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固体化学杂志
摘要：过渡型三金属硫化物NiCoMn-S因在混合超级电容器中的高比容量而备受关注，而Ti3C2则因具有标志性的二维层状结构和优异的导电性而被视为一种潜在的新型电极材料。本文通过简单的一步水热法将NiCoMn-S纳米颗粒与二维层状Ti3C2复合，首次将其应用于混合超级电容器（HSC）的正极。大量的NiCoMn-S纳米颗粒分布在Ti3C2表面，为氧化还原反应提供了丰富的电化学活性位点。此外，Ti3C2的二维层状结构为离子传输提供了额外的电子通道，并降低了储能过程中的电荷转移阻力。 NiCoMn-S/Ti3C2-3.4%在1 A g-1密度下实现了347.1 C g-1的比容量，比纯NiCoMn-S（1 A g-1时270.2 C g-1）高28%。最后以NiCoMn-S/Ti3C2-3.4%为正极，RGO为负极组装成混合超级电容器（HSC），在1 A g-1密度下实现了164.3 C g-1的比容量，在15 kW kg-1的比功率下实现了16.2 Wh kg-1的高比能量。
质子化镍2-甲基咪唑骨架作为高性能混合超级电容器的先进电极材料
高导电性的金属有机骨架 (MOF) 已被证明是一种令人兴奋的储能设备电极材料。然而，大多数 MOF 表现出低电导率，这限制了它们在超级电容器中的使用。为了解决这个问题，采用一种简单的酸处理方法获得纳米花状镍 2- 甲基咪唑骨架 (Ni-MOF)，以在不破坏其骨架的情况下提高电导率。用最佳 pH 值为 2 的硫酸 (H 2 SO 4 ) 溶液处理的样品 (Ni-MOF-2) 表现出改善的表面纹理和优异的电化学特性。Ni-MOF-2 样品在 6 M 氢氧化钾 (KOH) 水性电解质中在 1 A/g 时显示出比其他样品高的 467 C/g 的比容量 (C s )。这主要是由于酸处理后 Ni-MOF-2 中的质子传导增强。此外，还使用电池型 Ni-MOF-2 作为正极，使用富含杂原子的活性炭 (O、N、S@AC) 作为负极，制造了混合超级电容器 (HSC) 装置。制造的 HSC 的最大比容量 (C s ) 为 38 mAh/g，比能量 (E s ) 高达 39 Wh/kg，最大比功率 (P s ) 为 11,079 W/kg。此外，HSC 在 10,000 次连续恒流充电/放电 (GCD) 循环中表现出约 87% 的出色循环稳定性。
适合各类电动汽车的混合能源优化选型设计方法
摘要：本文讨论了广泛应用于电动汽车 (EV) 的绿色能源。为了满足各种电动汽车的不同要求，正确确定能源尺寸至关重要，这样才能优化成本和输出性能。在本研究中，考虑了三种能源，即超级电容器 (SC)、钛酸锂 (LTO) 电池和镍锰钴 (NCM)（或 Li3）电池用于混合。设计了一种有效的全局搜索算法 (GSA) 来优化混合电能系统 (HEES) 的尺寸。GSA 程序包括：(1) 能源的车辆规格和性能要求，(2) 确定成本函数和约束，(3) 使用 for 循环进行 GSA 优化，(4) 最佳结果。分析了五种电动汽车的例子，即电动轿车、长途电动公交车、短途电动公交车、电动叉车和电动跑车，以在不同标准和规格下实现最佳混合能源组合。 GSA 有效地优化了能量尺寸设计。所研究的性能指标和车辆要求包括三种能源（超导电池、钛酸锂电池和锂电池）的比价格、恒定体积下的比能量、恒定质量下的比能量和恒定质量下的比功率。车辆要求（包括最大输出功率、车辆加速度、爬坡能力和最大速度）已被制定为设计约束。对五种类型的电动汽车进行了数值分析，以确定 HEES 的最佳尺寸和具有最低成本函数的 DC/DC 转换器的最佳位置。未来将研究使用 GSA 的 HESS 集成系统和控制设计、更多绿色能源应用和不同类型的电动汽车。
![arXiv:2002.12686v1 [physics.pop-ph] 2020 年 2 月 28 日](/simg/3\3d7d3a637e2b39d41c528688a9d8ea24a8c39f86.webp)
arXiv:2002.12686v1 [physics.pop-ph] 2020 年 2 月 28 日
