新能源材料与器件专题

• 锂电池荷电状态估计方法研究进展

  毕林楠;何亮;周立春;林瑛;廖家轩;

  锂离子电池的荷电状态精准估计是电池管理系统实现安全管控与寿命优化的核心技术瓶颈。针对现有荷电状态估计方法在动态工况适应性、模型泛化能力及计算效率方面的不足，系统综述了基于物理特征、模型驱动与数据驱动的三类方法，通过多维度交叉对比揭示技术演化规律与适用边界。每种方法具有不同的原理、优缺点和应用场景。基于物理特征的经验模型法通过实验标定建立经验映射关系，该方法具有计算效率高、实施门槛低等优势，但其高度依赖初始精度，存在抗干扰和老化适应性差等问题。基于模型的荷电状态估计方法具有高精度和快速收敛等优点，但要求精确的电池模型和参数。基于数据驱动的方法则在适应性和精度方面表现突出，但需要大量的历史数据，且可能面临过拟合和泛化能力不足的问题。通过对各类方法进行比较分析，总结了当前的研究进展，并提出了锂电池荷电状态估计面临的挑战及未来的研究方向。

  2025年07期 v.44;No.401 741-750页 [查看摘要][在线阅读][下载 1273K]
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• BTO-醋酸纤维素复合准固态电解质的性能探究

  吴海宁;徐华蕊;蒋坤朋;赵昀云;朱归胜;

  固态锂金属电池被视作下一代高能量密度电池。然而，其内部的无机固态电解质存在离子电导率低、界面性能差和生产成本高等问题，严重阻碍了其商业化应用。本研究以醋酸纤维素为聚合物基底，引入无机填料钛酸钡粉体(BTO)制备复合准固态电解质。BTO具有优异的介电性能，通过其极化效应削弱锂盐中Li~+与阴离子之间的库仑相互作用，从而促进锂盐解离。更关键的是，BTO颗粒尺寸越小，其比表面积越大，表面极化现象越显著，并能有效抑制团聚，从而能制备出性能优异的BTO-醋酸纤维素复合准固态电解质(CLB-X QSE)。该电解质在30℃时电导率可达9.77×10~(-4) S·cm~(-1)。其界面稳定性优异，常温下可以稳定循环超2500 h。同时，LiFePO_4/CLB-100-LiPF_6/Li电池在0.2C的电流密度下，循环200次后容量保持率仍可达97.59%。这种高性能、低成本的准固态电解质为新一代储能装置的开发提供了新思路。

  2025年07期 v.44;No.401 751-759页 [查看摘要][在线阅读][下载 2219K]
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• 碳微管纤维布负载ReS₂用于钠离子电池低成本负极

  夏艳婷;李千年;黄浩洋;许俊;

  碳布自支撑电极在开发低成本钠离子电池(SIBs)方面展现出巨大潜力。二硫化铼(ReS_2)凭借其高理论容量而备受关注，但其低电导率严重限制了电化学性能。为解决此问题，本文设计了一种低成本碳微管纤维布(CMT)替代传统金属集流体(铜箔/铝箔),并利用水热自组装工艺在CMT表面原位构筑了ReS_2纳米球复合结构(CMT@ReS_2@C)。碳微管纤维布中的三维导电网络有利于电子快速迁移，并且其多孔结构有利于电解液的渗透，另外ReS_2与碳微管纤维布之间的协同作用能有效抑制材料在充放电循环过程中的体积膨胀效应。基于以上优点，CMT@ReS_2@C作为钠离子电池负极表现出优异的电化学性能。CMT@ReS_2@C在1 A·g~(-1)的电流密度下经过500圈循环后仍能保持94 mAh·g~(-1)的可逆比容量，平均每圈衰减率为0.081%。

  2025年07期 v.44;No.401 760-766+773页 [查看摘要][在线阅读][下载 2198K]
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• 硅-钛酸锂复合薄膜阳极制备及电化学性能研究

