2020 Vol. 37(2): 1-12| [摘要](10) | [PDF](17)研究与探索- 锂离子电池单离子导体聚合物电解质研究进展
- 沈秀,张鹏,李航,李睿洋,王欣,华海明,黄伯阳,杨锦,赵金保
- 锂离子电池在3C电子产品和动力汽车电池行业广泛应用，在航天电源领域也展现出一定的前景。单离子导体是基本仅由参与电化学反应的锂离子迁移的电解质体系，解决传统锂离子电池液态电解质存在的副反应和阴离子的浓差极化等问题，改善电池的库伦效率和循环寿命。研究者们发展了多种类型的单离子导体电解质。本文总结了近5年来不同阴离子类型的单离子导体聚合物电解质合成策略以及分子动力学模拟计算的最新进展。
- 2020 Vol. 37(2): 13-22
| [摘要](18) | [PDF](13)- PEM水电解技术在航天上的应用现状与发展趋势
- 王飞,周抗寒,管春磊,焦飞飞,黄武博
- 介绍了质子交换膜(PEM)水电解技术的特点及其在国内外航天领域的应用现状，在分析空间任务的发展趋势，以及能源、动力、环境控制与生命保障系统需求变化的基础上，认为在未来载人航天任务中，能源、动力、生保物质互用的解决方法是摆脱依赖地面支持、实现自主和可持续保障的最优途径，并指出了PEM水电解技术作为实现这一技术途径的关键环节所面临的挑战。
- 2020 Vol. 37(2): 23-29
| [摘要](10) | [PDF](9)- 全浓度梯度高镍正极材料的可控制备及性能
- 张建,张勇杰,杨成云,罗海波,谢晓华,夏保佳
- 针对全浓度梯度高镍正极材料批次一致性控制问题，采用Ni、Co、Mn三种溶液单独配制，各自通过程序精确控制流量进入反应釜的新思路和梯度降温烧结方式，实现可控制备。制备的全浓度梯度LiNi0.82Co0.08Mn0.10O2的0.1 C放电比容量为210.9 mAh/g，制作成的18650电池比能量为240 Wh/kg和669 Wh/L，具有较好的大电流充放电能力，适用于-20~55 ℃，1 000次循环后容量保持率为85.2%。高镍正极材料的浓度梯度化设计，显著提高了材料表面结构的稳定性，与商业化的高镍正极材料相比，在循环性能、倍率和安全性能等方面都具有明显优势。
- 2020 Vol. 37(2): 30-37
| [摘要](14) | [PDF](8)- 氧化石墨烯辅助低温液相法合成石榴石型固体电解质
- 邓帆,宋树丰,姚建尧,胡宁
- 固态锂电池有望解决传统锂离子电池的安全性问题，并且能实现更高能量密度。作为具有应用前景的石榴石型固体电解质材料，其纳米粉体的制备技术研究具有重要意义。针对石榴石型固体电解质纳米粉体存在合成温度高、粉体团聚、粉体颗粒尺寸大等关键问题，提出了一种氧化石墨烯辅助的低温液相法合成石榴石型固体电解质的技术策略。该策略的主要思想是首先利用氧化石墨烯表面带有负电荷的特性，吸附石榴石金属阳离子，避免多分散聚集体的形成;然后再利用氧化石墨烯纳米片的物理分隔，在低温合成条件下，实现分散性较好的石榴石型固体电解质纳米粉体的制备。实验中，以氧化石墨烯作为模板材料，结合化学共沉淀方法，制备了石榴石型锂离子固体电解质材料。系统研究了煅烧温度、氧化石墨烯含量、煅烧气氛等对石榴石型固体电解质制备的影响。实验结果表明:当氧化石墨烯的最佳添加量为1%时，可以在较低温度(650 ℃)下获得单一石榴石立方相的固体电解质材料Li6.5Mg0.05La3Zr1.6Ta0.4O12。继而对比研究了添加1%氧化石墨烯与未添加氧化石墨烯对石榴石型固体电解质纳米粉体形貌及尺寸的影响，揭示了氧化石墨烯纳米片在石榴石型固体电解质纳米粉体制备中的积极作用。固体电解质烧结片的室温离子电导率约为2.5×10-4 S.cm-1，为其在固态锂电池中的应用打下了基础。
- 2020 Vol. 37(2): 38-45
| [摘要](12) | [PDF](9)- 基于Mn3+浓度和形貌控制的高性能LiNi0.5Mn1.5O4正极材料
- 罗英,王勇,郭满毅,薛志民,刘雯,晏莉琴,解晶莹,闵凡奇