尽管从未尝试过，但可以评估，同样的技术可以用于执行一些初步的火星载人任务[1, 2]。众所周知，要真正探索和殖民最近的天体，需要开发广泛的技术[3]——开发原地资源的技术、保护宇航员免受辐射的技术、在目的地星球上制造工厂的技术等——但需要直接与推进相关的新技术。特别是，必须使用核能而不是化学能来推动航天器。基于核裂变反应的核热推进和核电推进（NTP 和 NEP）两种替代方案都得到了详细研究，前者已经进行了台架测试，结果非常令人满意。 NTP 和 NEP 可以减少旅行时间（从而减少宇航员受到的宇宙辐射），同时降低低地球轨道初始质量 (IMLEO)，从而使星际任务更加经济实惠，从而提高人类执行火星及更远星球任务的机会。NASA 设计参考架构 5 (DRA5) [3, 4] 报告了 NTP 和载人火星任务化学方法之间的有趣比较。此外，NEP 还可以显著改善化学推进，而上述两种核方法之间的选择主要取决于政治决策，即哪种技术可以发展到足够的技术就绪水平。上述两种核方法均基于裂变核反应 [5]。轻质结构和薄膜太阳能电池方面的最新进展使得人们可以考虑将太阳能电力推进 (SEP) 用于载人行星任务，尤其是首次载人火星任务。这是一种“过渡”解决方案，用于提高行星际航天器的性能，使其性能高于化学推进，同时等待 NTP 或 NEP 技术可用。通过将 SEP 的性能与化学推进和 NTP 的性能进行比较，IMLEO 方面的优势显而易见，而就 NEP 而言，它们仅取决于发电机的比重 α，短期内这对太阳能电池阵列比对核发电机更有利。从长远来看，后者会好得多，但开发 SEP 意味着为载人飞行任务开发高功率电推进器，以便在轻型核发电机可用时它们已准备就绪。无论如何，毫无疑问，要成为真正的太空文明，我们必须开发基于核聚变的火箭发动机 [6, 7]。使用聚变能进行航天器推进的想法由来已久 [8]。对于聚变推进，有两种替代方案：类似于 NTP 和聚变 NEP。在过去的 20 年里，许多研究都致力于核聚变发电的总体发展，尤其是核聚变火箭的发展。核聚变 NEP 需要开发轻型核聚变反应堆，而这在今天看来似乎是一项艰巨的任务。此外，这里的重点仍然只是发电机的比重 α，而核聚变发电机的 α 值要比裂变发电机更好还需要很多年 [9]，更不用说今天还没有出现过即使 α 值很高的核聚变发电机。在核聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最佳值就越高，因此即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的开发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量以及低辐射航天器推进系统。最简单的聚变驱动器类型是使用小型不受控制的热核爆炸来推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，而 D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内实现太阳系殖民的推进器。虽然与 DFD 相关的大多数研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速前往火星和小行星带的任务。结果表明，核聚变推进是开启太阳系殖民和建立太阳系经济的有利技术。本文的结构如下：在第二部分中，我们描述了推进器及其主要特性。第三部分专门考虑了地球 - 火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分讨论了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论
硅光伏，一种低成本的月球发电技术
受低地球轨道星座和高空平台站 (HAPS) 的推动，太空光伏电力需求正在大幅增长，从数量和成本要求方面彻底改变了游戏规则。将地面光伏技术应用于太空似乎是解决这些工业和经济挑战的潜在解决方案。在架构方面，地面 PVA 使用单个前板覆盖嵌入粘合膜的几串电池，并通过层压一步组装而成。这种方法在工业上已经成熟，可抑制静电放电 (三相点) 的风险，并与多种材料和太阳能电池技术兼容：合格的 III-V [2]、商用现货 (COTS) 硅和新兴的钙钛矿。此外，这种方法为提高比功率 (W/m 2 ) 提供了空间，如地面光伏所示，据报道，电池与模块的效率比超过 90%。在材料方面，只要能找到性能妥协，就非常有望引入 COTS 组件。从这个意义上讲，辐射和热循环是选择过程中的关键老化测试。本文介绍了电子 COTS Si 电池辐射（1MeV）和层压 Si PVA 试样（- 140/+140 °C）热循环的实验结果。将利用电池互连行为的热机械模拟见解分析 Si PVA 热循环的实验结果。精心设计和选择 COTS Si PVA 组件可使 LEO 的 EOL AM0 效率达到 10-14% 的范围，迄今为止在约 2000 次循环中表现出稳定的性能；我们将讨论改进途径。
