新能源材料与器件专题

• 氮掺杂空心碳球锌离子混合电容器正极材料的制备及其性能

  刘永川;

  以溶胶-凝胶法合成的二氧化硅球为模板，酚醛树脂为前驱体，采用模板法制备了氮掺杂空心碳球，并将其用作锌离子混合电容器正极材料。该空心碳球具有空腔结构的微观形貌和介孔主导的分级孔道，且碳壁相互连接，有效促进了离子传输扩散和提高了材料的电子导电性。研究表明：在电化学性能方面，原位氮掺杂极大地改善了电极材料的电解液浸润性和电子导电性，并提供更多的赝电容容量，从而全面提升了电极材料的性能。在0.2 A·g~(-1)电流密度下，其比容量可以达到147.8 mAh·g~(-1),经过20000次循环后容量保持率为82%,展现出良好的倍率性能和循环稳定性。因此，氮掺杂空心碳球有望成为下一代高性能锌离子混合电容器正极材料。

  2023年09期 v.42;No.379 1025-1032页 [查看摘要][在线阅读][下载 1158K]
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• ZIF衍生Fe_3O_4@NC/石墨烯锂离子电池负极材料研究

  张亚婷;索轲;刘国阳;朱由余;张娜娜;

  为了改善Fe_3O_4作为锂离子电池负极材料时循环稳定性差的问题，以铁基沸石咪唑酯框架结构材料(Fe-ZIF)为前驱体，使用多巴胺通过聚合反应与其复合，再与石墨烯通过静电吸附作用组装，经过煅烧碳化，制备了Fe_3O_4@NC/G复合材料。研究结果表明，多巴胺与石墨烯的引入有效提高了Fe_3O_4在充放电过程中的电化学稳定性。在0.1 A·g~(-1)电流密度下，充放电循环30圈，Fe_3O_4@NC/G的放电比容量为1005.6 mAh·g~(-1)。当电流密度为2 A·g~(-1)时，经过300圈循环，其放电比容量仍有838.3 mAh·g~(-1)。Fe_3O_4@NC/G复合材料优异的电化学性能归因于独特的结构设计，这对其他负极材料的构筑提供了一定的参考价值。

  2023年09期 v.42;No.379 1033-1039页 [查看摘要][在线阅读][下载 715K]
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• 金属锂表面Sn-Al双金属包覆层的构筑及其空气稳定性研究

  王弘毅;李晶泽;

  金属锂是下一代高能量密度锂电池的首选负极材料，然而其空气稳定性差导致金属锂二次电池工业化制备成本大大提高，开发具有高空气稳定性、优异电化学性能、低制备成本的表面包覆改性锂负极是其商业化的必由之路。在金属锂箔衬底上通过磁控溅射技术沉积一层74 nm厚的Al薄膜，再以相同参数沉积一层3μm厚的Sn薄膜，得到双层金属包覆膜样品Sn@Al@Li。采用扫描电子显微镜观察空气腐蚀前后样品表面形貌变化，结合X射线衍射测试，发现Sn@Al@Li表面金属包覆层形成的表面钝化膜起到了保护作用，使得样品在空气中放置3 h后其表面仍然存在单质金属Sn层，呈现明显的金属光泽。组装半电池进行放电容量测试，容量释放率达到80%,而纯锂样品仅剩14%。Sn@Al@Li不仅大大提高了空气稳定性，同时也一定程度提高了电化学性能，对称电池在1 mA/cm~2,1 mAh/cm~2条件下能稳定循环300 h。双层金属薄膜包覆方法提高空气稳定性的同时也改善了电化学性能，对锂二次电池的商业化应用具有重要意义。

  2023年09期 v.42;No.379 1040-1046页 [查看摘要][在线阅读][下载 715K]
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• 碳修饰的HMCS@ReS_2的合成及其储钠性能研究

  毛子林;杨孝远;张彦;