  郑文育;朱归胜;徐华蕊;蒋坤朋;赵昀云;

  硅薄膜阳极凭借其高比容量、低锂化电压等优势备受瞩目。然而，在初始充放电循环时，硅材料会发生剧烈体积膨胀，严重影响其体积稳定性。同时，固体电解质界面(SEI)薄膜的形成消耗了锂离子，导致首次库仑效率偏低。本研究借助磁控共溅射技术，成功制备出具有非晶态相的复合薄膜阳极。结果表明，利用磁控共溅射工艺对硅基薄膜进行改性，可显著提升复合薄膜阳极的结构稳定性与首次库仑效率。硅-钛酸锂复合薄膜展现出优异的电化学性能，其可逆比容量达753.3 mAh/g,初始库仑效率为83.6%,在420 mA/g电流密度下循环150次后，比容量仍保持在686.3 mAh/g,容量保持率为91.11%。该复合负极薄膜为硅基复合薄膜应用于锂金属电池开辟了新路径。

  2025年07期 v.44;No.401 767-773页 [查看摘要][在线阅读][下载 2264K]
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新型传感材料与器件专题

• 基于改进粒子群算法的路面水膜厚度传感器的研究

  王焕章;许高斌;蒋京奇;

  针对水膜厚度传感器的温漂问题及盐度幅相漂移问题，提出了一种基于改进粒子群优化算法(IMPSO)优化反向传播神经网络(BPNN)的路面水膜厚度预测模型。该模型通过在传统粒子群优化算法(PSO)中引入非线性惯性权重和学习因子，有效避免了算法易陷入局部极值的问题。同时，IMPSO算法优化了BPNN的初始权值和阈值，克服了BPNN收敛速度慢、易陷入局部最优解的不足。实验结果表明，与遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP)和粒子群优化的BP神经网络(PSO-BP)相比，IMPSO-BP模型在泛化能力上表现更为突出，其均方根误差(RMSE)为0.3043 mm,平均绝对误差(MAE)为0.2256 mm,拟合优度(R~2)为0.9824。在预测误差为±0.5 mm的范围内，预测准确率达93.52%。实验证实了该模型在路面水膜厚度检测中的高精度和强鲁棒性，为其在实际工程中的应用提供了可靠的理论依据和技术支持。

  2025年07期 v.44;No.401 774-781页 [查看摘要][在线阅读][下载 1705K]
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• 一种树叶型风速传感器敏感机理研究

  佟嘉程;王艳春;祁晓钰;王一帆;

  针对热式风速传感器灵敏度不足的问题，提出了一种树叶型热式风速传感器。利用CAD软件构建了三维模型，并借助有限元仿真软件COMSOL深入分析了该结构。对比分析了传感器在静风(0 m·s~(-1))和动态风速(0～100 m·s~(-1))条件下的输出特性，验证了传感器的有效性。结果表明，在驱动功率为21 mW,输入风速范围为0.8～30 m·s~(-1),风速增加时输出电压呈阶梯式下降。提出的风速传感器结构灵敏度为8.80×10~(-9)Ω/(m·s~(-1)),输出灵敏度为44 mV/(m·s~(-1))。与传统的热式风速传感器相比，树叶型风速传感器在保证宽风速检测范围的情况下，还能具备高灵敏度。这一改进使得传感器能够更灵敏地检测风量变化，特别适用于气象监测、风能发电等领域，为相关研究和应用提供了更可靠的风速数据支持，有效提升了测量系统的整体性能。

  2025年07期 v.44;No.401 782-787+796页 [查看摘要][在线阅读][下载 2177K]
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• 光纤法珀压力传感用HTCC膜片制造工艺优化及测试

  王飞;周万丰;徐向聪;刘显明;