- 为了改善高电压镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)材料的电化学性能，提出利用退火热处理过程调控Mn3+含量和材料形貌来制备LiNi0.5Mn1.5O4正极材料。LiNi0.5Mn1.5O4材料的电性能是材料结构、形貌等多因素影响的结果。退火热处理有助于Mn3+氧化成Mn4+，实现Mn3+含量调控。退火后材料的空间结构由Fd3m向P4332转变，且具有微米级多面体形貌，有效提高了循环稳定性和放电平台。研究表明:700 ℃退火保温15 h合成的材料在20 C下具有118 mAh.g-1放电比容量，循环100次容量保持率提高到92.8%。因此，通过优化Mn3+含量、控制材料形貌可以实现高性能LiNi0.5Mn1.5O4材料制备。
- 2020 Vol. 37(2): 46-53
| [摘要](13) | [PDF](13)- 三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应
- 唐道远,徐建明,李云鹏,窦鹏程,马宁华,蒋帅,吴敏
- 采用1 315 nm波长连续激光，在真空环境下辐照三结砷化镓太阳电池，通过对比辐照前后电池IV、QE等表征数据，研究三结砷化镓太阳电池的损伤效应，并对其损伤机理进行分析。结果表明:当激光功率密度为8 W/cm2、辐照时间为60 s时，三结砷化镓太阳电池辐照后电性能下降显著，转化效率衰降超过70%。损伤机理是在热损伤与应力损伤的综合作用下，引起电池串联电阻(Rs)、并联电阻(Rsh)的恶化，且Rsh是衡量电池损坏的关键指标。该结果可以为三结砷化镓太阳电池在激光损伤机理与无线能量传输方面的研究提供一定的参考。
- 2020 Vol. 37(2): 54-60
| [摘要](12) | [PDF](14)- 锂离子电池用PMMA凝胶/LLZT复合电解质的原位制备
- 黑泽峘,吴绍平,郑鸿鹏,邹怡东,段华南
- 固态电池具有高能量密度和高安全性等潜力，是未来航天器电源的重要解决方案。本文利用原位聚合方法，制备了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)凝胶/Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12(LLZT)复合电解质。通过选择与陶瓷相润湿性好的甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)进行原位聚合，改善了电解质内部陶瓷与凝胶的两相界面。室温下，此复合电解质具有6.6 10-4 S.cm-1的离子导电率。进一步采用原位聚合法，制备了Li/复合电解质/Li对称电池。与非原位方法相比，原位聚合将电解质与金属锂的界面比电阻从1 572 Ω.cm2降至367 Ω.cm2，对称电池在0.085 mA.cm-2下能够稳定循环400圈，显示出良好的循环稳定性。
- 2020 Vol. 37(2): 61-68
| [摘要](9) | [PDF](9)- 氮掺杂多孔碳纤维改性锂硫电池正极材料
- 刘北元,谢朝香,崔志兴,刘琦,李纯莉,赵志坤,穆道斌
- 锂硫电池具有高比能量密度，在航空航天、无人机等电源系统应用方面受到了广泛关注。但是其本身也存在一些问题，如电池正极材料反应前后体积膨胀、导电性差和容量衰减迅速等，这些均限制了其应用推广。本文通过引入氮掺杂多孔碳纤维作为硫正极材料载体来改善其性能。一方面，碳纤维能提供大的反应比表面积和相互交织的导电网络，有效促进了活性材料之间的电化学反应;另一方面，氮原子掺杂和表面孔的存在，增强了对反应中间产物多硫化锂的吸附性，使得电极循环稳定性得到提高。研究结果表明:改性后含硫正极在167.5 mA.g-1电流密度下，初始放电比容量达到1 078.3 mAh.g-1，经过100周充放电循环后，容量可保持在525.4 mAh.g-1，平均每周容量衰减率为0.5%;当电流密度增大到1 675 mA.g-1时，放电比容量仍可以达到502.3 mAh.g-1，表现了良好的循环稳定性和倍率性能。
- 2020 Vol. 37(2): 69-74
| [摘要](9) | [PDF](14)- 花状SnS2微球用作高效锂空气电池催化剂的研究
- 侯晓彦,毛亚,殷洁炜,原鲜霞
- 因超高的理论能量密度，锂空气电池在航空航天、电动汽车等领域展示了广阔的应用前景，但其目前的性能仍与实际使用需求有较大的差距。本文旨在开发具有双功能催化作用的正极催化剂以提升锂空气电池的性能。采用简易的一步溶剂热法成功制备了花状结构的SnS2微球，并首次探究了其作为可充锂空气电池正极催化剂的应用前景。结果表明:所制备的花状SnS2微球对锂空气电池的正极过程具有优异的催化性能，大大改善了以其为催化剂的锂空气电池的综合性能，证明SnS2是一种有潜力的、值得深入研究的锂空气电池用催化剂材料。
