量显得尤为必要、重要。在过去的十几年中，ASTM International（前身为美国材料与试验协会）已经对上述杂质元素的定量分析方法提出了国际普遍通行的标准，其中，分子振动光谱学方法因其相对低廉的设备成本、快速、无损、高灵敏度的测试过程，以及较低的检测下限，倍受业内从事品质控制的机构和组织的青睐。值得一提的是，我国也在近几年陆续制定和出台了多个以分子振动光谱学为品控方法的相关行业标准 （见附录）。这标志着我国硅料生产与品控规范进入了更成熟、更完善、更科学、更自主的新阶段。德国布鲁克集团，作为分子振动光谱仪器领域的领军企业，几十年来坚持为工业生产和科学研究提供先进方法学的助力。由布鲁克光谱（Bruker Optics）研发制造的CryoSAS全自动、高灵敏度低温硅分析系统，基于傅立叶变换红外光谱技术，专为工业环境使用而设计。顺应ASTM及我国相关标准中的测试要求，此系统可以室温和低温下（＜15K）工作，通过测试中/远红外波段（1250-250cm-1）硅单晶红外吸收光谱（此波段红外吸光光谱涵盖了硅晶体中间隙氧，代位碳，III-V族施主、受主元素以及氮氧复合体吸收谱带。），可以直接或间接计算出相应杂质元素含量值。检测下限可低至ppta(施主，受主杂质)和ppba量级(代位碳，间隙氧)，很好地满足了上游硅料品控的要求，为中游光伏电池和光伏组件的制作打下了扎实的原料品质基础。随着硅晶原料产能的逐年提高，布鲁克公司的 CryoSAS仪器作为光伏产业链上游的重要品控工具之一，已在全球硅料制造业中达到了极高的保有量。随着需求的提升，电子级硅的生产需求也在持续增加。布鲁克公司红外光谱技术也有成熟的方案和设备，目前国内已有多个用户采用并取得了良好的效果。低温下(~12 K)，硅中碳测试结果（上图），硅中硼、磷测试结果（下图）附录：产品国家标准：《GB/T 25074 太阳能级多晶硅》《GB/T 25076 太阳能电池用硅单晶》测试方法国家标准：《GB/T 1557 硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》《GB/T 1558 硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》《GB/T 35306 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》《GB/T 24581 硅单晶中III、V族杂质含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》（布鲁克光谱 供稿）

作者：甘露雨 1,2 陈汝颂 1,2潘弘毅 1,2吴思远 1,2禹习谦 1,2 李泓 1,2第一作者：甘露雨（1996—），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池安全性，E-mail：ganluyu@qq.com；通讯作者：禹习谦，研究员，研究方向为高比能锂电池关键材料、电池先进表征与失效分析，E-mail：xyu@iphy.ac.cn。单位： 1. 中国科学院物理研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院， 北京 100049DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0047摘 要 作为新一代电化学储能体系，锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值。然而，在锂离子电池的商业化进程中，安全性事故时有发生，影响了锂离子电池的大规模应用。本文从电池安全性的三个研究尺度：材料、电芯、系统，综述了与之对应的重要研究方法，其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法。本文介绍了这些方法的基本原理，通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用，并探讨了实验和模拟方法之间的联系，着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加速度量热分析、电芯安全性数值模拟等方法。基于对多尺度研究策略的系统综述，认为安全性研究需要在各个尺度联合同步开展。最后，展望了下一代锂电池，如固态电池、锂金属电池等，可能面临的电池安全性问题。这些新体系的安全性研究仍处于早期，其材料和验证型电芯的安全性研究是当前阶段值得关注的重要课题。关键词 锂离子电池；安全性；实验方法；数值模拟；固态电池；锂金属电池锂离子电池的研究始于1972年Armand等提出的摇椅式电池概念，商业化始于1991年SONY公司推出的钴酸锂电池，经历超过三十年的迭代升级，已经成熟应用于消费电子产品、电动工具等小容量电池市场，并在电动汽车、储能、通信、国防、航空航天等需要大容量储能设备的领域中展现出了巨大的应用价值。然而，自锂离子电池诞生开始，安全性便一直是限制其使用场景的重要问题。早在1987年，加拿大公司Moli Energy基于金属锂负极和MoS2正极推出了第一款商业化的金属锂电池，该款电池在1989年春末发生了多起爆炸事件，直接导致了公司破产，也促使行业转向发展更稳定地使用插层化合物作为负极的锂离子电池。如图1所示，锂离子电池进入消费电子领域后，多次出现了因电池火灾隐患而开展的大规模召回计划，2016年韩国三星公司的Note7手机在全球发生多起火灾和爆炸事故，除了引起全球性的召回计划外，“锂电池安全性”再次成为广受关注的社会话题。在电动交通领域，动力电池的安全性事故伴随着新能源汽车销售量的提升逐渐增加，据统计，中国在2021年有报道的电动车火灾、燃烧事故超过200起，电动汽车安全性成为消费者和电动车企最关心的问题之一。在储能领域，韩国在2017—2021年期间发生了超过30起储能电站事故，2021年4月16日北京大红门储能电站爆炸事故除导致整个电站烧毁外还造成2名消防员牺牲、1名员工失踪。随着锂离子电池的应用场景日益扩大，其安全性在工业界和学术界均引发了广泛的讨论和研究。图1 锂离子电池近年引起的安全事故在锂电池发展的早期阶段，产业界和学术界更关注锂电池发生安全性事故的本质原因，基于长期的认识积累，锂电池发生安全事故的本质可以总结为：电池在过充、过热、撞击、短路等异常使用条件下温度异常升高，引发内部一系列化学反应，引起电池胀气、冒烟、安全阀打开，同时这些反应会大量释放热量使整个电池温度进一步升高，最终各个化学反应剧烈发生，电池温度不可控地迅速上升，引起燃烧或爆炸，导致严重的安全事故，这一过程也被称为电池的“热失控”。电池从异常升温到热失控过程中存在多个重要的化学反应，它们与温度的对应关系如图2所示。图2 锂离子电池热失控的诱发机制随着锂离子电池的广泛应用，关于锂离子电池安全性的研究逐渐深入，从早期简单的描述现象和定性预测，发展为在多个尺度、采用多种手段研究安全性机理，基于精准测量和数值化模型准确预测电池安全性表现，最终提出应用化解决方案的综合性研究策略。如图3所示，目前对于电池安全性的研究一般从理解锂离子电池电芯的热行为出发，包括利用各类滥用条件测试确定电池的安全使用极限和失效表现，利用绝热量热等手段具体分析电池的热失控行为和特征温度，以及利用热失控数值模拟方法模拟电池的热失控表现；在认识电芯热行为的基础上，需要深入材料本质，利用热分析、物质结构和化学成分分析、理论计算等方法理解电芯发生热失控在材料层面的反应机制，从而为设计制造高安全性的电池提供基础理论的指导；此外，电芯作为电池系统的基础，其热失控行为的精准测量和准确模拟也为在系统层面设计更高安全性的电池系统和管理预警方案提供了理论指导。本文从材料热稳定性、电芯热安全性和大型电池系统热安全性三个尺度介绍安全性研究策略，着重介绍几种实验和模拟方法。基于商用体系锂离子电池的研究策略和成果，进一步探讨了这些方法对于产学研各界研发下一代锂电池所具有的重要意义。图3 锂离子电池安全性研究策略1 材料热稳定性研究锂离子电池发生热失控的根本原因是电池中的材料在特定条件下不稳定，从而发生不可控的放热反应。目前商业化使用的电池材料中，与安全性关系最密切的主要是充电态(脱锂态)过渡金属氧化物正极、充电态(嵌锂态)石墨负极、碳酸酯类电解液和隔膜，其中前三者在高温下均不稳定且会发生相互作用，在短时间内释放大量的热量，而现行常用的聚合物隔膜则会在140～150 ℃熔融皱缩，导致电池中的正负极直接接触，以内短路的形式快速放热。研究人员自20世纪末开始进行了大量材料热稳定性的研究工作，发展了以热分析认识材料热行为，结合形貌、结构、元素成分和价态表征综合研究内在机理的研究方法。近年来计算材料学的发展也为从原子尺度模拟预测材料的稳定性提供了新的方法和手段。1.1 热分析方法热分析是最直接和直观认识材料热行为的方法，指在一定程序控温(和一定气氛)下，测量物质的某种物理性质与温度或时间关系的一类技术。对于电池材料来说，一般关注其质量、成分、吸放热行为随温度的变化关系。质量与温度的关系可通过热重分析获得，吸放热与温度的关系可通过差示扫描量热法获得，TG和DSC可以设计在同一台仪器中同步测试，该种方法又被称为同步热分析。TG、DSC、STA等仪器通常采用线性升温程序，通过热天平、热流传感器等记录样品的质量、吸放热变化，由于发展时间较早，测试技术和设备工程化水平较为成熟，已成为认识材料稳定性最重要的测试手段之一。基于热分析结果可以确定材料发生相变、分解或化学反应的起始温度、反应量和放热量，但在锂离子电池中，往往更关心充电态材料在电解液环境下的稳定性和反应热。良好的热稳定性是电池材料进入应用的必要条件，而产热量和产热速度则影响电池热失控的剧烈程度。用于常规热分析样品的坩埚一般为敞口氧化铝材质或开孔的铝金属材质，为了研究材料在易挥发电解液中的热表现，需要使用自制或设备厂商专门提供的密封容器。Maleki等通过STA系统研究了钴酸锂/石墨圆柱电池中各种材料的热分解行为，由于电解液采用高沸点的EC溶剂，所以仅在敞口容器中便可以测试，研究发现全电池截止电压4.15 V时，脱锂态钴酸锂在178 ℃发生分解，产生的氧气和电解液反应释放大量热量，释放的能量达到407 J/g，嵌锂态负极的SEI会优先分解，温度在125 ℃之前，之后会出现持续的放热反应，释放能量为697 J/g，而当负极发生析锂后释放能量会上升到827 J/g，这一结论有力支持了近年来析锂电池安全性下降的报道。Yamada等利用DSC确认了充电态磷酸铁锂(LiFePO4)的稳定性很好，与电解液的反应温度大于250 ℃，放热量仅为147 J/g，显著低于层状氧化物材料。Noh等利用密封容器系统研究了不同Ni含量的三元正极材料Li(NixCoyMnz)O2，比较热分析结果发现脱锂态三元材料的热稳定性与Ni含量呈现负相关性，且在x0.6之后加速下降。