unit-3 - 能源存储
镍镉系统使用与镍铁系统相同的正极和电解质，并结合金属镉负极。电池反应如表 10.1 所示，其标称开路电压为 1.3 V。从历史上看，电池的发展与镍铁的发展同步，性能相似。镍镉技术因具有高比功率（超过 220 W/kg）、长循环寿命（高达 2000 次循环）、高电气和机械滥用耐受性、宽放电电流范围内电压降小、快速充电能力（18 分钟内约 40% 至 80%）、宽工作温度范围（-40 至 85°C）、低自放电率（<0.5%/天）、由于腐蚀可忽略不计而具有出色的长期储存性能以及多种尺寸设计等优点而取得了巨大的技术进步。然而，镍镉电池也存在一些缺点，包括初始成本高、电池电压相对较低以及镉的致癌性和环境危害。镍镉电池通常可分为两大类，即通风型和密封型。通风型有许多替代品。通风烧结板是较新的发展，具有较高的比能，但价格较贵。它的特点是放电电压曲线平坦，大电流速率和低温性能优越。密封镍镉电池采用特定的电池设计特点，可防止过度充电期间因气体产生而导致电池内压力积聚。因此，该电池无需维护。EV 和 HEV 配置的镍镉电池的主要制造商是 SAFT 和 VARTA。最近采用镍镉电池供电的电动汽车包括克莱斯勒 TE Van、雪铁龙 AX、马自达 Roadster、三菱 EV、标致 106 和雷诺 Clio。
基于纺织品的柔性超级电容器的最新进展
当今，由于能源消费需求的增加，世界面临着环境污染和能源短缺的巨大问题。通过持续依赖传统化石燃料来满足能源需求已大大减少了能源来源（González et al.，2016）。通过适当利用地热能、风能、太阳能和海洋能等清洁和可再生能源，可以很好地解决这些问题，但需要可行的地理分布以及可靠、耐用、高效且具有成本效益的能源存储技术（Xu et al.，2019）。在这方面，电池被视为电源和储能系统的有前途的替代品。电池虽然具有良好的能量能力，但也存在一系列缺点，例如不可逆化学反应缓慢、比功率低、循环性能差、充放电倍率能力差（González et al.，2016；Muzaffiar et al.，2019；Yu and Feng，2019）。对于灵活、可穿戴的医疗保健和便携式电子设备，超级电容器已成为一种优越的替代品，与电池相比，相同体积下具有从一百到数千的增强能量存储能力（Lee et al.，2013；González et al.，2016）。虽然超级电容器的功率输出相对较低，但比传统电解电容器具有更高的比能量。超级电容器正在弥合电解电容器和电池的性能差距。超级电容器具有长时间充放电循环稳定性，可以承受数百万次循环，保持良好的库仑效率，性能不会下降太多（González et al.，2016；Cheng et al.，2018；Muzaffiar et al.，2019；Yu and Feng，2019）。
HyDesign：用于优化风能、太阳能光伏和锂离子电池等电网混合发电厂规模的工具
摘要。与仅采用风能或光伏技术的电厂相比，由并置风能、太阳能光伏 (PV) 和锂离子电池存储组成的混合可再生能源电厂通过单一电网连接，可以为业主和社会提供额外的价值。本文考虑的混合电厂连接到电网，并在不同的发电和存储技术之间分担电力基础设施成本。在本文中，我们提出了一种将混合电厂规模确定为嵌套优化问题的方法：具有外部规模优化和内部运行优化。外部规模优化最大化资本支出的净现值，并将其与最小化平准化能源成本的标准设计进行比较。规模问题公式包括涡轮机选择（就额定功率、比功率和轮毂高度而言）、风力发电厂尾流损耗替代、简化的风能和光伏退化模型、电池退化以及内部能源管理系统的运行优化。使用新的并行“高效全局优化”算法解决了外部规模优化问题。这种新算法是一种基于代理的优化方法，可确保最少的模型评估次数，但可确保优化具有全局范围。本文介绍的方法可在名为 HyDesign 的开源工具中找到。混合定型算法适用于印度不同地点的峰值发电厂用例，在这些地点，可再生能源拍卖会在高峰时段不供应能源时施加罚款。我们比较了使用两个不同目标函数时的混合发电厂定型结果：平准化能源成本 (LCoE) 或相对于总资本支出成本 (NPV / CH) 的相对净现值。电池存储仅安装在基于 NPV / CH 的设计上，而混合设计（包括风能、太阳能和电池）仅发生在风能资源良好的场地。该场地的风力涡轮机选择优先考虑轮毂高度较低、额定功率较低的廉价涡轮机。更换的电池数量因场地而异，在整个使用寿命期间介于两个或三个单元之间。与电网连接相比，所有基于 NPV / CH 的设计都存在明显的发电量过大。正如预期的那样，基于 LCoE 的设计是一种无需电池的单一技术。