石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景

随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展,为其供电的可变形、柔性锂离子电池近年来受到广泛关注.柔性锂离子电池一般指具有可逆弹性变形能力,同时可正常工作的锂离子电池.按照变形难易程度,大部分研究中的柔性锂离子电池,均指可弯折柔性锂离子电池.本文总结了石墨烯在可弯折柔性锂离子电池领域的进展情况.石墨烯具有很高的电子电导率,可将石墨烯附着于高分子、纸、纺织布等柔性基底上,利用基底提供柔性支撑、力学性能,石墨烯提供导电网络,形成石墨烯/柔性基体复合结构.利用石墨烯的二维柔性结构及表面官能团,与其他材料复合,能够制备出一体化石墨烯复合柔性电池电极.石墨烯柔性复合材料作为电极时,能够提高电池的整体能量密度,因此具有更广阔的发展前景.本文同时介绍了柔性锂离子电池的力学特性和电化学性能表征方法,并对柔性锂离子电池的未来发展方向进行了预测.柔性锂离子电池发展趋势是提高其变形能力,并赋予柔性锂离子电池一定的可拉伸性能,以使其适应各种复杂应用;新型柔性锂离子电池也将具有自修复和快速充电能力;未来同时将研究喷涂或打印等新型柔性电极的制备和器件优化设计.虽然仍然存在尚待解决的问题,石墨烯柔性锂离子电池经过适当的电化学性能和力学性能改进,将在移动电子领域得到广泛应用.     

自愈合柔性储能器件研究进展

柔性储能器件由于具有可弯曲、折叠、拉伸等特点而广泛应用于智能皮肤及柔性可穿戴器件等领域.但是储能器件在柔性变形过程中会导致电极材料产生微裂纹甚至脱落,显著降低储能器件的电化学性能及使用寿命.自愈合的柔性储能器件通过在材料中引入愈合剂或者可逆化学键,致使材料在发生机械损伤时自动愈合,恢复材料的微观机械结构及电导率,进而实现储能器件的机械柔韧性及电化学性能的修复.本文总结了自愈合机理,针对柔性储能器件主要介绍了基于可逆非共价键及共价键诱导的具有自愈合功能的柔性电极、电解质、基底和封装材料的发展现状,最后总结探讨了自愈合柔性储能器件所面临的挑战及未来发展方向.     

MOFs作为模板制备锂离子电池负极材料的研究进展

金属-有机框架(MOFs)材料具有易制备、易修饰、高孔隙率、大比表面积、多化学活性位点、可调孔径大小等优点,已被广泛应用于能源储存与转化相关领域.本文介绍了MOFs直接作为锂离子电池负极材料的研究现状,同时重点综述了MOFs衍生材料(多孔碳、过渡金属氧化物、金属氧化物/碳质复合材料、金属/金属氧化物)的制备方法及其在锂离子电池负极中的应用,提出了此类材料作为锂离子电池负极材料需要重视的问题和面临的挑战.通过高温煅烧或者可控的化学反应等方法,MOFs材料可以简单方便地转化为传统的无机功能材料(金属化合物或碳).这些材料具有结构可调和化学成分多样化等优点,可以进一步提升电化学性能.最后,展望例如MOFs衍生材料在电化学储能和转换的发展方向和应用前景,为定向合成此类材料在电化学方面的应用提供有意义的实验基础和理论价值.     

羰基化合物作为锂离子电池有机电极材料研究进展

随着锂离子电池从便携式电子设备到大规模储能系统的应用,开发具有高能量密度、功率密度和长循环寿命的锂离子电池成为研究的重点之一.而锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料.目前,广泛使用的无机电极材料普遍存在容量提升有限、能耗高和成本高等缺陷.因此,开发新型电极材料至关重要.与传统无机材料相比,有机电极材料具有结构可控、资源丰富、清洁环保和成本低廉等优势,近年来得到了广泛关注.其中共轭羰基化合物以羰基为活性基团,因其结构多样、理论容量高和反应动力学快而被广泛研究.本文从正极、负极、全电池三方面,综述了目前国内外已经开展的关于羰基化合物作为锂离子电池电极材料的研究工作,评述了这些化合物的电化学性能及其具备的优势和存在的不足,并指出了有机化合物作为锂离子电池电极材料需要解决的关键问题.     