材料经过改性后，其稳定性需要通过热分析进行确认，研究人员基于DSC发现核壳浓度、包覆等方法均能不同程度地提高正极材料的热稳定性。需要注意的是，热分析的数据质量与实验条件、样品制备方法密切相关，目前并没有严格一致的测试规范，文献中不同单位之间的测试结果横向对比性很差，很多电池材料的热稳定性尚缺乏准确定量的结论。除了DSC、TG外，还有一类特殊的热分析方法是利用加速度量热仪研究反应的起始温度。与常规热分析采用线性升温不同，ARC使用的升温程序是加热-等待-检索模式，即步进式地在每个温度点保持恒温，如果检索程序发现样品的升温速率超过0.02 K/min，则通过同步样品的升温速率保持样品处于绝热状态，从而跟踪样品的自加热升温过程，否则开始加热至下一个温度点进行恒温、检索。不难发现，ARC获取的是样品近似热力学上的失稳温度，由于检测精度高，获得的失稳温度往往比DSC、TG等方法获得的低很多。Dahn课题组基于ARC测试了大量材料-电解液体系的反应起始温度，基本均低于DSC数据中的放热主峰。事实上，Wang等在低升温速率的DSC测试中也发现充电态材料与电解液的放热起始点远早于剧烈的放热峰。这些信息表明材料失稳到完全失控的过程并不是突变式的，整个体系动态演变的过程仍然缺乏深入的研究认识。图4 (a) DSC基本原理；(b) 脱锂态正极-电解液的DSC测试结果1.2 物相分析技术电池材料在升温过程中发生相变和化学反应，其形貌、结构、成分和元素价态都有可能发生变化，这些变化需要基于对应的方法进行表征分析，如利用扫描电子显微镜观察材料热分解前后的形貌变化，利用X射线衍射和光谱学研究材料结构和元素价态演变。由于材料热分解和热反应存在显著的动力学效应，在加热过程中原位测试可以最大程度地还原物相变化的真实过程。目前较为成熟的原位表征技术主要有两类：一类是与热分析仪器串联使用的质谱、红外光谱等，可以实时监测物质分解产生的气体类型，判断材料加热过程中化学组成的变化；另一类是原位X射线衍射技术，通过特制的样品台，可以在升温过程中实时、原位测定材料的结构变化，目前全球多数同步辐射光源和一些实验室级的X射线衍射仪上都可以实现原位变温XRD测试。Nam等利用变温XRD发现脱锂态LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2结构在350 ℃向尖晶石转变，而加入电解液后该转变温度会下降至304 ℃。Yoon等在LiNi0.8Co0.2O2中发现了类似的规律，并发现MgO包覆可以改善脱锂态正极在电解液中的相变。图5展示了变温XRD和MS的联用技术，系统研究了不同Ni含量的脱锂态NCM三元正极在升温过程中的结构和成分变化，研究发现三元正极失稳释放氧气的过程与结构在高温下转化为尖晶石相的行为直接对应，且这一过程的起始温度随镍含量的上升显著下降，NCM523的起始相变温度约为240 ℃，NCM811则小于150 ℃，从体相结构的本征变化解释了高镍正极在电池应用中热安全性差的原因。以上工作都是基于同步辐射光源实现的，由于同步辐射提供的光源质量高、扫谱速度快，更适用于研究与时间相关的动力学问题。除此之外，近年来基于X射线谱学以及拉曼光谱实现同步表征的方法均有所发展。结合通过热分析手段观察得到的材料热行为信息，并对升温过程中材料物相变化的研究，可以更深刻地理解材料演变以及电池体系热失稳的动力学过程，为材料的安全性改良提供理论指导。图5 基于原位XRD和质谱对镍钴锰酸锂结构稳定性的研究1.3 计算材料学基于材料原子结构计算预测材料的全部性质是计算材料学家的终极追求。材料的热力学稳定性可以基于密度泛函理论计算。DFT中判断材料稳定性的依据是反应前后的能量差ΔE是否小于0，如果ΔE小于0，反应能发生，则反应物不稳定，反之同理。Ceder等在1998年就计算了LiCoO2脱锂过程结构相变的过程，计算结果与实验结果吻合良好。然而目前大多数热力学计算不考虑温度效应，且热力学只能作为反应进行方向的判据，无法预测反应速率等动力学问题，考虑温度和动力学计算则需要使用成本较高的分子动力学、蒙特卡洛或者过渡态搜索方法。相对于材料本身的稳定性，计算材料学对于计算预测两种材料间的界面稳定性存在一定优势。Ceder等计算了不同正极和固态电解质之间的稳定性，为选取界面包覆的材料提供理论指导。Cheng等利用AIMD模拟Li6PS5Cl|Li界面，发现界面副反应会持续发生，材料界面之间的副反应是自发发生的，与通常认为的界面钝化效应有所差异。此外，正极材料中的相变析氧、过渡金属迁移等问题的计算模拟也都处于初期开发阶段，仍需持续探索。总的来说，目前阶段材料层级的理论模拟技术与实验技术的差距仍然较远，需要研究人员的持续努力。2 电芯热安全性研究电芯指电池单体，是将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子。电芯的热安全性特征是电池工业界最关注的内容之一，它是电池材料热稳定性的集中表现，也是制定规模化电池系统安全预警和防护策略的基础。由于电芯内部具有一定的结构，其安全性会呈现一些在纯材料研究中不被讨论的特点，使得电芯安全性具有更广泛的外延和认识角度。工业上一般通过滥用实验来研究和验证电芯产品的安全性，近年来基于扩展体积加速度量热仪(又称EV-ARC)的安全性测试方法有较快发展，此外电芯安全性模拟方法也从早期的定性分析发展到可以准确仿真预测热失控进展的水平。2.1 滥用测试国际电工委员会(IEC)、保险商实验室(UL)和日本蓄电池协会(JSBA)最初定义了消费电子产品电芯的滥用测试，模拟电芯工作可能遇到的极端条件，通常分为热滥用、电滥用和机械滥用。常见的热滥用为热箱实验，电滥用包括过充电和外部短路实验，机械滥用包括针刺、挤压、冲击和振动等。企业和行业标准一般将电池对滥用测试的响应描述为无变化、泄漏、燃烧、爆炸等，也可基于附加的传感器和检测系统记录温度、气体、电压对滥用的响应。电芯通过滥用测试的标准是不燃烧、不爆炸。锂电池应用早期研究人员大量研究了电池对各类滥用测试的响应与使用条件、材料体系、充电电量等的影响，提出了各类滥用机制引发电池热失控的机理。滥用测试中最难通过的项目是针刺测试，近年来关于针刺测试的存废引起了较大争议，但提高电芯的针刺通过率仍是锂电池安全性研究的重要课题之一。由于滥用测试针对的是商用成品电芯和贴近真实的使用条件，目前更多作为电池行业的安全测试标准而非研究手段。2.2 EV-ARC测试早期的ARC只适用于研究少量材料样品的热失控行为，Feng等发展了利用EV-ARC研究大体积电芯绝热热失控行为的方法，研究的方法原理和结论如图6所示，由于EV-ARC的加热腔更大，所以需要更精准的控温技术和更严格的校准方案。基于EV-ARC测试可以定量标定出电芯热失控的特征温度T1、T2和T3，分别对应电芯自放热起始温度、电芯热失控起始温度和电芯最高温度，为评价电芯安全性提供了更精确定量的评价指标，标准化的测试条件可以帮助建立统一可靠的电芯热失控行为数据库，分析了不同体系电芯的热失控机理。Feng等利用EV-ARC首次提出正负极之间的化学串扰会引起电芯在不发生大规模内短路的情况下热失控，说明脱锂正极释氧是现阶段影响电芯安全性的关键因素。Li等研究快充后的电芯发现快充析锂导致T1大幅下降，说明析锂同样是电芯安全监测中需要重点关注的问题。以上这些问题都是在常规的滥用测试中难以定量验证的。图6 基于EV-ARC对电芯热失控的研究相比于普通的加热滥用实验，EV-ARC实验环境的温度由程序精确控制，获得的测试结果重复性更好、数据可解读性更高，近年来已成为评价和研究电芯安全性的重要手段。然而EV-ARC模拟的绝热热失控环境与真实的电池滥用工况仍有所差异，评价电芯的实际安全性仍需大量模拟真实严苛工况的测试手段。2.3 高速成像技术为了更直观地理解热失控过程中电池内部物质、结构的演化，研究人员发展了结合红外测温以及原位针刺等辅助功能的透射X射线显微方法如图7(a)～(c)所示。由于热失控往往是在极短的时间内发生剧烈的反应，同时伴随剧烈的物相、结构变化。这一特点给TXM表征方法提出了相当高的时间分辨率的要求。实验室X光源能够发射出的X射线光电子数量有限，采集一组TXM影像数据需要较长的时间。为了观察剧烈变化的热失控过程，Finegan等在欧洲同步辐射实验室(ESRF)使用同步辐射光源将TXM的曝光时间降低至44 μs，配合针内预埋的热电偶温度传感器，实现了对针刺发生时电池内部形貌与刺入点温度的同步监控。该团队利用这种手段研究了刺针纵向与径向刺入18650商业圆柱电池时电池内部热失控行为的差异。Yokoshima等采用实验室光源进行连续实时的透射X射线照相技术，也得到了软包电池在针刺过程中结构随时间变化的一组透射投影图。该方法以4 ms的时间分辨率较为清晰地观察到了针刺入软包电池后电池内部每一层材料的形变过程，以及针刺深度与热失控程度的对应关系。图7 基于X射线成像技术对电芯热失控的研究由于透射投影图只能反映某一方向上二维的信息，如果要对真实三维空间中物质的分布做精确地定量，需要借助计算机成像技术。如图7(d)所示，Finegan等利用同步辐射光源X射线高亮度的特征，在欧洲同步辐射装置(ESRF)的线站上搭建了一套集合原位红外加热、红外测温与高速CT的装置。使用红外加热，实现在线的18650电池升温，同时进行连续的X射线CT成像。连续扫描的TXM投影图能够反映极高时间分辨率的热失控电池内部情形。基于每500张TXM重构得到1个X射线CT结果能够达到2.5帧每秒，实现了一定时间分辨率的电池内部空间分布成像。通过CT结果能够清晰地看到热失控过程中各个阶段的电池材料变化，如电极活性物质层破损、铜集流体融化再团聚等。结合TXM技术获得的投影图和高速X射线CT结果，可以清晰认识热失控过程中电池内部不同位置各个材料的反应、产气、结构破坏等失效行为。另一方面，配合诸如针刺、红外加热、挤压、拉伸等原位实验，可以帮助研究与理解电池的各类宏观失效行为。2.4 电芯热失控数值模拟电芯安全测试的维度广、涉及的测试项目多，通过实验评价电芯安全性需要大量样品和时间成本。同时，产品级电芯的研发周期长、成本高，安全性评估往往处于电芯研发周期的后端。通过数值模拟方法预测电芯安全性测试表现可以大幅度降低实验成本，且在产品研发的前期便对体系的安全性做出判断，大大提高研发效率。电芯热失控数值模型的核心是准确描述电芯热失控过程中的化学反应及吸放热量，从而基于能量守恒模拟电池温度在不同条件下的动态变化。化学反应的吸放热一般通过Arrhenius公式描述 (1)式中，图片指反应的产热量；图片为反应物的质量；图片为反应单位质量的吸放热；α为反应的归一化反应量；图片为机理函数；图片为反应的指前因子；图片为反应活化能。通过热分析实验可以测定求解以上参数，这也是热分析动力学的基本问题。