年产100吨互穿网络结构PVDF/PMMA的制备及设计外文翻译资料

 2022-01-07 09:01

Abstract

During the past two decades, the demand for the storage of electrical energy has mushroomed both for portable applications and for static applications. As storage and power demands have increased predominantly in the form of batteries, the system has evolved. However, the present electrochemical systems are too costly to penetrate major new markets, still higher performance is required, and environmentally acceptable materials are preferred. These limitations can be overcome only by major advances in new materials whose constituent elements must be available in large quantities in nature; nanomaterials appear to have a key role to play. New cathode materials with higher storage capacity are needed, as well as safer and lower cost anodes and stable electrolyte systems. Flywheels and pumped hydropower also have niche roles to play.

Introduction to Energy Storage

Why store energy, and in particular, why store electrical energy? There is a great need for electrical energy storage, not only for mobile electronic devices, such as cell phones, computers, and iPods, but also for transportation and load-leveling and for the effective commercialization of renewable resources such as solar and wind power. The storage sizes needed range from milliwatts for smart-card devices to multiple-megawatts for large load-leveling stations; unlike for electronics, there is no simple applicable Moorersquo;s law (i.e., no general trend of exponentially increasing storage capacity). Much attention is being given to hybrid electric vehicles (HEVs), in which batteries and/or capacitors are used to capture the energy evolved in braking. A related application is the capture of the energy normally wasted when a dock crane is lowering a crate; capturing this energy through capacitors saves around 40% of total energy utilization. Similarly, subway trains, with many stops and starts, can capture the braking energy entering the station for use in accelerating out of the station. The next generation of electric vehicles might be plug-in hybrids, in which larger batteries are used and the vehicle can be recharged by plugging into the electrical power line. An effective unlimited range can be attained by using a small internal engine as a battery charger; the waste heat from the internal combustion engine can provide the heating and defogging energy. The all electric vehicle might find a few niche markets; these include city buses and postal delivery and utility repair vehicles with much stopping and starting and limited daily ranges, high-cost hot-rod sports cars, and small commuter cars. In all of these transportation applications, low cost and long life are essential for commercial success. Neither can be attained with the present chemical storage battery and capacitor charge storage systems.

An application demanding even lower costs and higher reliability is in load-leveling and central back-up. A typical daily electrical usage cycle is shown in Figure 1. There is considerable hourly variation, and the load could be leveled by, for example, storing energy during the early morning low-usage hours and using that energy during the peak hours of 4–6 pm. This would not only reduce the total generating capacity needed, but make the remaining generation capacity more efficient. Here, the system is static and can range from a few kilowatt-hours for a home solar energy system to many megawatt hours for a utility load-leveling application. The former are satisfied today by lead-acid batteries, and the latter by a range of systems ranging from Ni–Cd through redox systems to advanced sodium–sulfur systems. The last demonstrates how long a new technology takes to come to market. The sodium–sulfur battery, conceived by the Ford Motor Company, uses the solid electrolyte sodium–b-alumina, whose exceptional ionic conductivity properties were reported in 1967. After almost 40 years of development mostly in Europe, NGK Insulators commercialized the battery for load leveling in Japan; a 1 MW NGK battery is used on Long Island, New York, to provide power during peak periods for compressors for 220 natural gas buses. Vanadium redox batteries are being used for supplementing peak power needs in Castle Valley, Utah, as well as for load-leveling wind farms and other applications throughout the world; a 40 MW Ni–Cd battery system is used in Fairbanks, Alaska, for guaranteeing continuous power availability. To enable renewable energy, which is often intermittent in nature, localized energy storage is desirable. To place the economic desire for uninterruptable power in context, some $80 billion is lost by industry in the United States1 each year because of mainly short power interruptions. To ameliorate this problem, high-tech, high-cost industry such as chip fabrication plants have large power storage backups and employ frequency smoothing, using, for example, lead-acid batteries.