  二硫化铼(ReS_2)作为过渡金属二硫化物的一员，由于极弱的层间范德华相互作用、较弱的层间耦合能量和较大的层间距，在钠离子电池领域有着良好的应用前景。但是ReS_2自身较低的本征电导率和充放电过程中较大的体积膨胀严重限制了其电化学储钠能力。在空心介孔碳球(HMCS)上原位生长ReS_2纳米片(HMCS@ReS_2),将HMCS@ReS_2复合材料作为高性能钠离子电池负极。碳基材料的复合弥补了ReS_2电导率不足的缺陷，促进了电子的快速转移；空心介孔碳球为ReS_2的体积变化提供了足够的缓冲空间，维持了电极材料的结构稳定性。HMCS@ReS_2作为钠离子电池负极材料时有着优异的倍率性能和循环性能。结果表明，HMCS@ReS_2电极在0.2,0.5,1.0,2.0,5.0 A·g~(-1)的电流密度下分别表现出388.5,343.4,305.3,262.4,180.1 mAh·g~(-1)的放电比容量。在2.0 A·g~(-1)电流密度下循环3000次后比容量保持在65 mAh·g~(-1),平均每圈的容量衰减率仅为0.074%。

  2023年09期 v.42;No.379 1047-1053页 [查看摘要][在线阅读][下载 750K]
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• 不同材料体系的隔膜对超级电容器性能的影响

  李雅欣;李尧;龙金;胡健;

  隔膜作为超级电容器关键组成部分，其选择对超级电容器性能起着决定作用。研究了不同材料体系的隔膜对超级电容器性能的影响，对比了PP微孔膜(Celgard 2500)、纤维素隔膜(TF 4035)、PP熔喷无纺布隔膜(MPF)、静电纺丝隔膜(PI-80)四种隔膜的形貌和对电解液润湿性以及孔隙结构，结合交流阻抗、循环伏安和恒流充放电等测试方法，深入探究了不同材料体系隔膜的超级电容器性能差异。结果表明，四种隔膜材料表面形貌有着明显差异，Celgard 2500隔膜的厚度最小，为25μm,但其离子阻抗大且不稳定，比容量和能量密度衰减严重；MPF隔膜孔隙率最高，但厚度大，达到了87μm;而纤维素隔膜TF 4035厚度35μm、孔隙率73.3%,电解液润湿性优异，隔膜离子阻抗和超级电容器的时间常数都较小，能量密度的衰减幅度最小；PI-80隔膜由于其较低的孔隙率和较差的电解液润湿性，电容器性能较TF 4035隔膜有所下降。

  2023年09期 v.42;No.379 1054-1059+1093页 [查看摘要][在线阅读][下载 9869K]
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• (Bi_(0.5)Li_(0.5))HfO_3掺杂铌酸银基反铁电陶瓷的储能特性研究

  徐坤;张丹阳;展敏园;曹月丛;徐永豪;

  通过在AgNbO_3的A位引入7%(摩尔分数)的Sr~(2+)(Ag_(0.86)Sr_(0.07)NbO_3),在降低了电滞ΔE的同时，将M_2-M_3相变调节至室温附近。在此基础上，结合轧膜成型工艺，设计了(1-x)Ag_(0.86)Sr_(0.07)NbO_3-x(Bi_(0.5)Li_(0.5))HfO_3(ASN-100xBLH,x=0.00～0.12)体系，在1050～1140℃氧气氛下保温2 h制备出致密性良好的厚膜陶瓷样品。结果表明，随着BLH掺杂浓度的增加，ASN-100xBLH陶瓷的击穿场强与储能特性均有不同程度的提升。在460 kV·cm~(-1)电场下，ASN-11BLH的储能性能达到最优，储能密度和储能效率分别为4.6 J·cm~(-3)和90.0%。此外，ASN-11BLH陶瓷表现出较好的温度稳定性和频率稳定性。在300 kV·cm~(-1)电场下，25～120℃的温度范围内，储能密度和储能效率的变化率分别为9.4%和9.8%;10～500 Hz频率范围内，储能密度和储能效率的变化率分别为1.9%和1.2%。

  2023年09期 v.42;No.379 1060-1070页 [查看摘要][在线阅读][下载 1588K]
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• 基于SSA-VMD-GRU的锂电池剩余寿命预测方法研究

  丁德邻;张营;左洪福;