  针对高温环境下传感器膜片的制造需求，提出了一种基于氧化铝高温共烧陶瓷(HTCC)材料的膜片精密制造工艺。通过材料性能分析与工艺优化，确定了流延成型、层叠冲腔、温等静压与高温烧结等核心工艺参数，解决了传统HTCC膜片表面粗糙度高、反射性能差等问题。结合研磨抛光与激光加工技术，制备出直径2.51 mm,高度0.60 mm,高平整度、高反射率的HTCC膜片。实验测试表明，该膜片压力灵敏度为1.806 nm/MPa,本振频率达500 kHz以上，可耐受800℃高温，具有优良的动态响应特性与高温稳定性。本研究为HTCC材料在高温压力传感领域的应用提供了工艺基础。

  2025年07期 v.44;No.401 788-796页 [查看摘要][在线阅读][下载 2807K]
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• 一种小体积宽带高灵敏接收换能器

  蒋万里;王宏伟;王小妮;

  针对水下蛙人以及潜艇中声纳系统对宽带高灵敏度接收传感器阵列的需求，研制了一种小体积宽带高灵敏接收换能器。该换能器通过多模耦合、施加金属板和匹配层的方式，有效地扩展了换能器带宽，提高了接收灵敏度。首先，利用理论分析的方式，分析了该压电敏感元件的高度与谐振频率的关系。其次，通过有限元分析的方式，分析了两侧的高度差对带宽和接收灵敏度的影响，并且根据仿真结果优化了该敏感元件的尺寸。最后通过压电陶瓷切割、施加匹配层、灌封制作等流程，制作了多个小体积宽带高灵敏换能器。经测试，该换能器的接收灵敏度最大可达-172 dB左右，-3 dB带宽约为12 kHz。其在接收灵敏度、带宽及体积方面的优异性能，使其在接收传感器阵列中具有极为广阔的应用前景。

  2025年07期 v.44;No.401 797-802页 [查看摘要][在线阅读][下载 1883K]
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研究与试制

• 氧化钴掺杂铪钛酸钡钙陶瓷压电性能的微观机制研究

  田兴国;尹红梅;李雄伟;周恒为;张丽丽;

  采用固相反应方法制备了Ba_(0.85)Ca_(0.15)Ti_(0.9)Hf_(0.1)O_3+x%Co_2O_3(x%表示摩尔分数，x=0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)系列无铅压电陶瓷，通过对所制备陶瓷的微观结构、表面形貌，及宏观铁电、介电和压电等性能的测试与分析，发现：所有样品在室温下均为钙钛矿型铁电体，Co_2O_3的掺入可抑制晶粒的生长；随着Co_2O_3掺杂量的增加，陶瓷的剩余极化强度(P_r)减小、矫顽场(E_c)增大、居里温度(T_c)降低；压电系数(d_(33))和机电耦合系数(k_p)随陶瓷体密度的变化而变化，其中d_(33)受体密度、相结构和平均晶粒尺寸的共同影响，在x=0.2时陶瓷为R-O相共存，具有最大的体密度(5.84 g/cm~3)和较大的晶粒尺寸，此时压电系数和机电耦合系数最大，其值分别为339 pC/N和38%,R-O相共存和较大的体密度是其具有较大压电系数的主要原因。

  2025年07期 v.44;No.401 803-810页 [查看摘要][在线阅读][下载 2490K]
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• 直接墨水书写3D打印制备Sb₂Te₃基热电材料及其电学性能研究

  张津津;李芮鸽;魏宾;木二珍;

  针对传统制备工艺中因有机添加剂与功能填料引入导致的材料性能恶化，及无机粘结剂合成工艺复杂等问题，提出两步球磨法制备无粘结剂Sb_2Te_3基热电材料墨水，并通过直接墨水书写(DIW)3D打印技术实现热电材料成型制备。首先通过两步球磨工艺制备均质墨水，研究了预球磨时间对粉末粒径的影响、球磨时间对墨水流变性能的影响以及烧结温度对打印样品电传输性能的影响。实验结果表明，1 h预球磨处理可获得平均粒径小于52μm的均匀前驱体粉末，36 h湿法球磨使墨水兼具高粘度与显著剪切稀化特性。经450℃/2 h烧结处理后样品实现合金化完全，获得123.54μW·m~(-1)·K~(-2)的峰值功率因子，较300℃烧结样品提升83倍。本研究成功开发了无粘结剂Sb_2Te_3基墨水体系，揭示了球磨-烧结协同调控机制，为复杂结构热电器件的增材制造提供了新材料体系与工艺窗口。