Aside from batteries and capacitors, there are a number of other options, such as water pumping, flywheels, and superconducting magnetic energy storage (SMES) systems. In the former, water is pumped uphill into “reservoirs” when excess generating capacity is available and then allowed to flow downhill through the pump turbines during high peak demand. One such example is found in the Snowdome mountains of Wales at Dinorwig.2 This system has 288 MW of power output. There are, however, limited locations where water-pumping can be installed. A variation on water pumping is to use excess electricity to compress air and allow the compressed air to drive turbines during peak hours; such a facility is in the planning stage in Iowa in conjunction with wind and off-peak power. Here again, the technology is limited by the availability of suitable caverns. Ultracapacitors are finding application for wind smoothing and backup power, for example, at the Palmdale, California water treatment facility. Flywheels (see the accompanying sidebar) and ca

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摘要

在过去的二十年里，对电能储存的需求迅速增长，无论是便携式应用还是静态应用。随着储能和电力需求以电池的形式显著增加，这个系统也在不断发展。然而，目前的电化学系统太昂贵，无法进入主要的新市场，更高的性能要求，环境可接受的材料是首选。只有在新材料方面取得重大进展，才能克服这些限制，而这些新材料的组成元素必须在自然界中大量存在; 纳米材料似乎可以发挥关键作用。需要具有更高储存容量的新型阴极材料，以及更安全、更低成本的阳极和稳定的电解质体系。飞轮和水力发电也可以发挥一定的作用。

能源储存简介

为什么要储存能量，特别是为什么要储存电能？电能存储的需求很大，不仅需要手机、计算机和 iPod 等移动电子设备，还需要运输和负载均衡，以及太阳能和风能等可再生资源的有效商业化。智能卡设备所需的存储容量从毫瓦到大型负载均衡站所需的几兆瓦不等; 与电子设备不同，没有简单适用的摩尔定律(即存储容量呈指数增长的一般趋势)。混合动力汽车正受到越来越多的关注。混合动力汽车使用电池和 / 或电容器来捕捉制动过程中产生的能量。另一个相关的应用是捕捉码头起重机放下箱子时通常浪费的能量; 通过电容捕捉这种能量可以节省总能量利用的40% 。同样地，地铁列车，有许多停止和启动，可以捕获进入车站的制动能量，用于加速离开车站。下一代电动汽车可能是插入式混合动力汽车，这种汽车使用更大的电池，可以通过插入电源线充电。使用一个小型内置发动机作为电池充电器可以获得一个有效的无限范围; 来自内燃机的余热可以提供加热和除雾的能量。纯电动车可能会找到一些利基市场，这些市场包括城市公交车、邮政递送和多功能维修车辆，这些车辆有很多停车和起步，日行程有限，还有高成本的跑车和小型通勤车。在所有这些运输应用中，低成本和长寿命对商业成功至关重要。用现有的化学蓄电池和电容器充电存储系统无法实现这两个目标。

要求更低成本和更高可靠性的应用程序是负载均衡和中央备份。一个典型的每日用电周期如图1所示。每小时都有相当大的变化，负荷可以调整，例如，在清晨低用电时间储存能量，并在下午4-6点的高峰时间使用这些能量。这不仅会减少所需的总发电能力，而且会提高剩余发电能力的效率。在这里，系统是静态的，从家庭太阳能系统的几千瓦到公用事业负载均衡应用程序的许多兆瓦时不等。前者目前满足于铅酸电池，后者满足于从镍镉到氧化还原系统到先进的钠硫系统的一系列系统。最后一个例子展示了一项新技术上市需要多长时间。由福特汽车公司设计的钠硫电池，使用固体电解质钠硼铝，其特殊的离子导电性能在1967年被报道。经过近40年的发展，NGK 绝缘子商业化的电池负载均衡在日本; 1兆瓦 NGK 电池在纽约长岛使用，为220天然气公共汽车的压缩机在高峰期提供电力。钒氧化还原电池正被用于补充犹他州城堡谷的峰值电力需求，以及用于风力发电场的负荷平衡和全世界的其他应用，一个40兆瓦的镍镉电池系统被用于费尔班克斯，以保证持续的电力供应。为了实现可再生能源，这是经常间歇性的性质，本地化的能源储存是可取的。为了把对不间断电源的经济需求放在一个大背景下，美国的工业每年损失大约800亿美元，主要是因为短时间的电力中断。为了改善这个问题，高科技、高成本的工业，如芯片制造厂，有大量的电力存储备份，并采用频率平滑技术，例如使用铅酸电池。