电芯升温过程中内部会发生多个反应，它们对电芯升温的贡献可以看作线性叠加，通过准确描述所有反应即能较为精准地预测电芯在不同条件下的温度变化行为 (2)上述方程中，图片为电芯密度；图片为等压比热容；图片、图片、图片为电芯中沿各个方向的热导率；图片为对所有化学反应的产热速率求和；图片为电池与环境换热所引起的能量变化。预测温度变化需要求解二阶含时偏微分方程，如果认为电池中的反应和空间无关，电芯温度均匀上升且电芯体系与外界无热交换，也可简化为一阶微分方程 (3)基于该理论，Hatchard等将电池中主要的化学反应总结为SEI分解、负极-电解液反应、正极-电解液反应、电解液分解反应，计算了方形和圆柱电芯在热箱中的热行为。Spotnitz等总结了早期文献中的反应动力学参数，并基于均一电芯模型系统预测了不同材料体系的电芯在各类滥用测试中的表现。通过理论模拟，可以仅基于少量小规模实验数据对实际电芯的安全性表现进行系统预测。Feng等、Ren等基于热分析动力学和非线性优化算法重新标定了电池中关键反应的动力学参数并进行了更准确的热失控模拟，他们的模型利用DSC测试获得的参数准确预测了电池在ARC中的热失控表现，可以进一步用于预测热箱、短路等条件下的安全性。需要指出的是，不同材料体系、配方和工艺的电芯中涉及的反应机制和动力学可能存在差异，如近年来电芯内短路、正极-电解液反应和正负极化学串扰三者是否均在热失控过程中主导发生的问题引起了广泛争论，安全性的数学模拟并非空中楼阁，而是建立在具体实验和对电池内部化学反应深刻理解的基础上。由于算力的限制，早期的安全性仿真工作大多不考虑温度空间分布或只计算一维分布，而空间分布在大容量电池和真实工况中是不可忽略的，Kim等、Guo等较早提出了描述热失控温度分布的三维电池模型。近年来数值计算方法的发展和商业计算软件的成熟大幅降低了安全性模拟仿真的难度，Feng等利用商业化的有限元计算软件Comsol Multiphysics建立了大容量三元方形锂离子电芯的热失控仿真模型，可以模拟电芯在短路状态下热失控过程和温度的分布，与实测有较好地拟合结果。除了电芯的热行为，电滥用和力学失效对安全性也存在一定的影响，目前，通过构建电-热耦合模型研究电池非等温电化学性能和短路热失效表现的方法目前已较成熟[59-60]，而力学失效如碰撞、针刺等引起热失控的数值模型仍需要持续地开发。3 系统热安全性研究电池系统的安全性是目前锂电池应用面临的最直接问题，其研究重点是系统中热失控的扩展规律与抑制、预警措施。目前商品化电芯的热失控无法完全避免，在系统层面防止热失控扩展是可能的安全性解决方案。在系统层级开展实验研究的成本较高，但难以避免，在模拟仿真的辅助下可以提前预测优化系统设计，降低实验成本。3.1 热失控扩展和火灾危险性测试电池系统热扩展的实验研究成本和危险性较高，主要方法是通过加热、过充、针刺等方式诱发电芯单体的热失控，并利用接触式热电耦、红外测温等手段研究温度在系统中的分布和变化，这种方式只能获得局部多点的热失控信息。Wang团队在国内首次开发了全尺寸锂离子电池火灾危险性测试平台，用来测量大尺寸动力电池及电池组的燃烧特性，除了可以获得电池温度变化外，还可以获得电池组失控过程中的质量变化、火焰温度等信息，同时基于锥形火焰量热等技术可以测定大型电池系统宏观燃烧所释放的能量。与电芯EV-ARC等方法获得的信息不同，在真实环

早在上世纪五十年代，美国贝尔实验室的研究者就发明了单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现了太阳光能转换成电能的突破，并成功用于人造卫星，当时的光电转换效率仅有5%左右。近几年，研究人员通过材料结构工程和高端设备开发的协同创新，将单晶硅太阳电池的光电转换效率提高到26.8%，接近理论极限29.4%，制造成本和综合发电成本大幅度下降，在我国大部分地区达到平价上网。同时，单晶硅太阳电池在光伏市场的占有率也上升到95%以上。除了常规太阳电池在地面光伏电站和分布式光伏的大规模应用以外，柔性太阳电池在可穿戴电子、移动通讯、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域也具有巨大的发展空间，然而目前尚未开发出商用的高效、轻质、大面积、低成本柔性太阳电池满足该领域的应用需求。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。根据这一现象，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽，改变介观尺度上的结构对称性，结合有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，发现单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为。同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，60微米厚度的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下；也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度。相关成果于5月24日在《自然》（Nature）杂志发表，并被选为当期的封面文章。论文通讯作者、上海微系统所研究员狄增峰介绍道:“对于具有表面尖锐‘V’字型沟槽的太阳电池硅片断裂行为的认识，启发了研究团队针对硅片边缘区域进行形貌改变，将尖锐‘V’字型沟槽处理成圆滑‘U’字型沟槽，从而让弯曲应变能够有效分散，有效抑制了应变断裂行为，提升了硅片的柔韧性，最终实现了高效、轻质、柔性的单晶硅太阳电池。”论文通讯作者、上海微系统所研究员刘正新介绍道:“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。”该工作通过简单工艺处理实现了柔性单晶硅太阳电池制造，并在量产线验证了批量生产的可行性，为轻质、柔性单晶硅太阳电池的发展提供了一条可行的技术路线。研究团队开发的大面积柔性光伏组件已经成功应用于临近空间飞行器、建筑光伏一体化和车载光伏等领域。该工作的第一完成单位为中国科学院上海微系统所，第一作者为上海微系统所副研究员刘文柱、长沙理工大学副教授刘玉敬、沙特阿美石油公司博士杨自强和南京师范大学教授徐常清。理论计算与北京航空航天大学副教授丁彬和南京师范大学教授徐常清合作完成。残余应力分析与长沙理工大学教授刘小春和副教授刘玉敬合作完成。高速相机拍摄硅片瞬间断裂过程由阿美石油公司博士杨自强完成。

德国ETAS氢燃料电池HIL方案- FCU HIL测试方案（面向2020年最新版）ETAS GmbH 成立于 1994 年，是罗伯特博世联合企业的一部分，是车用电子控制系统以 及相关嵌入式控制系统软件开发工具和测试设备的领先供应商。ETAS 致力于为车用嵌 入式系统的整个生命周期提供支持性的创新产品。ETAS 可向全球的汽车 OEM 以及电控 单元的一级供应商提供产品与服务。本公司在全球拥有约 700 名员工，年营业额达到约 1.4 亿欧元。以下是有关本公司的概要介绍。ETAS 全球化网络是在全球范围内构建起的一个由办事机构和研发中心组成的网络，通 过该网络进行产品的开发、配置并提供技术支持。本公司相信，对于建立长期、成功 的客户关系来说，在地理位置上与客户接近将具有至关重要的意义。ETAS 集团总部位 于德国斯图加特，在美国、日本、韩国、中国、印度、法国、英国、意大利、巴西及 俄罗斯联邦均设有地区分公司或办事机构。每一处办事机构都提供客户账户管理、客 户技术支持、区域内项目管理以及工程技术服务资源等。与纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车具有加注时间短，续航里程长等优势，是未来汽车工业可持续化发展的重要方向。目前，氢燃料电池汽车产业正在兴起。氢能是一种清洁能源，氢燃料电池只会产生水和热，并不会产生二氧化碳，对环境无任何污染。 燃料电池电动汽车技术是目前世界环保汽车技术的热点，我国应更加积极开展燃料电池电动汽车技术研究，较快缩小与西方汽车工业发达国家的汽车环保技术的差距，从能源和环保角度来讲，进行燃料电池电動汽车技术开发对能源多样化，发展燃料电池汽车，将促进一系列技术和产业的发展，形成国民经济发展的新增长点。 燃料电池是一种很有前途的清洁能源，在未来很可能代替传统能源成为主要能源。所以，很多国家和跨国集团都极其重视燃料电池技术的开发和研究。美国将燃料电池技术列为国家安全技术 欧盟在2008年制定了2020年氢能与燃料电池发展计划，投资近10亿欧元用于燃料电池与氢能研究、技术开发及验证等方面 加拿大计划将燃料电池发展成国家的之助产业 日本认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心 《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首 我国中长期科学和技术发展规划纲要明确提出，大力发展氢燃料的制取、存储及专用燃料电池技术的开发与研究，提高产业化技术。 近20年来，我国科技人员经过不懈努力，尽管燃料电池及材料的开发和应用得到了极大的进展，但由于研究投入和产业化资金数量很少，燃料技术的总体水平与发达国家相比还有较大差距，燃料电池技术的阻力主要在于基础设施匮乏，技术人才不足，成本高、耐久性差，研究力量分散，产业化体系尚未形成，尤其是缺少企业的参与，很难将研究成果进行示范应用。所以，我国应寻找最佳切入点，根据当前和中长期经济和社会发展需要，集中研究力量，大力推动燃料电池发电技术的发展，加大研发和产业化投入，为我过的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型 燃料电池系统的典型架构-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型进行模拟的依据LABCAR-MODEL-FC（用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型）ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能记录完整的燃料电池系统，包括堆栈、外围设备和柔性ECU。其包含一个可以对水流、温度影响和反应动力学详细模拟的一维PEM-FC堆栈。柔性ECU也能保证在工作站进行直接的闭环试运转。 LABCAR-MODEL-FC模型能确保用户逼真地模拟出燃料电池系统，从而对HiL系统中的ECU进行测试。其模块化的模型架构可以让特定的客户对氢气、氧气和冷却系统进行模拟。 模型扩展装置LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校准的燃料电池系统模拟模型）ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料电池校准）是一种二维的PEM-FC堆栈模型，用于详细地模拟电、水、和压力分布。