  2025年07期 v.44;No.401 811-819页 [查看摘要][在线阅读][下载 2149K]
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• 生长温度对RuO₂薄膜结构与磁性的影响研究

  蒋昊岚;杨金宝;闵月淇;谢文钦;谢亮;

  二氧化钌(RuO_2)是一种共线反铁磁材料，因其独特的磁学特性在下一代自旋电子器件中展现出广阔的应用前景。对RuO_2外延薄膜结构与磁性的研究，在促进其实际应用方面具有重要的指导意义。本研究探讨了生长温度对RuO_2外延薄膜结构与磁性的影响。以(100)取向的钇掺杂氧化锆(YSZ)为衬底，利用磁控溅射法在不同温度下制备了一系列RuO_2外延薄膜。研究结果表明，随着生长温度从300℃逐渐升高至450℃,RuO_2薄膜的面外晶格常数逐渐增大，并在400℃时大于其块体值。同时，饱和磁化强度也随生长温度显著变化，当生长温度为375℃时，饱和磁化强度达到最小值，且此时样品表面最为平整。该研究结果为优化RuO_2薄膜在磁性和相关器件中的应用提供了实验指导。

  2025年07期 v.44;No.401 820-826页 [查看摘要][在线阅读][下载 2451K]
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• 一种基于FVF结构的快速瞬态响应LDO设计

  黄沥彬;武华;朱春晓;程家伟;曹先国;

  针对传统无片外电容LDO瞬态响应差的问题，在翻转电压跟随器(FVF)结构的基础上，提出了一种快速瞬态响应的无片外电容LDO。电路采用三输入误差放大器提高输出电压精度，使用超级源随器作为缓冲器，以驱动功率管快速导通，并将FVF环路的次极点推向高频提升单位增益带宽，保证环路的稳定性。应用前馈纹波消除技术促使功率管栅极的纹波电压跟随输入源极的纹波电压变化，提升LDO在低频下的电源抑制(PSR)特性。同时运用瞬态增强电路将过冲电压减少31.9%,过冲恢复时间减小46.1%。基于CSMC 0.18μm工艺对设计的LDO进行了仿真验证，该电路在电源电压3.5～5.5 V时能够稳定输出3.3 V电压，线性调整率为0.56 mV/V,最低压差为200 mV,在100μA负载时低频PSR达到-99.6 dB。负载电流0～10 mA在20 ns的时间跳变时，产生的过冲电压为49 mV,下冲电压为58 mV,瞬态响应恢复时间分别为70 ns和60 ns。

  2025年07期 v.44;No.401 827-835页 [查看摘要][在线阅读][下载 2826K]
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• 一种用于生物电信号处理的分辨率自适应SAR ADC设计

  胡乔予;李亚琳;杨鹏飞;李严;

  针对生物电信号处理场景，设计了一种分辨率自适应的逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。对于需要持续高精度监测的生物电信号，可在12 bit, 10 bit, 8 bit三种单一分辨率模式下工作；对于只需在某阶段持续监测的生物电信号，可在12 bit与8 bit, 12 bit与10 bit, 10 bit与8 bit三种混合分辨率模式下工作，动态降低功耗。设计的ADC系统包括基于失调校准技术的可关断静态预放大级，带有失调校准时钟的低时钟占空比分时工作比较器控制逻辑，以及一种基于共模电平V_(CM)开关方案的自适应位数切换模块，可针对信号幅值，动态进行位数切换和分辨率调整。基于0.18μm CMOS工艺进行了后仿真，当采样率为25 kS/s、输入信号速率为11.62 kHz时，在1.2 V电压下，8,10,12 bit工作模式的功耗分别为0.69,1.02,1.35μW,无杂散动态范围(SFDR)分别为57.5,71.5,82.4 dB,Walden优值(FOM)分别为122.9,43.6,20.5 fJ·conv~(-1)·step~(-1),有效位数(ENOB)分别达7.81,9.87,11.36位。