- 2020 Vol. 37(2): 75-80
| [摘要](9) | [PDF](9)应用与实践- 航天用高效率半导体激光器驱动电源
- 吴嘉文,齐雨,吴新科
- 随着航天用半导体激光器功率的增加，对其驱动电源的效率提出了更高的需求，采用传统硬开关变换方式的反激已经无法满足效率要求。针对此问题，基于高可靠性器件和反激拓扑，研究一种高效率的恒流源实现方法。反激主电路采用准谐振的工作模式，谷底开通方式使其开关损耗大幅下降。利用一个电流互感器配合简单外围电路实现电流过零检测、输出电流平均值检测以及同步整流驱动三个功能，进一步降低了辅助电路的损耗。搭建了实验样机进行效率测试。结果表明:采用此设计方案的样机在额定负载下效率可以达到92%以上。
- 2020 Vol. 37(2): 81-87
| [摘要](7) | [PDF](11)- 起动/发电机的电压跌落补偿技术
- 谢元浩,朱磊,蒋栋
- 随着飞行器和航天器上电能需求的增大，在航空航天电源系统中，一体化起动/发电机(ISG)得到了广泛应用。出于可靠性要求，通常采用不控整流来支撑直流母线。而由于电机电枢阻抗的存在，在负载变动时其供电电压会发生跌落。针对该跌落现象，提出了两种电压补偿方案，分别利用电压源型逆变器和移相全桥DC/DC变换器，分别从交流侧和直流侧对供电电压进行补偿。分析了补偿机理并设计了控制系统，分别对其搭建了实验平台。实验结果验证了两种补偿方法的有效性和供电的可靠性，并对两种方法的特点进行了比较。
- 2020 Vol. 37(2): 88-97
| [摘要](7) | [PDF](10)- 基于P3HT空穴传输层的碳基无机CsPbIBr2钙钛矿太阳电池
- 张敏,何凤琴,王冬冬,杨超,樊刚,陈大正
- 钙钛矿太阳电池是近年来快速兴起的第三代太阳电池，其中热稳定性优异、成本低、带隙超过2.0 eV的CsPbIBr2无机钙钛矿太阳电池效率已经突破11%，应用前景广阔。目前，大部分研究都集中在无空穴传输层的碳基CsPbIBr2钙钛矿太阳电池，较低的开路电压和填充因子是限制效率提升的主要原因。本文将溶液法制备的3-己基聚噻吩(P3HT)空穴传输层应用于CsPbIBr2钙钛矿太阳电池，提高了内建电势，改善了载流子输运，减少了载流子复合，实现了电池开路电压、填充因子的改善和能量转换效率的提升，丰富了CsPbIBr2钙钛矿太阳电池的载流子输运机理和效率提升途径，具有一定的推广意义。
- 2020 Vol. 37(2): 98-103
| [摘要](11) | [PDF](9)- SAR卫星用能量功率兼顾型锂离子电池研究
- 宋缙华,丰震河,郭向飞,颜琪斌,田娟,王可,潘延林
- 未来大功率合成孔径雷达(SAR)卫星的发展对储能电池组提出了轻量化、倍率高及在轨寿命长等要求，而现有的SAR卫星用功率型锂离子电池产品已无法满足未来需求。通过优化正极材料和电池设计，加入功能电解液，在保证电池功率特性的同时，显著提升了电池的能量密度和循环稳定性。本文研制出的新一代能量功率兼顾型锂离子蓄电池，额定容量为25.0 Ah，初期放电比能量达到180.0 Wh.kg-1，2 C放电容量为0.2 C容量的91.0%，1 C-100%放电深度(DOD)和2 C-30%DOD循环性能优异，可以满足下一代大功率SAR卫星的供配电需求，且大幅降低了电源系统重量，提高了卫星储能系统的利用率和平台有效载荷能力。
- 2020 Vol. 37(2): 104-108
| [摘要](14) | [PDF](11)- InxGa1-xAs材料在多结空间太阳电池中的应用进展
- 张炜楠,涂洁磊,胡凯,李雷,孙晓宇,姜德鹏,沈静曼
- InxGa1-xAs材料具有独特的物理特性，可以通过调节In和Ga的组分来改变材料的带隙宽度Eg。该材料自进入多结空间太阳电池领域以来，就受到了广泛的关注。因此，InxGa1-xAs材料有望成为未来多结空间太阳电池领域中的重要研究对象。本文首先介绍了InGaAs材料的生长工艺及其在多结空间太阳电池领域中的应用情况和研究现状，同时讨论了材料的外延生长工艺以获得高质量含InGaAs材料的多结太阳电池。此外，介绍了近年来InGaAs材料在高效多结空间太阳电池领域的研究进展，并对其抗辐照性能进行了简述。大量研究表明:InGaAs材料的使用可以进一步提升多结空间太阳电池的光电转换效率，达到提升卫星有效载荷的目的。