鉴于此模型具有模块化的设计特点，并且还配有参数化的工具，因此其可以跟现有的LABCAR-MODEL-FC模型进行无缝整合。 两种变体均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整车模拟中（虚拟车辆测试台的模拟模型，用来进行HiL测试）。 LABCAR-MODEL-FC在汽车应用中，通常优先使用PEM-FC燃料电池，因为其具备启动快、能量密度高和动力学稳定的优良特点。为了给客户在此大有前途的创新领域提供支持，ETAS提供了燃料电池系统的LABCAR-MODEL-FC模拟模型，用来进行HiL测试。测试用于燃料电池系统的ECU LABCAR-MODEL组合包括集成电路发动机、用于汽车推进的锂离子电池、电动机、燃料电池、车辆动力学、车辆、驾驶员和环境的仿真模型。在汽车应用中，通常优先使用PEM-FC燃料电池，因为其具备启动快、能量密度高和动力学稳定的优良特点。为了给客户在此大有前途的创新领域提供支持，ETAS提供了燃料电池系统的LABCAR-MODEL-FC模拟模型，用来进行HiL测试。 ETAS的LABCAR-MODEL-FC模拟燃料系统性能。模拟整个系统-从PEM-FC（高分子电解膜燃料电池）堆栈到反应物和冷却剂的供应-以确保对燃料电池系统ECU的可靠性测试和校准。LABCAR-MODEL-FC可以模拟堆栈、氢气供应、氧气供应和冷却剂供应的详细过程。此技术基于对物理过程的精确模拟，而这些模拟都是基于对电解反应的复杂计算以及基于对堆栈和外围设备之间相互作用的复杂计算得出。鉴于现代燃料电池堆栈的复杂性,要对堆栈进行一维（1D）空间分布模拟。为了满足当前和未来的要求，可以实现对二维（2D）堆栈模拟进行特殊扩展，其燃料电池系统的模拟模型可用于完成基于HiL的校准（LABCAR-MODEL-FCCAL）。基于PC的模拟目标LABCAR-RTPC能为实时模拟提供所需的电源。 LABCAR-MODEL-FC模拟模型可以让用户在硬件在环测试台上对燃料电池的ECU进行早期的测试和优化。 将高成本的测试和安全相关的应用转移到硬件在环测试台上，从而在开发过程中让顾客直接受益。应用实例包括模拟PEM-FC燃料电池堆栈的冷启动调节或模拟氢气供应的临界处理。 ETAS模拟模型的优势ETAS燃料电池模型包括用于模拟堆栈和外围设备的Simulink® 元件库和各种电解槽模型。模型的实时性有利于测试燃料电池ECU时与ETASHiL系统的整合，还可以同时进行安全相关的故障模拟和ECU软件的初始预标定。由于这些模型考虑到了所有相关的物理现象，可以用来测试所有项目，包括基础软件、高级控制、操作和诊断性功能。ETAS的模拟模型组合提供HiL模拟，包括独家提供的硬件 、软件和模拟模型。 应用用户可针对具体的汽车要求，进行大量的典型性闭环ECU测试： l 测试用于氢气供应的典型ECU功能：l 惰性气体测定、清洗方法、气体引射器控制l 测试用于氧气供应的典型ECU功能：l 空气压缩机控制、水再循环l 测试用于冷却系统的典型ECU功能：l 冷却方法、泵控制、散热器激活l 测试用于诊断和管理的典型ECU功能：l 渗漏检测、冷启动、压力协调、紧急关闭l 针对优化运行的设计和校准：l 水管理、电厂辅助设备 优势LABCAR-MODEL-FC有助于对所有项目进行测试，包括基础软件精密控制、运行、和燃料电池ECU的诊断功能。LABCAR-MODEL-FCCAL扩展模型提供了2D堆栈模型，可以实时精准地模拟出电池电压、电解膜状态或水再循环过程，从而满足当前和未来的要求。该模型可以同LABCAR-MODEL-VVTB进行整合（用于HiL测试的虚拟车辆测试台模拟模型）ETAS独家提供硬件、软件和模型，以及客制化技术服务和专家咨询。 用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型（LABCAR-MODEL-FC）包括对PEM-FC堆栈的一维模拟，以及对反应物和冷却剂供应系统进行详细和模块化记录。还能提供操作燃料电池ECU所需的所有相应接口。 用于基于HiL校准的燃料电池系统模拟模型（LABCAR-MODEL-FCCAL）为LABCAR-MODEL-FC模型增加了2D空间分辨堆栈模拟，并且能详细洞察电池性能。除了有助于对ECU在闭环控制回路中运行时的基础校准外，其还能让用户对最佳堆栈运行的功能进行测试，以及在早期开发阶段将电池降解降至最低。 因LABCAR-MODEL-FC和LABCAR-MODEL-FCCAL基于PC的模拟目标LABCAR-RTPC以及开放性，可对其进行定制并满足不同的要求。Simulink® 的开放性安装启用特点让开发者可以选择对ETAS或其它供应商提供的元件模型进行整合。 除了模拟模型外，ETAS还对所有开发需求提供技术支持服务和咨询。用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型 燃料电池系统的典型架构-使用ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型进行模拟的依据LABCAR-MODEL-FC（用于HiL测试的燃料电池系统模拟模型）ETAS的LABCAR-MODEL-FC模型能记录完整的燃料电池系统，包括堆栈、外围设备和柔性ECU。其包含一个可以对水流、温度影响和反应动力学详细模拟的一维PEM-FC堆栈。柔性ECU也能保证在工作站进行直接的闭环试运转。 LABCAR-MODEL-FC模型能确保用户逼真地模拟出燃料电池系统，从而对HiL系统中的ECU进行测试。其模块化的模型架构可以让特定的客户对氢气、氧气和冷却系统进行模拟。 模型扩展装置LABCAR-MODEL-FCCAL模型（用于基于HiL校准的燃料电池系统模拟模型）ETAS的LABCAR-MODEL-FCCAL模型（燃料电池校准）是一种二维的PEM-FC堆栈模型，用于详细地模拟电、水、和压力分布。鉴于此模型具有模块化的设计特点，并且还配有参数化的工具，因此其可以跟现有的LABCAR-MODEL-FC模型进行无缝整合。 两种变体均可整合到LABCAR-MODEL-VVTB模型整车模拟中（虚拟车辆测试台的模拟模型，用来进行HiL测试）。 实时模型运行平台仿真硬件 ES5300 RTPCETAS LABCAR 使用运行实时操作系统 Linux 的标准 PC 进行仿真模型运算。其灵活的结 构可适应 PC 市场的最新发展趋势，用户可将仿真 PC 更换为市场上出现的具有更高性 能的 PC。因此，LABCAR 使用户能在尽可能宽广的测试范围和深度内进行精确仿真， 从而确保了在专用硬件和软件方面投入的高效性。 标准 IPC 进行模型仿真工作 从上图可以看到，采用了四核 CPU 的实时工控机，在 ETAS 软件环境的管理下，可以实 现分核下载，即将不同模型下载到不同的核内并行运行，确保了在复杂任务管理模式 下系统的实时性。标准 PC 还可提供 PCI 和 PCI-Express 总线接口，将需要辅助板卡(例 如使用 CAN 总线进行 ECU 通讯的板卡)集成到整个系统中。 传感器信号仿真传感器信号仿真主要通过 ETAS 自有的 I/O 板卡实现。本方案中普通的信号级传感器信 号采用 ES5350 模拟信号输入输出板卡、ES5321 PWM 及数字信号输出板卡及工程部件 实现；FUEL CELL 相关的温度信号(电阻信号)采用 ES5385.1 模拟 发动机特有信号的模 拟和采集采用 ES5340.2-ICE 板卡实现。ES5300 实时仿真计算机及 ES5350、ES5340、ES5321 和 ES5385.1 电流传感器仿真本方案中推荐采用配置中 30 路 ES5350DAC 输出模拟信号，通过 DB6200 转换为 4- 20mA 电流信号的方式模拟电流传感器。执行器信号采集同上，采用安装在 ES5300 实时仿真机上的 ES5350 模拟输入板卡和 ES5321 PWM 板卡 检测控制器的执行器控制信号。对于特殊的负载，采用真实器件负载箱实现，如高压 接触器和充电电子锁等。 电流采集模块采用 CSM_5PA 板卡来实现。该电流测 模块用于测 动态负载电流。 静态电流测通道数 10最大容许电压 30 V电流测 范围 5,20,30,50 A (手动设置/) 精度 +/- 1% (主要标称电流 IPN )温度测 量 在 PCB 上测 ，进行温度补偿采样频率 高达 1kHz，通过 USB 更新故障注入功能FUEL CELL 信号级 I/O 电气故障注入，采用 ES5398 和 ES4440 故障注入设备实现。故障模拟模块 ES5398用于实时环境下 ECU 自动测试的故障模拟。它可与硬件在环测试系统结合使用。 ES5398.1 采用 PCI/Express 接口安装于 ES5300 系统中。ES5398.1 模块每块板卡提供 40个故障注入通道。 实验环境 EE 提供了测试执行的用户界面。它提供了实验和图形用户界面，集成的 参数和数据管理，代码下载，实验执行，实时信号产生和测量数据记录方法，以及信 号管理。实验环境是整个测试项目中手动测试的环境，所有的测试都在这里进行。有 LABCAR IP 生成的实时代码需要在这里下载到 RTPC 里面并且开始模拟。通过 Experi- ment Explorer 窗口中进行参数集群和文件管理也是 LABCAR 软件的特色。EE 软件用户界面和虚拟仪表EE 里面还有不同的图像组件，包括常用的各种虚拟仪表，可以用来做成不同的用 户界面。EE 里面可以观察和修改标定量，控制模型的运行，选择不同的运行模式，实 时记录运行数据，以及接入编写的信号发生器信号。同时用户可以方便地通过拖拽来 加入或编辑这些组件。 实验环境中 EE 的组件操作 故障仿真软件LABCAR-PINCONTROL V2.0 为故障仿真箱 ESES5398 的配套软件，具有方便用户使用的 接口，可实现 ES5398 的手动操作，是 ES5398 的重要组成部分，操作界面友好，其操 作界面请参见下图。软件可实现的功能如下：• 创建并管理故障模式，产生 ECU 信号的一系列故障。如氧传感器故障• 简化故障仿真信号的选取• 设置故障产生的时间• 通过点击鼠标来触发故障• 设置多台 ES5398 同时使用• 提供自动化测试的 API 接口等。• 通过 Excel 表格进行故障配置和定义 LABCAR_PINCONTROL 的配置界面 模型方案 燃料电池堆动力学模型ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 是一个 1-D+1-D 的燃料电池堆站模型，该模型包含 1-D 的 燃料电池单体膜模型和 1-D 的双电极及气体通道仿真模型。