  2025年07期 v.44;No.401 836-845页 [查看摘要][在线阅读][下载 2359K]
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• 一种集成式步进电机智能调优电路设计

  邹海洋;孙江;舒哲曈;刘耀阳;郭洋;

  针对传统步进电机续流全慢衰减和固定比例混合衰减模式下相电流波形失真和纹波较大的问题，提出了一种集成式的智能调优动态衰减电路。通过窗口时间采样判断相电流与目标值之差，选择对应的粗或细调步长并调整固定关闭时间中快衰减比例，保证在窗口时间1/2处达到目标值。通过LDMOS负载与功率管导通阻抗的温度系数匹配等处理增加电路精准度。电路采用SMIC 0.18μm BCD工艺设计，仿真结果表明，对于256细分应用，在电源电压20 V,负载电感3.4 mH,负载电阻5.6Ω,消隐时间1μs,关闭时间8μs情况下，不会出现波形失真，0～100%量程电流纹波表现均匀，满量程电流纹波10.47 mA,仅为固定30%混合衰减的一半。

  2025年07期 v.44;No.401 846-851+859页 [查看摘要][在线阅读][下载 3052K]
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• 基于核密度估计的键合系统高温贮存寿命预测

  程捷;黄姣英;游文超;高成;

  绝缘体上硅(SOI)器件在200～300℃高温下性能优异，但长期高温会导致引线键合可靠性下降。为研究长期高温对高可靠SOI器件键合系统的影响，以XX256HT型SOI静态存储器(SRAM)为研究对象，针对其中金-铝与铝-铝两种键合界面，开展了250,275,300℃高温贮存加速退化试验，对比研究两种键合点的键合拉力强度退化规律。通过核密度估计建立退化量分布模型，拟合可靠度函数，结合阿伦尼乌斯(Arrhenius)模型预测寿命。结果表明：金-铝键合较铝-铝键合退化更快；键合拉力强度随温度升高、贮存时间增加而下降；225℃下，以金-铝键合为制约因素的XX256HT型SRAM键合寿命为3.9931×10~3 h。该研究揭示了高温下金-铝/铝-铝键合界面的可靠性差异，为SOI器件高温键合寿命预测提供了理论依据。

  2025年07期 v.44;No.401 852-859页 [查看摘要][在线阅读][下载 1392K]
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技术与应用

• 基于HTCC的T/R组件陶瓷外壳结构优化及制备关键技术

  王飞;张迪;郑亮;崔星星;

  高温共烧陶瓷(HTCC)技术凭借其低成本、低损耗和高强度的优点应用在有源相控阵雷达T/R组件中，是实现机载、星载、舰载相控阵雷达小型化、轻量化、高性能、高可靠的有效手段。为了加快HTCC方案T/R组件的工程化应用进程，针对6通道和8通道两款HTCC T/R组件陶瓷外壳展开研究。鉴于两款外壳具有通孔和导体密度大、结构复杂、平整度要求高的特性，深入开展了HTCC T/R组件外壳的结构优化及制备关键技术研究，探究了不同外壳结构对装配性能的具体影响，以及复杂结构HTCC基板的烧结平整度控制技术，并深入探究了复杂结构HTCC外壳镀覆工艺。获得了翘曲度≤0.08 mm、漏率≤1×10~(-3) Pa·cm~3/s (He)且安装可靠的HTCC T/R组件陶瓷外壳。该研究为HTCC基T/R组件在相控阵雷达系统中的大规模工程化应用提供了技术支持。

  2025年07期 v.44;No.401 860-866页 [查看摘要][在线阅读][下载 1321K]
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