  锂离子电池性能在衰退过程中呈现非平稳性和非线性，寿命预测往往被再生容量所干扰，衰退趋势难以捕捉，进而影响寿命预测。针对该问题，以容量为特征，构建一种基于麻雀搜索算法优化变分模态分解和门控循环单元的锂离子电池寿命预测方法。首先，利用麻雀搜索算法优化了变分模态分解的分解层数和惩罚因子，再通过优化了的变分模态分解算法将锂电池容量分解为若干分量，最后引入门控循环单元预测所分解的若干分量，将若干预测结果进行集成。通过NASA电池数据集对所提方法进行验证，并与两种模型相比较，结果表明，该方法相较于另两种方法预测精度平均提升了60%。

  2023年09期 v.42;No.379 1071-1078页 [查看摘要][在线阅读][下载 851K]
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研究与试制

• 高阻高B值(FeCoCrMnZn)_3O_4高熵热敏陶瓷

  吴鹏程;梁炳亮;任剑怡;张乐;杨开怀;吴新根;

  高熵氧化物陶瓷由于独特的结构及新奇的“高熵效应”而表现出优异的性能。为制得高灵敏度和高稳定性的NTC热敏电阻，采用固相反应法制备了(FeCoCrMnZn)_3O_4高熵热敏陶瓷，研究制备工艺对其物相组成、显微结构和电学性能的影响。结果表明：(FeCoCrMnZn)_3O_4粉体在900℃煅烧即可形成尖晶石结构的单相固溶体，(FeCoCrMnZn)_3O_4陶瓷中各元素均匀分布，符合高熵化特征，其室温电阻率高达142.5 kΩ·cm,热敏常数B值高达4487 K,而电阻漂移率仅为1.22%(1425℃,4 h)。总之，(FeCoCrMnZn)_3O_4高熵热敏陶瓷具有良好的NTC特性，较普通NTC热敏电阻而言，具有更高的电阻率、B值及稳定性，可用于抑制大功率电器产生的浪涌电流及温度的检测和控制等。

  2023年09期 v.42;No.379 1079-1086页 [查看摘要][在线阅读][下载 1518K]
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• Ni掺杂SnO_2纳米棒的室温氢气敏感性能研究

  丁思祺;杨洋;谈论;王钊;杨飘云;

  氢气是一种理想的可再生清洁能源。利用快速灵敏、准确可靠的氢气传感器对环境中的氢气浓度进行实时监测，是保障氢能安全应用的关键。研制可在常温下快速准确运行的新型半导体氢气传感器是本领域研究人员关注的热点。本文采用一步水热法合成Ni掺杂SnO_2纳米棒，研究了Ni掺杂含量对产物物相、形貌、组分和氢敏性能的影响。结果表明，Ni掺杂SnO_2纳米棒为四方金红石结构，随着Ni/Sn原子百分比从1.1%提升至16.7%,纳米棒直径降低、长径比提升，对3000ppm氢气的响应度呈先增大后减小的趋势。当Ni/Sn原子百分比为3.7%时，所得氢敏元件性能最佳，其响应度和响应时间分别为79.11和71 s,且具有优异氢气选择性。Ni掺杂引起材料长径比和氧空位缺陷浓度增加是材料性能提升的主要原因，该方法可为开发高性能室温半导体氢气传感器提供可行途径。

  2023年09期 v.42;No.379 1087-1093页 [查看摘要][在线阅读][下载 663K]
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• 镧系元素(Ce、Pr、Nd、Sm、Eu)掺杂NaTaO_3光电性质影响的第一性原理研究

  赵旭才;晋宇恒;郭思嘉;卫来;张丽丽;雷博程;