1-D 的燃料电池单体膜模型 能够对燃料电池膜的内阻，电极之间氧和氢反映生成水的情况进行仿真；1-D 的双电极 及气体通道仿真模型能够仿真双电极间气体在通道内非线性分布的特性，包括温度， 电流，沿电芯堆叠方向的气体压力变化，以及对冰点温度影响等。ETAS LABCAR-MODEL-FCCAL 模型可以考虑为将燃料电池堆沿着气路方向分为多个小模 块，如下图所示。Z 坐标所示方向为气体流动方向，X/Y 坐标表示垂直于膜和气流方向。每一个小模块代表所有燃料电池功能层，包括两个电极板，气路通道，气体扩散层 以及膜。燃料电池模型的采用上述基本架构，在子系统中包括有完整功能层，每个小模块均可对外提供数据接口，同时也能适用于用户的模型扩展要求。 坐标系描述通过燃料电池系统模型 LABCAR-MODEL-FCCAL 的无时间限制的、节点版操作许可证， 客户被授权在主机上执行 LABCAR-MODEL-FCCAL 的代码生成。LABCAR-MODEL-FCCAL 是通过 MATLAB/Simulink 执行的，用户可以打开并修改模型。 这些元件以 S-Functions 的形式提供，如：已编译的动态链接库，不包含源代码。 LABCAR-MODEL-FCCAL 作为 LABCAR 产品家族的一部分, 能够天然支持 LABCAR 网络 HIL 系统仿真应用。也就是说，只要 LABCAR-MODEL-VVTB 和其他 LABCAR 模型可以在 网络中的 RTPCs 上运行，那么它也支持 LABCAR VARIANT MAN-AGEMENT (LVM) 。 功能LABCAR-MODEL-FCCAL 是一个先进燃料电池堆栈模型。该模型包含了一个一维膜模型，能够仿真薄膜电阻、含水量以及电极之间产生的水交换等特性。 除此之外，它使用了空间分布的 双极板与气体通道双 1-D 维度模型，考虑上述两个维 度上的电堆温度、电流和压力变化的非线性特性。此外还特别考虑了汽车会遇到在冰 点温度下工作的情况。LABCAR-MODEL-FCCAL 仿真模型包含：• 单电池模型，并考虑到电流、温度、反应物化学计量数以及膜湿度对电池电压损耗的 影响计算。• 基于一维膜模型的含水量和水交换量的详细计算。• 一维多组分气体通道模型允许为每个电极指定单独的气体成分。• 不同的流场设计仿真。支持内部电池加湿的顺/逆流量设置。• 基于膜温度模型、电池含水量的非线性动态特性和受温度影响的流体性质的实际冷启 动行为。• 考虑气体通道内液态水的积聚和运动的两相水模型。• 具有两种膜类型的默认堆栈参数设置。 传输范围绑定到单一 MAC 地址的节点版许可文件 燃料电池系统动力学模型 LABCAR-MODEL-FC 模型具备完整的燃料电池系统模型结构，该堆站模型的主要目的是 详细计算气路通道的压力分布，电池膜上的水生成量和电堆中水的相变情况。模型根据功能层特性被划分为冷却回路，燃料电池正负极回路模型等。 模型架构描述通过燃料电池系统模型 LABCAR-MODEL-FC 的无时间限制的、节点版操作许可证，客户 被授权在主机上执行 LABCAR-MODEL-FC 的代码生成。LABCAR-MODEL-FC 是通过 MATLAB/Simulink 执行的，用户可以打开并修改模型。这些元件以 S-Functions 的形式提供，如：已编译的动态链接库，不包含源代码。LABCAR-MODEL-FC 可以被集成到虚拟汽车测试平台 LABCAR-MODEL-VVTB 中，以仿真 一辆燃料电池整车。LABCAR-MODEL-FC 作为 LABCAR 产品家族的一部分, 能够天然支持 LABCAR 网络 HIL 系 统仿真应用。也就是说，只要 LABCAR-MODEL-VVTB 和其他 LABCAR 模型可以在网络中 的 RTPCs 上运行，那么它也支持 LABCAR VARIANT MAN-AGEMENT (LVM) 。功能LABCAR-MODEL-FC 仿真模型是一个用于燃料电池控制单元（FCCU）闭环控制测试应用 的燃料电池系统模型，它被用于在汽车环境中对 FCCU 进行测试和验证。 它包含的子系统分别代表一个 1-D PEM 的燃料电池堆、供氢回路、供氧回路和冷却回 路。LABCAR-MODEL-FC 所提供的系统架构根据它的组成回路划分。下图是模型组件的 概述。氧供应系统 氧供应系统包含以下组成部分：• 压缩机• 中冷器• 增湿器• 旁路• 节流通风孔• 排气和进气歧管 氧供应系统 氢供应系统 氢供应系统包含以下组成部分：• 带截止阀的氢罐• 减压器• 氢气喷嘴及中阀• 液态水分离器• 氢循环泵• 排气/排空阀• 排气和进气歧管 冷却回路系统 冷却回路包含以下组成部分：• 电磁阀• 加热器• 散热器• 冷却泵• 排气和进气歧管 冷却液供应系统 绑定到单一 MAC 地址的节点版许可文件 软件兼容性LABCAR-MODEL-FC 支持以下软件版本：• LABCAR-OPERATOR5.4.7,MATLAB/Simulink 2014b 64Bit 如果需要更多信息，请查看 LABCAR-MODEL-FC 的版本注释中的软件兼容性表。 请注意• 安装媒介不包含该许可证，它作为一个单独的项目提供。• 强烈建议用户每年单独采购软件升级维护服务。• 该许可证只允许代码生成。若需要实时运行模型，需要一个实时运行许可证。该许可 证需要单独采购。• 该许可证只允许本机使用，禁止远程访问。• 若要将模型加载到一个 LABCAR-OPERATOR 项目中，需要 MATLAB 和 Simulink 代码。 两者必须单独购买。附加项目• 一年的软件服务协议 (LCM_FC_SRV-ME52) 。• 一个运行时间许可证 (LCM_FC_RT_LIC-MP) 。• 安装媒介 (LCM_FC_PROD) 。• 用于实时仿真的先进二维堆栈模型 (LCM_FCCAL_LIC-MP) 。 ECU 线束设计和制作 在 HIL 系统中需要针对要连接的 ECU 准备连接线束，将 ECU 连接到 LABCAR 的连接器 BOB 面板。线束的设计和制作都是较为复杂的工作，至少为首次使用 ETAS LABCAR 系&nb软件开发的每个步骤 （直到售后诊断）， 他们分布到不同的应用领域，

11月19日，隆基绿能（601012）在第十六届中国新能源国际博览会暨高峰论坛上表示，公司自主研发的硅异质结电池转换效率达到26.81%，并经德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)的最新认证。据了解，新纪录是继2017年日本公司创造单结晶硅电池效率纪录26.7%以来，时隔五年诞生的最新世界纪录，也是光伏史上第一次由中国太阳能科技企业创造的硅电池效率世界纪录。推动光伏产业降本增效“世界太阳能之父”、新南威尔士大学教授马丁.格林11月19日通过视频宣布，隆基绿能26.81%的电池效率是目前全球硅基太阳能电池效率的最高纪录(不分技术路线)。隆基绿能创始人、总裁李振国表示：“提升转换效率、降低度电成本是光伏产业发展的永恒主题。太阳能电池效率是光伏科技创新的灯塔，每一次0.01的突破都充满挑战。尤其是晶硅电池在目前的光伏市场中占比近95%，所以晶硅太阳能电池的极限效率决定了、也展示了光伏技术的发展潜力和光伏产业的发展方向，在整个光伏领域具有重要的意义。”中国科学技术协会党组书记张玉卓表示，此次打破世界纪录在我国光伏产业发展史上具有里程碑意义，这不仅充分彰显了我国光伏企业硅太阳能电池制造的科技实力，也有力提振了我国在更多科技领域走向世界前列的信心和决心。记者了解到，光伏制造业和光伏设备行业的高弹性与高估值很大程度上来源于其降本增效过程中众多颠覆性技术创新带来的价值重塑。HJT(异质结)是未来具有想象力的技术路线，而发电成本则依赖于太阳能电池的光电转换效率。隆基绿能此次公布的硅异质结电池转换效率达到26.81%，将为实现“双碳”目标提供重要科技支撑。近期连续三次刷新世界纪录据了解，此次突破世界纪录的隆基绿能高效晶硅异质结电池研发团队从2021年6月至今，不断打破并刷新原先的硅异质结电池世界纪录，从25.26%提升到26.81%，实现了一年四个月的时间里绝对值增加1.55%。尤其是在一个多月时间内，隆基绿能就分别以26.74%、26.78%、26.81%“连中三元”，刷新硅太阳能电池效率新纪录，再次印证了隆基绿能持续聚焦科技研发，推动产业进步的决心。业内人士表示，这种成熟的技术和全硅片大面积的世界纪录在整个光伏技术开发历史上也是非常罕见的。隆基绿能此次突破硅太阳能电池效率世界纪录也受到了来自国际能源署、全球能源转型委员会、世界可持续发展工商理事会、全球各国行业协会及行业组织等的关注。李振国曾多次表示，惟有依靠科技创新，抓住全球能源变革的机会，以创新驱动增长，才能按计划实现低碳、乃至零碳的跨越式发展，增强全球的气候韧性。光伏科技创新是应对气候变化的有力武器，并会在实现联合国“2030”可持续发展目标过程中发挥关键作用。

创元开始代理日本真空理工公司热电特性评价装置ZEM-3 近日王道元院长/董事长受国内SPS客户的委托拜访了日本著名高科技公司------日本真空理工公司（Ulvac-riko、Inc.）。该公司是王道元博士曾经过工作过的Ulvac公司的子公司，历史悠久技术先进。很多和材料有关的设备都非常受国内同行的青睐。热电特性评价装置ZEM-3就是其中一种。对于研究热电材料的科学家来说ZEM-3是不可或缺的试验装置。ZEM-3可以精确地测定半导体材料、金属材料及其他热电材料(BiTe, PbTe, Skutterudites等)的Seebeck系数及电导率。该产品在该领域处于No.1的地位。主要原理和特点如下该装置由高精度，高灵敏度温度可控的红外线金面反射炉和控制温度用的微型加热源构成。通过PID程序控温，采用四点法的方式精确测定半导体材料及热电材料的Seebeck系数及电导率、电阻率。试样与引线的接触是否正常V-1装置可以自动检出。希望大家感兴趣。请参阅有关资料。 该公司有很多材料相关的产品，下面几个值得关注1. 钢板用高速热处理试验装置CAS系列该装置搭载着红外线金面反射炉可以实现高速加热，急速冷却。本装置适用于薄钢板，厚钢板，不锈钢板，电磁钢板等，及凡用钢板过程热处理仿真试验。2. 发电效率特性测定装置PEM系列 该装置对于热发电模块最大可施加500℃ 的温度差，通过流过模块的线性热流Q,求得发电电力P和 热电转换效率n的测量装置。3. 光触媒测定仪PCC-2本仪器是对光触媒机能的活性度，持续性及相对防污染等性能的测试设备。用于氧化氮成膜条件和稳定性研究与开发。