用于超级电容器的柔性多孔富氮碳电极的制备与性能

柔性固态超级电容器作为一种新型能量存储器件,与传统平行板电容器相比可以达到更高的能量密度,相比普通电池则具有更大的功率密度和循环使用寿命,展示出良好的电化学性能,并具有高功率密度和循环稳定性好等优点,因而受到越来越多的关注,在可穿戴设备、柔性电子器件等诸多领域有着广泛的应用.目前,柔性电极材料的选取与制备是柔性超级电容器研究中十分活跃的方向,其中,碳基电极因为具有良好的电导性能、循环稳定性、高功率密度等特点,被国内外学术界广泛认可.本文提出了一种高效、简便制备碳基电极的方法,得到多孔富氮纳米片结构的碳电极,并对不同实验条件下的碳化电极样品做了全面的表征分析与性能测试,得到了较为理想的柔性碳化电极样品,其质量比电容达26 F/g,面积比电容达226 mF/cm2,等效串联阻抗仅为4?,具有很好的电化学性能.     

碳包覆的蛋黄壳结构氧化锰锂离子电池负极材料

基于锂离子电池在循环过程中产生的体积效应严重影响整个电池的循环稳定性的问题,本研究设计了一种利用聚吡咯包覆金属有机框架的简单方法,来合成蛋黄壳结构的碳包覆氧化锰材料,并用于锂离子电池的负极材料.所制备的碳包覆氧化锰纳米颗粒在锂离子电池充放电过程中表现出良好的比容量,在0.1, 0.5和2 A g~(–1)的电流密度下分别表现出723, 651, 374 m Ah g~(–1)的比容量.在具有优异的倍率性能的同时,该材料还具有优异的稳定性.在上述3个电流密度下,该材料循环200圈后容量没有明显的衰减.该纳米结构MnO_x的制备方法和电化学理解也可以推广到其他过渡金属氧化物,最终实现高性能的锂离子电池.     

用于电化学执行器的非金属电极材料研究进展

电化学执行器能够有效地将电能或化学能转化为机械能,在人造肌肉、仿生机器人和小型化医疗设备等领域中具有极大的应用前景.电化学执行器的组成包括电极层和电解质层,其中电极层主要决定执行器驱动性能和电化学性能.传统电化学执行器的电极材料主要由导电性好、驱动应力大的金属材料构成.然而,金属电极存在柔性低、循环稳定性差等问题,使得越来越多的研究人员开始关注非金属电极材料.本文重点介绍了用于电化学执行器的非金属电极材料的最新研究进展,首先介绍了电化学执行器的器件结构及驱动原理,其次根据电化学执行器电极材料的不同,分别从导电聚合物、碳材料、新型二维材料及其复合材料等方面进行了综述,讨论了各种非金属电极材料应用于执行器中的优缺点,最后对未来电化学执行器及其电极材料的发展趋势进行了展望.     

“穿”在身上的电池

<正>出门不需要带充电器和充电宝,通过身上穿的衣服,就可以对手机进行无线充电,这听起来像是科幻片的场景正在逐步成为现实。近日,我国复旦大学的研究团队通过系统揭示纤维锂离子电池内阻随长度变化的规律,有效解决了聚合物复合活性材料和纤维电极界面稳定性难题,连续构建出兼具良好安全性和综合电化学性能的新型纤维聚合物锂离子电池。该纤维聚合物锂离子电池表现出了良好的综合性能,显示了广阔的应用前景。     