  为提高NaTaO_3在可见光区的光谱响应范围，利用第一性原理方法研究了镧系金属(Ce、Pr、Nd、Sm、Eu)掺杂NaTaO_3体系，并对掺杂前后体系的晶体结构、形成能、电子结构以及光学性质进行了计算与分析。结果表明：掺杂体系均发生了晶格畸变，导致体系键布局发生变化，使体系内的正负电荷不再重合，从而在体系内产生了局域电势差，这有效阻碍了体系内部光生电子与空穴的复合，有利于提高NaTaO_3体系的光催化能力。在形成能的计算中发现NaTa_(0.875)Pr_(0.125)O_3的形成能最小，表明该体系最容易形成。掺杂体系的禁带宽度均减小，能级变密集。从态密度图中发现掺杂会加强原子轨道在费米能级的杂化程度，可以有效减少电子-空穴对的复合。从光学性质中发现Ce、Pr、Eu的掺入使NaTaO_3发生了红移，其中NaTa_(0.875)Pr_(0.125)O_3对可见光的响应范围最广，该体系有望成为新型高效的光催化剂材料。

  2023年09期 v.42;No.379 1094-1101页 [查看摘要][在线阅读][下载 1130K]
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• 面向毫米波MIMO的方向图去耦印刷偶极子天线

  南敬昌;曹京涛;杨楠;

  针对MIMO(Multiple-Input Multi-Output)多天线系统中因耦合导致的天线单元辐射方向图畸变问题，提出了一种基于短路枝节的方向图去耦方法。在偶极子辐射臂和地板之间引入的短路枝节可调节耦合单元辐射臂上感应电流的幅度和相位，进而对天线单元畸变的辐射方向图完成波束纠偏和凹陷修复，实现方向图去耦。在5G毫米波n260频段(37～40 GHz)设计、制作了1×4 MIMO印刷偶极子天线实物，实测方向图的最大辐射方向被纠正到正天顶，实测端口隔离度大于23.5 dB。实测与仿真结果吻合良好，验证了提出的方向图去耦方法的有效性。提出的方向图去耦的1×4毫米波MIMO印刷偶极子天线性能良好、易于实现，可应用于毫米波MIMO系统。

  2023年09期 v.42;No.379 1102-1109页 [查看摘要][在线阅读][下载 1357K]
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• 轻质花形超材料宽带吸波器

  文慧鹏;吕晓龙;郭云胜;

  使用花形镂空磁性复合材料吸波片和背板金属设计了一种微波宽带超材料吸波器，该吸波器能实现与自由空间的阻抗匹配的同时，可以改变电磁场在吸波片中的分布，有效地将入射场能量耗散在花形镂空结构边缘，实现宽带和高吸收率。COMSOL Multiphysics软件仿真表明：在厚度为3.18 mm的磁性复合材料吸波片上，刻有周期为10 mm,长、短半轴分别为6.3和2 mm的椭圆形花瓣镂空结构时，吸收率大于90%的带宽可达到12.6 GHz。对花形超材料吸波器进行加工与实验测试，其吸收率和带宽与仿真结果基本吻合。镂空结构不仅可以拓宽吸收带宽，也能够减轻吸波器的重量，可在电磁吸波领域内具有广泛的应用前景。

  2023年09期 v.42;No.379 1110-1114页 [查看摘要][在线阅读][下载 522K]
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• 基于耦合线加载开路枝节的宽带带阻滤波器设计

  史春蕾;任禹;于佳鸣;马振洋;田毅;

  基于单端接地耦合线结合微带传输线加载开路枝节，提出了一款宽带带阻滤波器。该滤波器由输入输出端的单端接地耦合线并联微带传输线上加载三个开路枝节组成。采用奇偶模理论分析、传输线模型和结构模型仿真优化，对滤波器的特性开展了研究。实物加工测试结果与仿真结果的一致性好，验证了所设计的宽带带阻滤波器。该滤波器的阻带中心频率为2 GHz, 3 dB衰减带宽为98%(1.19～3.15 GHz),20 dB衰减带宽为84.5%(1.24～2.93 GHz),阻带带内抑制大于35 dB,结构紧凑，可与航电系统设备板级电路集成，用于电磁干扰防护。

  2023年09期 v.42;No.379 1115-1122页 [查看摘要][在线阅读][下载 806K]
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• 环氧粘结材料释气特性的模型建立与分析

  许高斌;袁婷;关存贺;李明珠;冯建国;