除了电池和电容器，还有其他一些选择，如水泵，飞轮和超导储能系统。在前者中，当发电能力过剩时，水向上注入'水库'，然后在高峰需求时允许水流经水泵涡轮机向下流动。其中一个例子是在威尔士的 Snowdonia 的 Dinorwig 发现的。该系统具有288mw 的功率输出。但是，可以安装抽水装置的地点有限。抽水的一个变种是利用过剩的电力压缩空气，并允许压缩空气在高峰时间驱动涡轮机; 这种设施目前正处于爱荷华州的规划阶段，与风能和非高峰电力一起使用。在这里，该技术受到合适洞穴的限制。超级电容器正在寻找风力平滑和备用电源的应用，例如，在帕姆代尔的水处理设施。飞轮(见附带的边栏)和电容器已经找到应用的关键应用电网频率调节，因为公用事业通常改变频率，以平滑电力输出。拟议中的氢经济使用氢作为能源来源; 这种氢可以由化石燃料或颗粒或由水电解形成。Smes，一个优雅的存储手段，因为成本和技术限制，不再受到认真的考虑。

为了更好地说明这些选项的储能能力，表I提供了一个比较，从中可以看出，与汽油相比，所考虑的系统具有更低的能量储存能力。纯氢燃料电池的理论容量与锂电池的理论容量相当，因为氢容器使用最佳存储介质和高压仅容纳5％重量的氢，并且因为燃料电池仅消耗0.8V。

从任何存储设备获得的能量不仅强烈依赖于设备，还依赖于功率输出，如图2所示。电池可以提供比电容器更高的能量，而电容器是具有有限能量存储能力的高功率设备。此外，电容器的能量质量通常很差; 也就是说，对于电容器，所传递的电压随放电状态而变化很大，而电池往往具有相当恒定的输出电压。使用液体燃料如甲醇操作的燃料电池可以具有高能量存储，但是它们的功率输出是有限的。此外，它们的效率仅在恒定输出时是最佳的，并且它们的差的响应时间要求它们耦合到诸如电池的存储介质。

电池，燃料电池和电容器有许多共同特征，都是基于电化学。伪电容器可以被描述为高功率二次电池，并且燃料电池可以被描述为在外部再充电/加油的一次电池。有几个评论涵盖了参考文献3-6中的电池和燃料电池，参考文献7中的储能和参考文献8中的电化学电容器。Winter和Brodd对电池，燃料电池和超级电容器的精彩介绍可参见参考文献3。本期其他地方讨论了燃料电池（参见Crabtree和Dresselhaus的文章）。材料一直在能源生产，转换和存储方面发挥着关键作用，他们将继续这样做。本文讨论了电能存储所面临的材料挑战，并且可以在美国找到更广泛的背景材料的更广泛的讨论。能源部（DOE）电能储存研讨会。

化学能储存：电池

电池是迄今为止最常见的储存电能的形式，其尺寸范围从手表中使用的纽扣电池到兆瓦负载均衡应用。它们是高效的存储设备，输出能量通常超过输入能量的90％，除了最高功率密度。多年来，可再充电，也称为二次电池，从铅酸到镍镉和镍氢（NiMH）再到锂离子。镍氢电池是计算机和手机等电子设备的最初主力，但由于后者具有更高的储能能力，它们几乎完全被锂离子电池市场所取代。如今，NiMH技术是混合动力电动汽车中使用的主要电池，但如果后者的安全性和使用寿命得到改善，它可能会被更高能量和现在成本更低的锂电池取代。随附的电池侧栏描述了现代可充电电池的不同组件，所有这些都具有材料限制。在先进的电池中，所谓的锂离子，因为锂离子在两个插入电极之间来回穿梭，是大多数可充电电子设备的主要电源。锂离子电池最初是在20世纪70年代早期开发的，不含锂金属，因为在再充电时很难镀出无枝晶的锂;树枝状晶体的形成导致细胞短路。最初，锂与金属如铝合金化，形成1：1合金LiAl，具有非常大的储能能力（780Ah / kg）。然而，铝的体积增加了200％，这导致电极破碎，颗粒之间的电接触损失和快速的容量损失。然而，碳可以在室温下非常容易地与锂反应形成嵌入化合物LiC6，并且自1990年以来已经用于基本上所有的锂电池中;最近，纯化的天然石墨已经取代了昂贵的合成碳。