- 2020 Vol. 37(2): 109-116
| [摘要](11) | [PDF](6)- 太阳电池翼在轨模态光学测量优化的计算机辅助方法
- 王威,臧旭,郭其威,张美艳,唐国安
- 非接触光学测量方法，可作为空间站太阳电池翼等大型航天器柔性部件在轨模态分析的一种潜在手段。为合理布置相机的拍摄工位及视角，有效捕捉靶标运动的位移及方向，提出了利用轨控或姿控激励下柔性附件瞬态响应的结构动力学仿真结果，结合计算机图形学仿真技术，预示虚拟靶标运动过程成像及其位移重构效果，从而对测量有效性做出判断的实验方案评价方法，并通过仿真实验对其可行性进行了验证。该方法可发展为航天器在轨模态测量的计算机辅助优化工具，能充分利用结构动力学仿真成果，弥补大型柔性部件地面实验的不足。
- 2020 Vol. 37(2): 117-123
| [摘要](8) | [PDF](6)- 100 kWe月面核电站方案研究
- 刘凯旋,张威震,解家春,吕征
- 随着太空探索活动的深入开展，在月球表面建立有人基地成为必然选择。与常规化学能或太阳能相比，月面核电源具有诸多优点，是月球基地的最佳能源选择之一。本文提出了电功率100 kWe的核反应堆电源系统方案，给出了该方案的关键系统参数。针对反应堆模块，展开方案选型、参数优化、常规物理参数分析、初步热工分析和特种临界安全分析等工作。计算结果显示:燃料包壳温度小于使用限值，掉落事故工况下有效增值因数均小于0.98。该设计方案满足各项技术指标和设计准则。
- 2020 Vol. 37(2): 124-129
| [摘要](9) | [PDF](9)- 100 kWe级空间快堆核电源系统仿真平台开发与应用
- 侯捷名,张浩,汪彬,王欣,匡波
- 空间核反应堆电源作为一种具有竞争力的空间电源方案，正逐渐受到关注及应用。本文针对一个100 kWe级锂冷快堆耦合布雷顿循环的空间堆核动力系统方案，修改了RELAP5程序中的物性程序、换热模型，程序中的中子动力学模块使用蒙特卡洛方法计算快堆物理参数与堆芯控制调节参数，由此集成并建立一个空间快堆核动力系统综合仿真平台，应用该平台对100 kWe级空间堆核动力系统进行了稳态模拟与事故分析。结果表明:在瞬态发生后系统各参数变化符合预期，验证了各部件及控制系统的功能性及有效性;同时，还初步进行了仿真平台用于100 kWe级空间反应堆核动力系统设备的设计优化的实践，为空间快堆设计与安全分析提供了技术储备。
- 2020 Vol. 37(2): 130-138
| [摘要](9) | [PDF](13)- 基于GaN HEMT和平面变压器的高效率谐振DC/DC变换器
- 陈子健,秦伟,吴新科
- 为了提高航天领域高压直流母线DC/DC变换器的效率性能和功率密度，基于氮化镓器件和谐振变换器拓扑，研究矩阵变压器和平面磁元件的优化方法，提出了一种包含等效半匝绕组的变压器绕组结构，实现了多个并联副边绕组间以及多个并联整流器件间的均流，降低了损耗，提高了低压大电流输出时的效率。此外，还研究了模块的并联均流方法，搭建了270 V转28 V、1.2 kW输出的模块单体样机和2.4 kW的多模块并联样机，验证了所提出方法的可行性。
- 2020 Vol. 37(2): 139-145
| [摘要](8) | [PDF](17)- 高效能源系统管理与控制技术
- 董宝磊,刘涛,王霄,吴春瑜,黄军,何小斌
- 能源系统是飞行器的关键技术之一，能源系统性能的优劣对飞行器能否正常飞行及实现预定任务有重要影响。本文针对大功率飞行器对分布式循环能源系统的管理需求，开展高效能源系统管理与控制技术研究，提出一种集逐级调压控制、限流充电控制、恒流输出控制以及最大功率点跟踪(MPPT)控制为一体的层级梯次控制策略，实现分布式系统的全局优化控制和飞行器能源的功率优化调度。研制的能源管理系统(PCU)配备1条234~328 V高压母线，额定功率15 kW，电路效率大于97%，功率密度大于750 W/kg。PCU依托分布式架构，采用层级梯次控制策略，验证了高效能源系统管理与控制技术的正确性和有效性。
- 2020 Vol. 37(2): 146-152
| [摘要](12) | [PDF](15)
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