多壳层Cr2O3空心球用作高性能锂离子电池负极材料

采用硬模板方法,以碳微球为模板,通过调控铬盐前驱体在模板上的吸附时间以及碳球模板的尺寸,来控制铬金属前驱体在碳球模板上的吸附量及嵌入深度,煅烧制备得到单、双、三、四以及五壳层Cr_2O_3空心球.合成的多壳层Cr_2O_3空心球尺寸均匀、纯度高、结晶性好.将Cr_2O_3多壳层空心球用作锂离子电池负极材料,相对于Cr_2O_3纳米颗粒其电池性能取得了显著的提升,具体表现在比容量更高,循环稳定性更好,且大电流放电能力更出色.其优异的性能主要得益于多壳层空心结构较大的比表面积、较短的离子/电子传输距离,且其内部空腔能起到缓冲由于锂离子反复嵌入引起的结构应力以及电极体积膨胀的作用.值得注意的是,四壳层Cr_2O_3空心球由于具有最佳的空腔体积占有率,其锂电性能最为突出,在100次循环后,比容量仍然高达1031.2 mAh/g,是目前商业石墨负极材料的3倍,有望用作新一代高性能锂离子电池负极材料.     

锂离子电池Sn基薄膜负极材料的研究进展

薄膜锂离子电池作为各种微电子系统的首选电源被广泛研究.本文系统综述了近年来锂离子电池Sn基薄膜负极材料的研究进展,着重介绍纯Sn薄膜、Sn基合金和Sn基氧化物薄膜的制备与性能.纯Sn薄膜具有高的可逆容量,但其嵌锂/脱锂过程的巨大体积变化导致循环性能很差,而且纯Sn薄膜的制备方法及其与电解液的界面特性对电极容量衰减有很大的影响.将Sn与非活性过渡金属复合,虽可有效提高电极循环性能,但同时带来容量的损失;Sn与活性成分形成的纳米晶多相复合薄膜负极可在保持高容量的同时,获得良好的循环性能.与纯Sn薄膜负极相比,Sn基氧化物薄膜存在纳米Sn相原位生成的过程,因此具有较好的循环稳定性,但其首次不可逆容量大.已有的研究进展充分说明,微纳组织调控能够显著改善上述薄膜电极的性能.分析和总结现有Sn基薄膜负极材料的微观结构和性能之间关系的研究进展,多相多尺度结构调控应是进一步提高Sn基合金薄膜负极的容量和循环稳定性的重要途径.     

锂离子电池极片制造中的微结构演化

锂离子电池是能源领域的革命性创新,具有能量密度高、循环寿命长等优点,推动了新能源、新能源汽车等新兴产业的跨越式发展,并应用于卫星、无人机等国家战略领域,成为世界各国竞争的战略高地.锂离子电池的广泛应用不仅源于新兴能源材料的创新,还与制造工艺及装备技术的进步密不可分.极片制造作为生产锂离子电池最核心的过程,包括制浆、涂布、辊压三大关键工序,制造的正负电极构成了电化学反应载体和整个电池的核心.在电极制造中,多孔多组分电极微结构发生复杂的演化与定构过程,很大程度上决定了单体电池的能量密度、倍率特性等性能.本文分析极片制造中制浆、涂布和辊压技术进展与应用情况,重点讨论电极微结构在制造过程中的演化以及其对电池电化学性能的影响,旨在从“制造工艺-微结构-性能”之间的关系视角形成对电极微结构设计、材料制备、制造工艺的进一步认识,为研发高性能锂离子电池提供指导.     

多孔碳材料的设计合成及其在能源存储与转换领域中的应用

人类当前面临越来越突出的能源短缺和环境恶化两大难题,新能源的开发具有极其重要意义.超级电容器是实现能源存储与转换的一种新兴绿色储能器件,具有非常广阔的应用前景.电极材料是储能器件的关键部件,而比表面积、孔结构、电导率和表面性质是决定其电化学性能的4个关键因素,上述因素通常又依赖于其合成方法和条件.多孔碳材料具有成本低廉、比表面积与电导率高、微结构可控/表面易于功能化以及优越的化学稳定性和突出的离子可及性等特点,通过合成方法和条件的调控,设计合成的多孔碳作为储能材料使用时展现出高的能量密度与功率密度,以及优越的电化学循环稳定性能.本文首先介绍目前活性碳、碳气凝胶、碳纤维、介孔碳、碳纳米管和石墨烯等多种形态的碳材料的研究进展;然后结合本研究组的研究工作,对分级孔碳、多孔碳球、超微孔碳、功能化多孔碳以及多孔碳复合材料的设计合成及其在能源存储与转换领域中的应用研究状况进行总结;最后对其发展趋势作出适当的评述.     