  在真空封装的MEMS传感器中，真空腔内部材料的释气是引起微腔体真空度变化的关键因素，而封装中使用较为普遍的环氧粘结材料因其易吸水的特性成为材料释气的最主要来源。真空封装内部材料释放出水汽，造成内部真空度的变化，从而直接影响产品的质量，为了探究影响MEMS传感器微腔体真空度的变化因素，以环氧粘结材料为例，研究其在不同温度下的扩散释气特性，结合菲克扩散模型，建立了环氧粘结材料的释气速率随时间变化的理论模型。通过对实验数据进行仿真验证，利用MATLAB软件对实验数据进行拟合，对比模型的拟合结果与实验数据的计算结果，相对误差<5%。研究结果表明，115℃下建立的理论模型与真实的释气模型吻合度较高，当温度不变时，环氧粘结材料的释气速率随时间的变化不断减小；同时，随着温度的升高，释气速率随时间的变化呈指数衰减趋势。

  2023年09期 v.42;No.379 1123-1128页 [查看摘要][在线阅读][下载 297K]
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• 三维堆叠封装TSV互连结构热扭耦合应力分析与优化

  谢俊;黄春跃;梁颖;张怀权;刘首甫;

  建立了三维硅通孔(TSV)芯片垂直堆叠封装结构有限元分析模型，对模型在热扭耦合加载下进行了仿真分析；分析了TSV材料参数与结构参数对TSV互连结构热扭耦合应力的影响；采用了响应面与模拟退火算法对在热扭耦合加载下TSV互连结构参数进行优化设计。结果表明：TSV互连结构最大热扭耦合应力应变位于铜柱与微凸点接触面外侧；微凸点材料为SAC387时，TSV互连结构热扭耦合应力最大，该应力随SiO_2层厚度的增大而增大，随铜柱直径的增大而先增大后减小，随铜柱高度的增大而减小；最优参数水平组合为铜柱直径50μm、铜柱高度85μm、SiO_2层厚度3μm,优化后的最大热扭耦合应力下降了5.3%。

  2023年09期 v.42;No.379 1129-1135+1142页 [查看摘要][在线阅读][下载 807K]
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• 基于相位差误差补偿的磁元件损耗测量法

  叶建盈;舒一展;汪晶慧;万威;李睿;

  准确评估磁元件损耗对高频功率变换器效率和热设计至关重要。交流功率法广泛用于低频领域的电气电子设备功率和元器件损耗的测量，该方法对电压和电流之间的相位差比较敏感，导致交流功率法在高频领域难以准确测量被测件的损耗。本文提出一种采用无感电阻进行相位差误差补偿的测量方法，克服了相位差的测量误差对高频磁元件损耗测量的影响。分析了测量方法的工作原理，通过求解无感电阻和磁元件损耗的测量公式以消除相位差导致的测量误差，得到新的磁元件损耗测量公式。进一步分析了新测量方法的影响因素，以降低其对测量结果的影响。最后，建立了一个测量平台，在1.2 MHz频率范围内正弦波激励工况下对两种磁元件进行损耗测量，并与阻抗测量法和量热法进行了对比。实验结果验证了提出的方法能够准确有效地测量高频磁元件的损耗。

  2023年09期 v.42;No.379 1136-1142页 [查看摘要][在线阅读][下载 603K]
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• 快速瞬态响应低噪声无片外电容LDO

  张涛;吴小奔;刘劲;

  针对便携式设备快速瞬态响应、低噪声、高电源抑制比等应用需求，提出了一种无片外电容NMOS型低压差线性稳压器(LDO)。该LDO基于浮栅结构，通过具有推挽输出级的放大器辅助控制，减小了电荷泵的噪声耦合；另外，通过取样输出电流控制误差放大器的输出动态范围，极大地提高了电路的瞬态响应能力。电路基于HHGrace 0.35μm BCD工艺设计，仿真结果表明，无外接电容时，负载电流在1μA～400 mA之间跳变，电路的下冲电压为203 mV,过冲电压为101 mV,响应时间小于1.5μs;在10 Hz～100 kHz的频段内，系统输出积分噪声电压为14μV·Hz~(-1/2)。LDO达到了快速瞬态响应和低噪声的需求。

  2023年09期 v.42;No.379 1143-1149页 [查看摘要][在线阅读][下载 857K]
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