精彩回看2022 年 3 月 25 日，瑞士步琦携手粉体网开展“为电池行业供能”网络研讨会议，会议中主要介绍电池行业的前沿成果、喷雾干燥技术在电池行业中的技术应用，以及瑞士步琦公司喷雾干燥及造粒解决方案，以期为电池行业的客户提供更加专业的技术服务支持。会后应广大客户的需求，我们整理出更加详细的喷雾干燥相关技术内容，对喷雾干燥实验的流程进行详细分析，希望可以在喷雾干燥技术在各行业的推广提供有利帮助。喷雾干燥技术详解喷雾干燥是一种应用广泛的干燥方法，常用于水/有机溶液、乳浊液和悬浊液以获取干燥粉末。自 20 世纪 40 年代以来，喷雾干燥一直是技术强大且应用广泛的制备方法，应用范围涵盖从化学、制药、生物技术到食品工业等所有主要工业行业。几十年来，喷雾干燥技术是我国发展最快的干燥技术种类之一，它带动了我国的食品制造、冶金、材料、化工和陶瓷等行业的发展。通常，喷雾干燥技术可以用于干燥处理、颗粒造粒、包埋或改变材料结构。在喷雾干燥过程中，物料溶液经雾化器雾化剪切成细小雾滴，并与热气流接触，雾滴中溶剂被蒸发最终形成粉末颗粒。一个完整的喷雾干燥工艺可以分为四个步骤：物料溶液的进样料液雾化雾滴的干燥气固分离01相关仪器BUCHI 小型喷雾干燥仪 B-290 喷雾干燥装置BUCHI 纳米喷雾干燥仪 B-90 HP 喷雾干燥装置✓1.1 物料溶液的进样料液的进样一般通过蠕动泵进行，样品溶液放置于特定的容器中，必要时进行连续的样品搅拌和样品控温操作。通过控制蠕动泵的转速快慢来调节进料的速度，最终使得液体物料流入喷嘴中。实验室小型喷雾干燥仪一般都配有相应的内置式蠕动泵，方便对工艺进行控制。✓1.2 料液雾化雾化是非常重要的一个过程，其影响形成液滴的性状、结构和大小分布，从而影响最终产品粉末的大小和特性。雾化形成的细小雾滴大面积暴露在干燥热气流中，溶剂快速蒸发，所以对热敏感物质也同样适用，最终获得所需形态和物理特性的干燥粉末。根据不同的雾化形式，常见的雾化器有压力式喷嘴、超声喷嘴、二流体喷嘴和旋转盘式喷嘴，如下图所示。*从左到右依次是A二流体喷嘴，B旋转式喷嘴，C压力式喷嘴，D超声喷嘴瑞士步琦（BUCHI）小型喷雾干燥仪B-290可以搭配二流体喷嘴（或三流体喷嘴）和超声波喷嘴进行不同造粒需求的喷雾干燥应用。二流体喷嘴可以应用于实验室小批量样品研发和处理需求量更大的工业生产，而超声喷嘴更适合精细样品处理的实验室设备。喷嘴的选择主要取决于工艺的规模、进样液特性和对成品的需求。此外，BUCHI 2009 年推出的纳米喷雾干燥仪 B-90 的雾化原理与以上提到的方式均有所不同，该产品技术先进，非常适合纳米溶液或小颗粒样品需求的应用。截止目前，市场上仍未同类产品出现。纳米喷雾干燥仪利用压电效应驱动喷头处的金属网筛进行高频震动，从而将进样液剪切产生细小雾滴，可以制备亚微米级和纳米级尺寸的颗粒。*BUCHI 纳米喷雾干燥仪 B-90 HP 压电原理雾化器震动示意简图✓1.3 雾滴的干燥雾化后的细小雾滴与加热介质（干燥热气流）发生密切接触，这个过程在干燥室内进行。喷雾干燥仪器的设计影响着雾滴和热气流的接触方式雾滴在干燥室内的行动轨迹和停留时间、颗粒在干燥室内的沉积。根据物料和热气流进入方向的不同，下图中列出了几种不同的雾滴和热气流的接触干燥方式。实验室小型喷雾干燥仪常见的是采用并流式的模式。这种设计方式的好处在于随着干燥的不断进行，系统温度逐渐降低，所以非常适合热敏性产品的喷雾干燥应用，而且物料损失较低。*喷雾干燥仪气流干燥方式：从左到右，并流式/逆流式/混流式雾滴和热气流接触后，溶剂快速干燥，这个过程本质上是一种物理蒸发过程。液滴中水分的蒸发是颗粒成型过程中最关键的步骤，并且与最终产品形态和质量有关。下图中列出了液滴与热气流接触后的时间-温度变化。一旦液滴暴露在热气体中，它会从初始温度迅速加热到与湿球温度相对应的平衡蒸发温度（图5，AB）。水分不断从液滴表面去除，只要液滴表面保持水分饱和，干燥就会以接近恒定的速率进行（图5，BC）。随着干燥的进行，水分无法以保持饱和的速度供应到湿球表面，液滴表面往往会形成薄壳。壳形成后，水分去除成为一个扩散控制的过程，蒸发速率取决于蒸汽通过壳体干燥表面的扩散速率。在此阶段，粒子将开始加热（图5，CD）。如果液滴温度达到水分沸点，蒸发开始，液滴加热停止，因为能量用于蒸发过程（图5，DE）。一旦去除所有剩余水分，温度再次升高，直到达到周围气体温度，也称为出口温度（图5，EF）。因此，产品暴露的最高温度是出口温度，它是溶剂蒸发焓、液体中固体浓度和通过干燥室壁的热损失关联结果。*图5：雾滴溶剂蒸发过程中温度变化雾滴干燥后最终形成的颗粒形状有多种，受物料性质，溶剂性质以及喷雾干燥过程参数如加热温度，喷嘴结构等多种因素影响，常见的形态如下图所示：*喷雾干燥过程中形成的常见颗粒形状和结构喷雾干燥中最常见也是最经济的干燥介质是空气，干燥空气进入喷雾干燥仪时通常会先连接除湿机和过滤器，进行湿度控制和除灰尘，来确保工艺的稳定和重现性，减少污染。另外，对于那些需要避免爆炸风险和防止敏感样品氧化的喷雾干燥应用，惰性气体则是首选，例如氮气。在使用氮气等惰性气体的情况下，可以考虑建立闭环系统保证惰性环境，同时惰性气体可以再循环利用，并且也可以回收溶剂，无论是产品质量，操作安全还是环境友好性都是最好的方案。✓1.4 气固分离干燥之后的产品通过旋风分离器和布袋除尘器与气流分离的方式（或者其他分离方式），得到喷雾干燥目标产品。旋风分离器因其成本低、维护要求低而被广泛使用。如图7所示，它们利用离心力将固体颗粒与载气分离。气流和颗粒从顶部切向进入旋风分离器，并向下移动，形成一个外部漩涡。外旋涡中不断增加的空气速度对颗粒施加离心力，并将其与气流分离。一旦气流到达旋风分离器的底部，就会产生一个反向的内部漩涡，清洁气体从顶部离开旋风分离器作为废气排出系统。不同大小或密度的颗粒在旋转气流中受到大小不同的离心力：较大颗粒因受到较大的离心力，因此更靠近玻璃壁；随着颗粒约接近壁面，离心力作用变小，颗粒会向下掉落收集在底部收集瓶内。*图7：旋风分离工作原理。虚线箭头表示外部漩涡，而带状箭头表示内部漩涡

华盛顿10月10日电 美国商务部10日作出终裁，认定中国向美国出口的晶体硅光伏电池及组件存在倾销和补贴行为，这基本为美国针对此类产品征收反倾销和反补贴关税(“双反”)扫清了道路。 　　美国商务部当天最终裁定，中国晶体硅光伏电池及组件的生产商或出口商在美国销售此类产品时存在倾销行为，倾销幅度为18.32%至249.96%。同时，还裁定中国输美的此类产品接受了14.78%至15.97%不等的补贴。 　　根据这一终裁结果，倾销幅度从今年5月份初裁的最低31.14%下调至18.32%，最高幅度不变 补贴幅度则大大高于初裁的2.9%至4.73%。 　　按照美方贸易救济程序，除美国商务部外，此案还需美国国际贸易委员会作出终裁。根据目前日程，美国国际贸易委员会定于今年11月23日左右作出终裁。如果美国国际贸易委员会也作出肯定性终裁，即认定从中国进口的此类产品给美国相关产业造成实质性损害或威胁，美国商务部将要求海关对相关产品征收“双反”关税。 　　根据美国商务部公布的数据，2011年美国从中国进口了价值约为31亿美元的晶体硅光伏电池及组件。 　　美国智库人士与相关行业协会多次警告，美国通过征收“双反”关税来保护本土企业，将付出沉重代价。美国廉价太阳能联合会估算，若美方对来自中国的光伏电池及组件征收100%的惩罚性关税，将在未来3年内损失5万个工作岗位。 　　这是今年以来美国对中国发起的又一项贸易救济行动，此前美国方面连续对中国产品发起“双反”和“337调查”。中国商务部多次表示，希望美国政府恪守反对贸易保护主义承诺，共同维护自由、开放、公正的国际贸易环境，以更加理性的方法妥善处理贸易摩擦。 　　美终裁对华光伏产品征34%-47%关税 　　《纽约时报》报道，美国商务部发布最终裁决，决定对大多数从中国进口的太阳能板和太阳能电池产品征收大约34%到接近47%的关税。 　　对大多数中国太阳能企业而言，这一惩罚比奥巴马政府今年早些时候的判决更为严苛。

随着科技的日新月异，智能手机、清洁机器人、无人机、新能源汽车等已越来越多的走进人们的日常生活。作为能量与动力的重要载体 - 锂离子电池也在被越来越多的应用。锂离子电池的性能，直接决定了科技设备的续航时间、行驶里程、载荷能力和安全性等因素。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等四个主要部分组成，其中隔膜是核心关键材料之一，是制约电池安全性、循环寿命、电性能的关键组件。其中隔膜是核心关键材料之一，是制约电池安全性、循环寿命、电性能的关键组件。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。LLOYD材料力学试验机提供完整的锂电池隔膜力学性能测试，主要包括隔膜拉伸强度、延伸率、穿刺强度，剥离强度（涂层复合膜）等。同时LLOYD材料力学测试系统（Lloyd材料试验机）可以完成高精度的锂电池强制内短路测试，确保锂电池更加安全。今天我们首先来介绍阿美特克锂电池材料试验解决方案第一讲——锂电池隔膜拉伸测试。锂电池隔膜拉伸测试隔膜的主要作用是分隔电池的正、负极材料，防止两极接触而短路，同时还能使电解质离子通过其中。在厚度尽可能薄的前提下，需保证具有一定的物理力学强度，以满足隔膜在生产和使用过程中的种种环境。因电池生产工艺中，隔膜需要与正负极材料一同卷曲以形成我们常见的圆柱体或软包电池，足够的拉伸强度可保证隔膜在卷曲过程中不发生破裂，顺利成型。LLOYD隔膜拉伸测试采用气动夹具夹紧，在避免操作人员往复手动操作夹紧的同时，极大的提高了测试速度；同时气动夹紧排出了人为夹持过松导致的打滑现象，进一步的提高了数据稳定性。脚踏式开关可解放出操作人员的双手，以更方便和轻松的放置试样。同时为满足不同人员的操作习惯，还可通过气动辅具上的手动开关进行闭合、松开操作，为用户提供极大的便利性。拉伸试验可测定材料的一系列强度指标和塑性指标、弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标等。LLOYD 具有多种测试行程的主机可满足多类型隔膜的拉伸试验，同时还有单柱1400mm行程的机型可选，充分满足定制化需求的同时兼顾经济性。LLOYD材料力学试验机（Lloyd材料试验机）LLOYD（劳埃德）测试系统源自英国，是美国AMETEK（阿美特克）集团旗下产品。LLOYD材料试验系统专注于轻工检测，以读数级精度，高达8000Hz的单通道数据采样率，最高2032mm/min的测试速度广泛应用于世界500强企业中。LLOYD材料测试系统可准确、便捷的完成材料拉伸，压缩，弯曲，穿刺，剥离，撕裂，摩擦，蠕变，松弛，低频疲劳等多种测试项目。丰富的治具方案可在保证数据准确性的同时为用户提供极大的操作便利性。同时，作为测控系统的核心，专业的Nexygen Plus 操作软件广受广大用户的认可。软件自带庞大的国际标准库，除了ASTM, DIN, EN, ISO, JIS等国际标准，用户也可便捷的自建标准文件。

