《电气材料课件总结》讲义.pptVIP

*************************************电池材料电池类型正极材料负极材料电解质主要特点锂离子电池LiCoO?、LiFePO?石墨、硅碳复合有机电解液、固态电解质能量密度高，循环寿命长铅酸电池PbO?PbH?SO?溶液成本低，瞬间放电能力强镍氢电池NiOOH金属氢化物KOH溶液环保，适用中等放电率钠离子电池层状氧化物、普鲁士蓝硬碳、钠钛氧化物有机电解液资源丰富，成本低一次电池(原电池)设计为一次性使用，如碱性锌锰电池、锂一次电池等，其材料设计注重能量密度和保存期。二次电池(蓄电池)可反复充放电，如锂离子电池、铅酸电池等，材料设计需兼顾循环寿命、倍率性能和安全性。电池材料的研发方向包括：提高能量密度(高容量正负极材料)、提升安全性(固态电解质)、延长循环寿命(表面修饰、结构优化)、缩短充电时间(快充材料)以及降低成本(减少贵金属使用)。锂空气电池、锂硫电池、固态电池等新型电池系统正在积极研发中。燃料电池材料燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，具有高效率、低排放的特点。根据电解质类型，主要分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等。质子交换膜燃料电池使用全氟磺酸聚合物膜(如Nafion)作为电解质，铂基纳米催化剂作为电极材料，碳纸或碳布作为气体扩散层，石墨或金属作为双极板。固体氧化物燃料电池使用氧离子导体(如掺钇氧化锆)作为电解质，镍基复合材料作为阳极，锶掺杂钴酸镧(LSC)或锰酸镧(LSM)作为阴极。燃料电池材料研发的挑战在于降低贵金属用量、提高电极催化活性、增强膜的离子传导性和耐久性，以及降低整体成本。储能材料储能材料是能够以化学能、电能、热能或机械能等形式存储能量的功能材料。超级电容器材料包括双电层电容器用的高比表面积碳材料(活性炭、碳纳米管、石墨烯)和赝电容材料(过渡金属氧化物、导电聚合物)。电化学储能材料主要指各类电池材料，从传统铅酸电池到先进的锂离子电池，以及正在研发的锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池等。相变储能材料利用材料在相变过程中吸收或释放大量潜热的特性，实现热能的高密度储存。常见的相变储能材料包括石蜡、水合盐、聚醇类和脂肪酸等，根据相变温度的不同适用于不同场景。磁储能材料利用材料在磁场中储存能量，如超导材料可在磁场中储存大量能量。储能材料的研发目标是实现高能量密度、高功率密度、长循环寿命、低成本和环境友好。电介质老化热老化高温导致有机绝缘材料分子链断裂、交联或氧化，使材料变脆、开裂，电气性能下降。热老化通常符合阿伦尼乌斯定律，温度每升高10℃，寿命约减半。电老化电场作用导致电荷注入、电树枝生长和部分放电侵蚀，特别是在存在缺陷的区域。电老化与电场强度、频率和波形密切相关。交变电场老化通常比直流电场更严重。环境老化水分、氧气、臭氧、紫外线等环境因素导致材料性能退化。尤其是水分侵入会显著降低绝缘电阻和击穿强度；臭氧和紫外线会加速聚合物材料的降解过程。机械老化振动、弯曲、拉伸等机械应力导致绝缘材料出现微裂纹或分层，成为电气和热老化的起点。长期的热胀冷缩循环也会加速材料退化。电介质老化是一个复杂的过程，通常由多种因素协同作用。评估老化程度的方法包括电气测试(介质损耗、绝缘电阻、局部放电)、理化分析(红外光谱、热分析、机械强度测试)和显微结构观察等。针对电介质老化，可采取的措施包括选用耐老化材料、加入抗氧化剂和稳定剂、优化设备运行条件、定期检测和维护等。了解老化机理和规律对于延长电气设备使用寿命、预防事故具有重要意义。电气设备绝缘系统绝缘系统组成电气设备的绝缘系统通常由主绝缘(相间绝缘)、对地绝缘、纵向绝缘(匝间绝缘)和端部绝缘等几部分组成，采用不同材料组合实现整体绝缘性能。如变压器绝缘系统包括油纸绝缘、绝缘套管和绝缘支撑结构等。绝缘配合原则绝缘配合是指合理设计各部分绝缘水平，使其在各种过电压下都能可靠工作的技术。基本原则包括：薄弱环节可控性、主绝缘安全裕度合理、内部绝缘协调、绝缘老化考虑、经济性等。电压等级与试验不同电压等级设备的绝缘系统要求不同。对设备绝缘性能的评估包括工频耐压试验、冲击耐压试验、部分放电测试、绝缘电阻测量和介质损耗测量等。试验标准由IEC和IEEE等组织制定。电场优化设计电场分布不均是绝缘薄弱点形成的主要原因。通过电场计算和优化设计，采用半导电屏蔽层、应力环、梯度绝缘等措施，可以改善电场分布，提高绝缘系统可靠性。电气设备绝缘系统的设计需综合考虑电气、热、机械等多方面因