尽管碳已成为锂离子电池的主力，但其潜力仅为锂电池的300 mV，这可能导致高速充电问题，例如HEV中的再生制动，如果锂嵌入率为碳太低了。在这种情况下，锂离子可以作为金属锂镀出，金属锂通常是树枝状的形式，其可以穿透隔板，使电池短路，并导致热失控并最终导致火灾。这些碳 - 锂阳极还具有低重量和体积能量密度 - 分别为每千克和每升约340和770Ah，而纯锂为3800Ah / kg。因此，在寻找新的含锂阳极材料，特别是具有锡和硅的同种异体化合物，两者都形成富锂材料方面已经付出了很多努力。然而，正如铝的情况一样，非常大的体积变化严重限制了它们延长的深度循环，这限制了它们的实际应用。具体地，在使用中，电池可以是深循环的或浅循环的，并且专门设计用于一个或另一个。深循环电池通常在充电之前放电至其容量的50％以上 - 应用是高尔夫球车，计算机和照相机。浅循环电池的放电容量仅为其容量的10-20％ - 应用包括常见的汽车SLI铅酸电池和普锐斯HEV中的镍氢电池。然而，在最近的一次突破中，索尼表明无定形纳米结构锡阳极（NP-FP71摄像机电池）可以很容易地充电，并且体积能量密度比碳阳极高30％。该锡阳极材料已经显示出与钴几乎等摩尔的合金并且包含一些其他关键元素，例如钛，其纳米尺寸的颗粒嵌入碳中。这种无定形纳米尺寸材料，如图3所示，由于钴的成本和稀缺性，不能解决大型市场对阳极材料的挑战，但它提供了关于可能的材料方法的线索。材料科学家面临的挑战是充分理解为什么这些纳米材料能够很好地工作以及如何用丰富的低成本材料代替钴。甚至可能更大的兴趣是基于硅的类似材料，具有更大的能量存储能力。

使任何阳极工作的关键材料挑战是形成和保留所谓的固体电解质中间相（SEI）层。在第一电化学循环期间在阳极表面上形成的该膜阻止电解质溶剂和锂之间的反应，并且对于任何锂电池的安全和有效操作是至关重要的。它被认为是有机和无机成分的混合物，但目前尚未被描述 - 这是材料科学家的另一个挑战。这种薄膜是阳极材料在与锂反应时膨胀和收缩的失效机理之一，因为薄膜会破裂并且必须重新形成。重新形成步骤消耗更多的电解质并在阳极材料颗粒之间产生电阻膜。

电化学电容器

传统上，电容器通过将电能作为电荷存储在电极表面而不是通过大块材料的化学反应而与电池不同。结果，电极不必经历结构变化，并且电容器具有更长的寿命，在完美条件下基本上是无限的。因此，它们也比电池具有更高的速率能力，几乎是瞬间充电或放电。因此，它们适用于重复快速应用，例如再生制动和随后的加速。然而，由于电容器仅使用材料表面进行电荷存储，如图6所示，它们的储能能力非常有限，其值通常为0.1 Wh / kg至1 Wh / kg，远高于100 Wh /千克锂电池。此外，它们提供的能量相当低;也就是说，它们不是以相对恒定的电势提供能量，而是以连续的方式从充电电压提供能量到0V。