近日，全球极具创新力的光伏企业晶科能源（“晶科能源”或者“公司”）大面积N型单晶硅单结电池效率达到24.9%，创造了新的世界纪录。该测试结果已获得德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)下属的检测实验室独立认证。图源 晶科能源晶科能源在研发方面投入了巨大的资源，公司硅片、电池和光伏组件等领域的专家专注技术创新突破，致力于为全球客户提供高效和具有竞争力的行业产品，引领行业技术发展。据了解，此次破纪录的太阳能电池采用了高品质、低缺陷直拉N型单晶硅片，通过高激活掺杂、高品质钝化及钝化接触高隧穿传导等多项创新技术及先进材料应用，电池效率得到了进一步突破。作为全球领先的光伏企业，晶科能源研发团队创造一个又一个世界记录，推动中国光伏企业走在全球光伏发展的技术前沿。晶科能源组件CTO金浩表示：“在未来，晶科能源将继续承担行业变革推动者的角色，以不断迭代的技术研发水平来推动光伏产品力的快速提升和光伏行业高质量发展，让实验室的光伏技术快速实现产线量产，更好地承担起碳中和重任。”

能量型锂金属电池作为下一代电化学储能技术，是电动汽车、航空航天等领域发展的基础。然而，在构建高比能锂金属电池的条件下，锂枝晶不可控生长和中间产物穿梭等问题严重制约了其产业化进程。近日，中国科学院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学研发中心和淮阴师范学院合作，在硅基超亲电解液锂电池隔膜研究取得新进展。一种仿树叶结构的锂电池隔膜，用于解决高能量密度锂金属电池中不可控的锂枝晶生长等问题。相关论文发表于Small。据了解，课题组受树叶分级结构及其精细流体通道的启发，研究人员结合液体/温度诱导相分离和原位聚合反应，设计了一种具有分级多孔结构和离子选择性的凹凸棒石/聚合物复合隔膜。研究表明，该隔膜可有效、快速传递锂离子，同时能抑制锂盐阴离子的通过，从而实现了锂离子在锂金属负极表面均匀、定向沉积，改善了电池的界面稳定性和循环稳定性。此外，该隔膜展示了超亲电解液性能、高的电解液吸液率和保留率、良好的热稳定性和阻燃性能。研究人员将其应用于锂-硫电池和锂-磷酸铁锂电池时，在室温或高温条件下均表现出优异的循环稳定性和倍率性能等。仿树叶结构凹凸棒石/聚合物复合隔膜的制备及表征。兰州化物所供图。

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）作为一种新兴的低温燃料电池，具有效率高、工作温度低、零排放等优点，是新型绿色能源的主要发展方向之一。燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，成为未来汽车动力装置发展的重要方向。燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，简称MEA），是燃料电池乃至新能源汽车动力部分的关键组成部分。 碳纸 —气体扩散层（GDL）基材最理想材料PEMFC的核心部件是膜电极组件，由两个催化层（CL）、两个气体扩散层（GDL）和一个质子交换膜（PEM）组成。气体扩散层是膜电极中的关键部分，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用。常用的气体扩散层（GDL）基材主要有：碳纸、碳布、炭黑纸、金属材料等，其中碳纸因具有高导电性、耐腐蚀性以及出色的尺寸稳定性，是GDL基材的最理想材料。 质子交换膜燃料电池工作原理图 碳纸，又称为碳纤维纸，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的专用材料，即气体扩散层，主要作用是传导电流，引导反应气体从石墨板导流到触媒层，并把反应水排除在触媒层之外，是燃料电池膜电机组（MEA）中不可或缺的材料。 强度性能是碳纸的重要指标之一，具有较好强度的碳纸可为质子交换膜燃料电池的安装和使用带来保障，同时稳定整个电极的结构，提高电池的寿命。 因此，对碳纸材料进行拉伸、压缩、三点弯曲和剥离强度测试，可以有效检验碳纸强度，在碳纸材料的开发与规模化生产中发挥极为重要的作用。 岛津方案目前，碳纸作为新能源领域的新材料，仍然处于大规模生产的初级阶段，不同国家不同的碳纸制造商，因为技术与工艺的差异，对碳纸产品的技术参数尚未达成统一。国内多数企业参考《GB/T 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分碳纸特性测试方法》的要求，结合各自工艺水平，对碳纸材料从拉伸、压缩、弯曲、剥离多个方面进行测试评估。 岛津电子万能试验机，选择合适的夹具，按标准要求设定好试验方法，能够很方便地获取测试数据与曲线，大大提高碳纸力学测试的效率。 1拉伸测试将碳纸裁切为120×10mm的长条形试样，此次试验用碳纸厚度为0.19mm。裁切边缘尽量保持光滑平整。将裁切好的碳纸拉伸试样夹在1KN气动双推夹具上完成测试。碳纸拉伸测试与夹具碳纸拉伸测试应力-应变曲线 表1. 测试结果 从上图可知，试验机获取了客户所需的应力曲线，通过观察，6个试样的应力-应变曲线形态相似，从而判断碳纸拉伸性能比较均一。结合表中数据可知，最大应力分布在36~40MPa的区间内，拉伸强度的离散型也保持较好。 2压缩测试将碳纸裁成50×50mm的正方形，推荐选择带有调平功能的压盘夹具来完成超薄材料的压缩测试。碳纸压缩测试与可调平压盘 碳纸压缩测试载荷-行程曲线 表2. 测试结果如上图可知，根据岛津AGS-X电子万能试验机获取的压缩测试载荷-行程曲线，观察3个试样的测试曲线形态相似，从表中数据可知，最大应力分布在0.008-0.009MPa的区间内，数值稳定，说明三个碳纸试样的抗压性相似。 3三点弯曲测试将碳纸裁切成120×20mm长方形试样，保证切口光滑平整。碳纸三点弯曲试验选择岛津1KN塑料三点弯曲夹具。视频点击查看：https://mp.weixin.qq.com/s/9Aut652JEjR6-n6ay7Wo-Q 碳纸三点弯曲测试载荷-时间曲线 表3. 测试结果 从图表和三点弯曲载荷-时间曲线，以及抗弯强度差异不大，可判断3个试样的抗弯强度和断裂点载荷保持稳定，进而可判断本批次样品的抗压水平保持在一个水平。 4剥离测试将碳纸粘贴在不锈钢基板上，碳纸表面再贴上胶带。选用1KN气动拉伸夹具来完成拉伸测试。 使用岛津试验机与夹具进行碳纸180°剥离试验 结语使用岛津的AGS-X或AGX-V电子万能试验机，配合拉伸、压缩、三点弯曲、剥离各种不同的夹具与附件，符合现行标准或行业客户的自身测试要求，可以满足您对碳纸的各种力学测试与质量控制的需要，为碳纸规模化制造保驾护航。 撰稿人：王正宇 *本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）作为一种新兴的低温燃料电池，具有效率高、工作温度低、零排放等优点，是新型绿色能源的主要发展方向之一。燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，成为未来汽车动力装置发展的重要方向。燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，简称MEA），是燃料电池乃至新能源汽车动力部分的关键组成部分。 碳纸 —气体扩散层（GDL）基材最理想材料PEMFC的核心部件是膜电极组件，由两个催化层（CL）、两个气体扩散层（GDL）和一个质子交换膜（PEM）组成。气体扩散层是膜电极中的关键部分，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用。常用的气体扩散层（GDL）基材主要有：碳纸、碳布、炭黑纸、金属材料等，其中碳纸因具有高导电性、耐腐蚀性以及出色的尺寸稳定性，是GDL基材的最理想材料。质子交换膜燃料电池工作原理图 碳纸，又称为碳纤维纸，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的专用材料，即气体扩散层，主要作用是传导电流，引导反应气体从石墨板导流到触媒层，并把反应水排除在触媒层之外，是燃料电池膜电机组（MEA）中不可或缺的材料。 强度性能是碳纸的重要指标之一，具有较好强度的碳纸可为质子交换膜燃料电池的安装和使用带来保障，同时稳定整个电极的结构，提高电池的寿命。 因此，对碳纸材料进行拉伸、压缩、三点弯曲和剥离强度测试，可以有效检验碳纸强度，在碳纸材料的开发与规模化生产中发挥极为重要的作用。 岛津方案目前，碳纸作为新能源领域的新材料，仍然处于大规模生产的初级阶段，不同国家不同的碳纸制造商，因为技术与工艺的差异，对碳纸产品的技术参数尚未达成统一。国内多数企业参考《GB/T 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分碳纸特性测试方法》的要求，结合各自工艺水平，对碳纸材料从拉伸、压缩、弯曲、剥离多个方面进行测试评估。 岛津电子万能试验机，选择合适的夹具，按标准要求设定好试验方法，能够很方便地获取测试数据与曲线，大大提高碳纸力学测试的效率。 1拉伸测试将碳纸裁切为120×10mm的长条形试样，此次试验用碳纸厚度为0.19mm。裁切边缘尽量保持光滑平整。将裁切好的碳纸拉伸试样夹在1KN气动双推夹具上完成测试。碳纸拉伸测试与夹具碳纸拉伸测试应力-应变曲线 表1. 测试结果从上图可知，试验机获取了客户所需的应力曲线，通过观察，6个试样的应力-应变曲线形态相似，从而判断碳纸拉伸性能比较均一。结合表中数据可知，最大应力分布在36~40MPa的区间内，拉伸强度的离散型也保持较好。 2压缩测试将碳纸裁成50×50mm的正方形，推荐选择带有调平功能的压盘夹具来完成超薄材料的压缩测试。碳纸压缩测试与可调平压盘碳纸压缩测试载荷-行程曲线 表2. 测试结果如上图可知，根据岛津AGS-X电子万能试验机获取的压缩测试载荷-行程曲线，观察3个试样的测试曲线形态相似，从表中数据可知，最大应力分布在0.008-0.009MPa的区间内，数值稳定，说明三个碳纸试样的抗压性相似。 3三点弯曲测试将碳纸裁切成120×20mm长方形试样，保证切口光滑平整。碳纸三点弯曲试验选择岛津1KN塑料三点弯曲夹具。视频观看请点击：https://mp.weixin.qq.com/s/TzDqFlZRp7Gjnsyxl7sZ9Q碳纸三点弯曲测试载荷-时间曲线 表3. 测试结果 从图表和三点弯曲载荷-时间曲线，以及抗弯强度差异不大，可判断3个试样的抗弯强度和断裂点载荷保持稳定，进而可判断本批次样品的抗压水平保持在一个水平。 4剥离测试将碳纸粘贴在不锈钢基板上，碳纸表面再贴上胶带。选用1KN气动拉伸夹具来完成拉伸测试。使用岛津试验机与夹具进行碳纸180°剥离试验 结语 使用岛津的AGS-X或AGX-V电子万能试验机，配合拉伸、压缩、三点弯曲、剥离各种不同的夹具与附件，符合现行标准或行业客户的自身测试要求，可以满足您对碳纸的各种力学测试与质量控制的需要，为碳纸规模化制造保驾护航。 撰稿人：王正宇 *本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