基于多酸制备的新型氮化钼基复合材料作为锂离子电池负极材料

锂离子电池作为新一代储能装置,已经在生产和生活中得到了广泛应用.多酸有着多电子转移、化学结构稳定、氧化还原性可逆等诸多优点,具有作为电池电极材料的良好潜力.但易溶于电解液、导电性差且易发生团聚等问题阻碍了多酸用于电池电极材料的应用研究.本工作为解决上述问题,充分利用磷钼酸良好的水溶性、优异的氧化还原性和独特的酸性,通过简单的一锅法,在温和的条件下制备了磷钼酸/聚吡咯/石墨烯前驱体(PMo12/PPy/RGO,简称PCG),并通过高温氨化处理制备了新型氮化钼基复合材料(NPC@Mo2N/NPRGO),磷钼酸、聚吡咯在提供金属源和碳源的同时也提供了P,N杂原子掺杂到多孔碳和石墨烯中,该材料作为锂离子电池负极材料表现出较好的循环性能和倍率性能.在电流密度为100m A/g时,NPC@Mo2N/NPRGO的首周放电比容量可以达到1446 mAh/g,循环200周后仍然可以达到771 mAh/g.在电流密度为100, 200, 500, 1000, 2000 mA/g时,循环比容量分别为797,725,630,545,460m Ah/g.尤其是在大电流密度(1000m A/g)循环300周后容量仍能达到554mAh/g.     

锂离子在石墨烯材料中的嵌入脱出机制

采用还原氧化石墨法制备了石墨烯材料, 运用X 射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电、循环伏安和电化学阻抗谱(EIS)等对其结构、表面形貌和电化学嵌锂性能进行了表征. XRD, SEM 和AFM 研究结果表明, 所制备的材料主要为层数少于10 层的石墨烯材料; 充放电结果表明, 石墨烯材料电极具有较高的可逆容量和较好的循环性能, 但也存在较大的首次不可逆容量, 不可逆容量主要归因于首次充放电过程中石墨烯材料表面固体电解质相界面膜(SEI 膜)的形成和充放电循环过程中石墨烯材料的自发堆叠. EIS 结果表明, 石墨烯材料电极表面SEI 膜主要在0.95~0.7 V 之间形成, 测得锂离子在石墨烯材料电极中电化学嵌入反应的对称因子α 为0.446.     

基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜研究进展

随着电子器件的便携化发展,柔性电子器件越来越引起人们的关注.透明导电薄膜同时具有良好的导电性和光学透过性,已作为电极被广泛应用于光电功能器件领域.然而,目前普遍使用的透明导电材料氧化铟锡(ITO)由于含有储量有限的铟元素而存在成本高的问题,并且由于氧化物本身的脆性,其所制薄膜的柔性也不理想,并不能完全满足目前柔性电子器件的发展要求.因而,对于可替代ITO的其他廉价、可大量制备、具有优异性能的柔性透明导电薄膜的研究近年来受到研究者的广泛关注.碳纳米材料因同时具备高的电子传输率、透光率以及良好的机械柔性可以满足目前柔性电子器件的应用需求,此外,碳纳米材料更具备来源广泛、制备方式灵活多样等特有优势,可以降低材料和生产成本,因而更具有实用价值.本文简要综述了近几年基于碳纳米材料(以碳纳米管和石墨烯为主)的柔性透明导电膜的研究工作,结合材料制备和性能调控以及薄膜制备(特别是连续化制备)的方法,阐述了该领域最近的研究成果及应用,最后简要讨论了基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜目前存在的问题及可能的发展方向.     