电容器有各种类型。用于电力和消费电子电路的那些是电介质和电解类型并且大部分是固态的。它们具有极快的响应时间和基本无限的寿命，但存储的能量非常少，通常小于0.1 Wh / kg。因此，它们在需要存储大量能量的应用中没有地位。第二类电容器是电化学电容器（EC），8通常使用高表面积碳作为电极，硫酸或乙腈作为电解质。EC可分为两组：超级电容器和赝电容器。其中第一个是电双层电容器，也称为超级电容器;在这些中，能量存储在双层材料的表面。与固态电容器相比，超级电容器具有改善的能量存储，但是它们仍然提供小于10Wh / kg，并且电池电压受到限制以防止液体电解质的分解：对于水性电解质小于1V并且对于非水电容器小于3V-基于电解质。EC的理想应用是那些要求能源短时间，10-2-102秒，以及数千个周期可靠且低成本的应用。

第二类EC包括赝电容器，它是双层电容器和电池之间的混合物，材料的体积和表面都起着关键作用。因此，它们可以存储比表面电容器更多的能量，gt; 10 Wh / kg，但是面临许多与先进电池相同的可靠性和科学挑战。许多与电池中使用的相同的材料可用于赝电容器，特别是过渡金属氧化物，例如钒和锰的氧化物。事实上，当与锂反应时，一些具有平放电平台的结晶化合物，例如五氧化二钒，转化为无定形材料，因为锂和钒离子在晶格中变得随机化，并且显示出电容器典型的倾斜放电曲线。一种产生了很多科学兴趣的化合物是水合氧化钌，它可以储存约200 Wh / kg（750 F / g），是任何电容器的最高水平。为了确定其关键的物理和化学行为，对这种目前独特的材料的基本理解是必不可少的。这种理解可能导致商业上可行的赝电容器材料不含任何贵金属。

材料科学家的目标必须是“设计电容存储材料”，使得每个部件优选地执行多于一个功能。这种设计将结合化学和表面电荷存储，确定每种的最佳混合，并确定最大化电解质以非常高的速率提供或去除离子的能力所需的最佳孔径分布。它还将结合充电离子的溶剂化如何随着孔径从大孔变化到极端，其中在相邻的材料片之间发生嵌入反应，其中仅发生离子的最小或零溶剂化。这种设计方法还有助于确定最佳的电解质和盐组合，以实现高导电率和电荷转移，并解决目前存在的成本问题。预计新的计算工具将在允许下一代电容器所需的复杂结构（包括接口）的理论，建模和仿真方面发挥关键作用。任何电能存储装置的关键挑战是在电极中获得连续的电子传导通路，以便可以非常快速地插入或移除电子。这对于设计为高功率设备的赝电容器来说更为重要。今天研究的多孔材料的自然延伸是纳米材料，其具有固有的极端表面区域和潜在增强的化学氧化还原行为。

氧化钒是一类已用于电池的材料（例如起搏器中的银钒氧化物），并且由于其广泛的形态，这些材料开始引起很多关注。结晶的五氧化二钒与锂反应后迅速变得无序并呈现典型的电容性放电曲线。王等人。已经探索了纳米氧化钒的形态，如图7中的Ragone图所示，电化学特性强烈依赖于形态。 （Ragone图，其中能量密度 - 以Wh / kg为单位绘制，相对于功率密度，以W / kg为单位）通常用于比较各种储能装置的性能特征。）如前面图2所示，能量密度越高，功率密度越差。这些材料显示出电池和电容器之间的行为，并且未来的许多应用都不会使用这种混合设备。

电池和电容器面临的主要科学挑战和机遇

无论是配置为高功率/低能量还是低功率/高能量，电池和电容器都面临许多科学挑战和机遇。尽管要讨论的实例强调电池，但由于更大的研究活动，它们同样适用于电化学电容器，特别是赝电容器。

纳米材料在储能中的作用

最近发现的纳米结构材料，如前面讨论的锡钴阳极，为定制储能材料提供了新的机会。在纳米尺度上，概念上，在假电容和存储反应之间可能没有什么区别。除了组成和结构之外，控制纳米级材料结构的能力增加了尺寸作为功能变量。这些材料表现出超出仅与较大表面积相关的新现象，例如改善锡与锂反应时体积膨胀的影响以及LiFePO4 全文共9023字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1950]

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