1：铅在钙钛矿器件中的难以被取代的原因 针对钙钛矿的毒性问题，一个关键问题是，在不含铅的情况下是否能够实现优异的钙钛矿光电性能。尽管在这方面已经取得了一些进展，但无铅钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性仍然远低于含铅的钙钛矿光伏电池。这是因为含铅的钙钛矿具有一种特殊的轨道混合构型，有助于其出色的光电性能。因此，研究人员尝试使用具有类似轨道构型的其他金属来替代铅，其中被泛研究的材料是锡（Sn）基钙钛矿。 锡的离子半径（118&thinsp pm）与铅（119&thinsp pm）相似，并且具有孤对的5s和空的5p轨道，其有效核电荷（Zeff）分别为10.63和9.10。然而，锡离子Sn2+有被氧化为Sn4+的趋势（Sn2+/Sn4+的标准还原电势E0&thinsp =&thinsp 0.15 V，而Pb2+/Pb4+的E0=&thinsp 1.67 V）。这可能是因为缺乏镧系元素的影响，导致锡离子5s孤对电子的Zeff比铅离子中的6s孤对电子较小。因此，在钙钛矿薄膜中产生的Sn4+会意外地导致高缺陷密度，从而降低了光电性能。此外，据认为，SnI2的急性毒性比PbI2更高。 除了锡，还有另一种具有相同价电子构型的IV族元素，即锗（Ge）。然而，由于锗离子的较小离子半径（73&thinsp pm）和更高的氧化倾向（Ge2+/Ge4+的E0&thinsp =&thinsp 0&thinsp V），导致锗基钙钛矿的光电特性和稳定性较差。为了寻找稳定的无铅钙钛矿材料，研究人员还尝试了其他组合物，其中包括含有Bi3+和Sb3+的ns2元素。然而，这些组合物形成的晶体结构具有相对较宽的带隙和较差的电荷传输能力，限制了它们的光电特性。目前来看，就钙钛矿晶体的光电性能、热力学和环境稳定性而言，铅仍然是最有前景的元素。（见方框1表）方框1表：铅和其他替代离子以及含有这些离子的卤化物钙钛矿（相关）化合物的典型性质O、可实现的；X、无法实现。数据来源于参考文献中。2：PSCs对环境的影响为了评估PSCs对环境的影响，人们采用了生命周期评估的方法，考虑了从提取、纯化和制备铅相关原材料，到PSCs的制造、安装、维护，以及产品寿命结束时的处理等所有阶段。对PSC生命周期的评估得出了一些积极的结论，认为PSCs比其他技术（如商用硅太阳能电池）更具可持续性。然而，PSCs中铅的泄漏仍然是一个令人担忧的问题。一旦安装完成，面板的大部分寿命将受到不受控制的大气条件的影响，而面板的损坏可能导致铅溶解和扩散。通过生命周期分析和浸出研究，可以确定潜在的暴露浓度，但其对人类健康或环境的影响取决于有机物可生物利用总铅的量以及生物可利用部分是否具有毒性问题。在土壤中，铅的生物利用程度取决于水中铅的形态、土壤的化学成分（如离子强度、pH值、天然有机物）以及土壤类型（如粘土、壤土等）。钙钛矿中的有机阳离子会改变土壤的pH值，并影响植物对铅的吸收能力。图1 PSC的铅泄漏途径及其潜在环境影响的评估因此，在评估环境或人类健康风险时，应考虑铅的形式、化学转化以及周围的化学基质。人类每周铅摄入量（LWI）被视为衡量铅暴露的健康指标，联合国粮农组织将其上限设定为0.025 mg/kg。通过假设损坏的PSC面板中的所有铅将在有限的时间内泄漏并进入环境，可以估计在不同百分比的分散和环境扩散情况下的LWI水平。图1所示的方案是在考虑不同可能情况的基础上进行计算的，以估计LWI的潜在水平。从这些结果可以推断出，只有一小部分总铅可能对人类构成风险，因为在许多情况下，LWI将高于人类3000-5000年前的估计水平以及2010年取消的成人LWI限额。3：PSC中的铅固定化策略1）晶粒封装 通过将钙钛矿颗粒包裹在疏水性有机物（如聚苯乙烯）、防水氧化物（如TiO2、SiO2、Al2O3）或不溶性铅盐（如PbS、PbSO4、Pb(OH)2）中，可以有效地阻断水进入和离子流出的通道。选择透水性较低的覆盖层材料，确保覆盖层具有强疏水性、高致密性并完全覆盖钙钛矿晶粒。例如，通过在钙钛矿结晶前或后处理过程中引入小分子的缩合物，或在钙钛矿层的顶部沉积疏水分子或功能盐（如磺基、硫酸盐、硫化物），可以实现对晶界和表面的原位封装。良好粒径分布的含铅钙钛矿显示出出色的水稳定性，并在作为生物成像闪烁体时表现出潜在的应用前景，而对目标动物没有显著的细胞毒性，这表明生物利用度降低。另外，将防水层插入用于内部或外部封装的PSC中，也可以防止水分渗透。然而，这些方法在器件损坏的情况下可能会失效。尽管通过将可固化材料与密封剂混合赋予了一些自修复特性，但由于受损密封剂的固化通常需要外部刺激（如紫外线辐射、加热），其保护效果可能存在问题。2）铅络合 通过添加适当的添加剂，形成与铅离子（Pb2+）形成低溶解度复合物的策略，降低钙钛矿中铅化合物的溶解度。典型的添加剂应具备两个供电子的路易斯碱官能团（如羰基、硫醇、磺基、硫化物、卟啉环、冠醚），通过酸碱相互作用与路易斯酸性的Pb2+离子配位。添加剂的疏水主链或侧链应具有疏水性部分（如长烷基链、氟基团、碳纳米管），使得在络合后形成的络合物在水中沉淀。因此，形成的络合物在配体与Pb2+离子螯合之后变得疏水。例如，在钙钛矿前体中加入聚丙烯酸接枝的碳纳米管（CNT-PAA），可以有效抑制相应PSCs中的铅泄漏。3）结构集成 通过提高组成元素之间的结合强度、集成体的连接性和界面内聚力，钙钛矿结构在器件内的集成可以增加水渗透、结构碎裂和分层的能垒，从而提高结构的稳定性，防止水溶解和铅泄漏。例如，通过引入具有强配位能力或偶极-偶极相互作用的界面/集成桥，可以增强器件的互连性。已证明，钙钛矿顶表面的化学相互作用增强对抗晶体坍塌和延缓铅释放的效果是有效的，但在器件损坏的情况下可能会失效。因此，需要将整个结构集成，包括钙钛矿层的表面、本体和界面。通过在钙钛矿层中引入可聚合单体，构建钙钛矿/聚合物基质，可以实现钙钛矿晶粒的整合。例如，丙烯酰胺单体作为钙钛矿膜的添加剂，可以在原位聚合过程中形成聚酰胺，并与钙钛矿发生转化。聚酰胺中的-C=O基团可以在晶界和钙钛矿表面与过配位的Pb2+发生相互作用，形成坚固的螯合结构在沉积的薄膜中。此外，聚酰胺在暴露于水中时易形成水凝胶，这进一步防止了Pb2+从器件溶解和扩散到水中。此外，。聚合过程中单体的团聚效应可以在钙钛矿层内引起压缩应变，从而增加离子迁移的活化能和水渗透的势垒，提高高湿度条件下的晶体稳定性此外，将钙钛矿渗透到刚性和介孔结构中，也有望防止结构坍塌。4）泄漏铅的吸附 由于铅固存效率（SQE）与吸附位点的密度直接相关，因此需要充足的负载材料，以确保足够的铅吸附能力。因此，在装置的内层中实施Pb吸附剂可能是不够的，因为逐层清除的能力有限。过多的绝缘材料会降低电极的导电性。此外，电荷传输层的厚度通常只有几百/几十纳米，这限制了捕获钙钛矿膜中所有Pb2+的能力。因此，更好的选择是将铅吸附材料嵌入外部封装中，这样可以避免负载量的限制，保持器件性能。例如，Li等人提出了一个优秀的方法，通过在前玻璃顶部沉积高透明度的Pb吸附剂，而不需要过滤入射光，并将聚合物密封剂与Pb2+结合材料的混合物插入后电极和封装盖之间。由于两侧都具有显著的铅吸附能力，这种化学方法可以显著减少铅泄漏达到96%。此外，应在不同的温度和pH条件下组合使用具有不同活性的铅吸附材料。例如，利用膦酸和亚甲基膦酸基团组成的铅吸附剂，由于其温度依赖的去质子化效应，可以在较大温度范围内保持较高的铅固存效率（SQE）。图2：PSC中的铅固定化方法4：PSC中的铅固定化策略对比及铅泄漏测量方案设计对上述四种铅固定策略从工作机理、保护效果及对器件性能的影响等方面进行了系统比较。值得注意的是，内部铅固定策略（即分离、络合、整合）表现出高选择性和快速响应性，因为在泄漏之前Pb2+离子得到了预先保护，但其铅固存效率（SQE）相对较低（约60-80%）。铅的固定能力与嵌入添加剂中功能位点的密度有关，尤其对于络合方法。然而，添加剂中的大多数是绝缘的，在某些情况下是光吸收的，这会破坏电荷传输和光子捕获，并且添加剂与Pb前体之间的相互作用会影响钙钛矿结晶。因此，在添加剂浓度超过钙钛矿材料的容忍度时，可能会在PCE和SQE之间存在权衡。然而，适量的Pb固定添加剂可以有利地提高PCE和寿命，分别通过最佳优化器件与原始器件的PCE和寿命比来定义。晶粒封装和化学络合的方法由于晶粒的惰性和形成的铅络合物的不溶性，在铅回收过程中可能面临挑战，因为铅回收依赖于从器件中提取铅的容易性。此外，在大规模制造中，在钙钛矿层中形成均匀覆盖层可能存在问题，因为难以控制层厚度，这限制了PSC的升级。在这些方面，结构集成似乎更具潜力，其中铅的固定能力与添加剂的结构稳定性相关，而不是与螯合位点有关，从而实现相对较高的SQE（约80%）。相比之下，在SQE接近100%的情况下，外部实施铅吸附剂在抑制铅泄漏方面更为有效，因为可以加载大量材料而不影响器件性能。然而，这种方法仍然存在一些缺点，可能会降低其有效性。值得注意的是，PSC的铅泄漏及其吸附在很大程度上取决于测试条件，如温度、pH值、暴露水的体积以及设备的损坏方式。然而，表2中报告的SQE值是在完全不同的条件下测量的。为了定量评估PSC的铅泄漏并比较全球各实验室使用不同铅固定技术的情况，需要建立一个由计算模型支持的标准铅泄漏测试方法。此外，建议采用标准方式测量一些指标，如总泄漏铅浓度（cLL）、泄漏率（LR）和SQE，并模拟钙钛矿在恶劣天气条件（酸性和大雨）下的两种暴露情况（浸水和滴水），如表2和图3a所示。此外，应使用老化的钙钛矿膜进行铅泄漏测量，而不是完整器件，包括有或没有分层封装剂，以模拟钙钛矿层完全暴露于水的情况。此外，可以进行生物测试，评估泄漏铅对植物或动物生长的影响。图3：建议的铅泄漏测量和铅固定器件结构四、小结铅基PSCs的研究在效率和稳定性方面取得了快速进展。现在是时候进一步研究如何在考虑可持续性的情况下，在大规模工业规模上实施这一有前景的技术的下一阶段，以避免从前体制备到太阳能电池板的长期工作寿命中可能发生的铅泄漏。同时，在实际部署基于卤化铅钙钛矿的光电器件时，需要进行深入的职业和当地人口风险评估，以确保在其运行过程中和使用寿命结束时防止铅泄漏，这不仅是法律要求，也是道德义务。有关铅使用的具体立法可以推动铅固定化和设备回收战略的创新。同时，应制定紧急应对措施计划，以减少发生火灾事故时空气中无意排放的铅对土壤的污染。此外，在将PSCs投放市场之前，应进行标准测试，以评估潜在的铅泄漏风险。参考文献Zhang, H., Lee, JW., Nasti, G.et al. Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells. Nature 617, 687–695 (2023).Doi: 10.1038/s41586-023-05938-4