用于锂离子电池的石墨烯导电剂:缘起、现状及展望

石墨烯具有很高的电导率及柔性、二维、超薄的结构特性,是兼具"至薄至柔至密"特征、极具潜力的锂离子电池导电剂.使用在锂离子电池中,通过与活性物质"面-点"接触,"至薄至柔"的石墨烯具有非常低的导电阈值——使用量较少时就可以有效提高电极的电子电导率,大幅降低作为非活性物质的导电剂使用量,实现电池活性物质的"至密构建",有效提高电池的体积能量密度.然而,石墨烯的二维平面结构又会对电极内部锂离子的传输产生"位阻效应",影响高倍率条件下锂离子电池性能的发挥.因此,在使用石墨烯导电剂时,需要结合最终锂离子电池设计需求(能量或功率性能优先),综合考虑其对电子/离子传输过程的影响,提出石墨烯导电剂的设计方案.本文从石墨烯及其用作导电剂的特点、影响石墨烯导电剂使用的关键因素等方面出发,详细评述了石墨烯导电剂的应用缘起和研究现状,并对石墨烯的未来应用趋势和产业化前景进行了展望.     

(超)微电极在能源材料领域中的应用

简述了超微电极技术的原理、特点以及使用条件.对比了(超)微电极、大面积多孔电极以及理论模拟等方法研究电池电极材料的结果,表明(超)微电极的实验结果和理论模拟结果之间具有较高的一致性.本文从电化学原理的角度论述了常规尺寸电极上得到结果和理论模拟结果之间出现差异和分歧的原因,并论证了(超)微电极在研究储能材料本征动力学行为和测量物理化学参数方面的重要性和必要性.介绍了(超)微电极/扫描电化学显微镜在筛选燃料电池氧气还原催化剂领域中的应用及原理.针对双电解质金属锂电池所面临的问题,介绍了微纳尺度空心针尖支撑的液液界面上锂离子相转移动力学行为的最新研究结果.     

石墨烯柔性超级电容器

石墨烯具有独特的二维纳米结构、高比表面积和优异的电化学性能,而且变形后仍保持器件的原始性能。分析了石墨烯柔性超级电容器的工作原理,研究了以石墨烯为电极材料的柔性超级电容器的变形特性,其变形类型可由小角度弯曲、卷曲和拉伸扩展至任意静态变形,甚至动态变形。最后对石墨烯柔性电容器在便携式电子器件中的应用进行了展望。     

基于超级电容的混合储能器件研究现状及展望

基于超级电容的混合储能器件(HESDs)是一种结合了两种储能形式——传统双电层电容与赝电容相结合,或者超级电容器和二次电池相结合——的新型储能器件,主要包括非对称超级电容器(ASCs)和电池电容器(BSCs)两大类。相比而言,混合储能器件不仅具有传统超级电容器的高功率密度、优良的长循环稳定性和安全性的特点,而且具有可与二次电池相媲美的能量密度,在未来能量储存应用领域中有望成为多功能电子设备、电动/混动车辆等的理想的终级动力源。针对不同种类超级电容器的电极材料储能行为及其相互联系、电解液的发展、电极材料合成与研究现状、全电池的构筑及其性能等方面进行了详细、系统的综述,并对混合储能器件未来的发展前景和趋势以及所面临的挑战进行了展望。     

水蒸发驱动柔性自支撑复合发电碳膜

利用自然界中无处不在的蒸发作用,收集利用环境中总量巨大的低品位热能是一种新型可持续能源技术.本文制备了一种可直接通过蒸发驱动流动的方式将环境热能转化为电能的柔性自支撑复合碳膜.该复合碳膜由碳颗粒和玻璃纤维组成,具有类似钢筋混凝土结构,因而有良好的柔性和抗拉伸性能.一片尺寸为1 cm×4.5cm×0.13 mm的复合碳膜最高可获得~1 V的开路电压和~0.86μA的短路电流.通过放大面积,最高可得到单个器件~1 V的开路电压和~28μA的输出电流.复合碳膜的这些性质显示了其作为一种新型的可收集环境能源材料,在绿色可持续能源利用方面的应用前景.