化学反应和结晶控制的电化学储能电极材料

电化学储能材料的微结构、尺寸、形貌等特征直接影响着电化学储能设备的性能,例如能量密度、功率密度、寿命等.因此,合成高电化学活性的电极材料是储能设备性能的重要制约因素.在电极材料的合成过程中,化学反应是材料合成的第一个步骤,然后经过结晶过程最终得到电极材料.通过控制化学反应和结晶过程,可以得到具有不同活性的电极材料.电极材料制备过程中的化学反应以及电能储存过程中的电化学反应都是本文要研究的问题.虽然在材料合成方面取得了巨大的进步,能够合成各种不同形貌、结构和性能的电极材料,但是对化学反应如何控制材料的结晶、结晶过程如何影响材料的电化学性能以及电极材料和电化学活性的对应关系,依然缺少深入的理解.本文通过研究反应控制的结晶过程以及结晶影响的电化学性能,揭示化学反应-结晶、结晶-电化学性能和化学反应-电化学性能的关系,以及提高储能材料综合性能的途径.     

胶体超级电容电池

兼具高功率密度与高能量密度的储电技术是电化学储能领域的终极目标,寻找新型储电体系成为实现这一目标的重要策略.超级电容电池融合二次电池和超级电容器的优势,实现高功率密度和高能量密度在同一时空的统一.作为关键电极材料,超级电容电池型电极材料具有快速的电子和离子传输通道,在热力学、动力学允许条件下实现最大化利用氧化还原活性阳离子.目前开发的胶体离子超级电容电池能量密度可以达到350 Wh/kg,功率密度达到2 kW/kg.超级电容电池储电设备特别适合应用于脉冲电源、电磁弹射、能量回收、启停电源等领域.     

法国研制出高能锂离子电池电极

纳米构造的电极以及活性材料(如锂、镍以及锰等材料)的使用将使得电池的体积大为缩小,并应用到便携电子设备和电动车辆上。法国研究人员已经制造出锂离子电池的电极,不论从重量还是容量来看,其蓄能表现都数倍于传统的电极。这种新的锂离子电池的电极可以帮助使得手机或笔记本电     

钠离子电池用电解质材料的研究进展

钠离子电池因钠源丰富、成本较低而受到科研工作者的广泛关注.钠离子电池主要由正极、负极、电解质、电流收集器等部分组成.相对于电极材料的研究,电解质材料的研究相对较少.但作为电池的组成部分,电解质却起着平衡及传输电荷的重要作用,其各组分的前线轨道(frontier molecular orbitals)能量不仅决定了电池的电化学平台,也影响着电池的热稳定性,而且,其稳定性及离子电导率是决定电池性能的关键参数.本文从优秀电解质应具备的特点入手,综述了常见液态电解质及固态电解质材料的结构特点、性质及主要改进方法.     

数据驱动储能电池新材料的筛选和设计

数据驱动新材料产业发展是第四研究范式促进材料创新,加快材料应用的多学科多领域交叉融合的技术热点.机器学习(machine learning, ML)作为一种重要的数据驱动方法,其结合第一性原理计算在材料科学、化学、物理学和计算机等跨学科领域展现出巨大的优势,为储能电池新材料的快速发展带来了新的机遇.为帮助研究人员了解这一新兴领域,本文系统地详述了高通量计算筛选和ML在储能电池材料研究中的最新进展,概括和总结了目前国内外应用较为广泛的在线材料数据库,举例介绍了新数据库的多层次构建,分析了目前数据采集方面的一些难点.论文进一步介绍了ML方法在高通量计算筛选、材料性质预测、材料结构与电化学性能构效关系研究和材料设计方面的应用实例,最后分析讨论了当前ML在储能电池领域面临的一些挑战,并展望了该领域的前沿研究.     

用于稳定金属锂负极的FeF_2/PVDF复合保护层

通过在金属锂箔表面涂覆氟化亚铁(FeF_2)/聚偏氟乙烯(PVDF)的复合保护层,制备了FeF_2/PVDF保护层修饰的改性金属锂负极.采用扫描电子显微镜(SEM)对循环前后的电极形貌进行表征,并通过恒电流充放电、电化学交流阻抗谱和倍率等测试对改性金属锂负极的电化学性能进行分析.研究发现,与传统的金属锂箔负极相比,具有保护层的金属锂负极循环后表面无锂枝晶和"死锂"产生,因此表现出良好的循环稳定性,恒电流(1 mA/cm~2)充放电循环1300 h,充放电间的电压迟滞始终稳定保持在50 mV;该改性金属锂负极与磷酸铁锂正极匹配后的全电池也展现出优异的倍率性能,在3 C的电流密度下放电比容量依然可以达到110 mAh/g.     

海胆状α-Fe_2O_3纳米材料的制备与电化学性能

采用葡萄糖引导水解-热处理工艺,通过调节热处理温度制备了不同形貌和结构的海胆状α-Fe_2O_3,并研究了其电化学特性.结果表明,改变热处理温度可有效地调节产物的结构和电化学性能.在300℃热处理获得由梭形纤维束组成的海胆状α-Fe_2O_3电极材料具有高的初始放电容量(1475.0mAhg~(-1),这明显高于700℃热处理获得由高结晶度的纳米棒组成的低比表面积的海胆状α-Fe_2O_3电极材料的931.2mAhg~(-1).这是由于低结晶度、高比表面积和有序的双模式孔有益于电解液的吸附和锂离子的传输,使电化学反应活性提高.     

功能化石墨烯的应用研究新进展

石墨烯拥有独特的二维纳米结构,并显现出了超强的机械性能和优异的电学性能.尽管它的研究历史很短暂,但已经在很多领域内展现出了极高的应用价值.为了使石墨烯在应用过程中能够很好的分散,通常需要对其进行功能化.石墨烯功能化的方法大体可分为2种,即基于共价键的共价键功能化法和依靠分子间作用力的非共价键功能化法.本文综述了功能化石墨烯(FGs)在光电材料、传感和探测器、储能材料、催化、纳米增强复合物及其他一些领域内的最新应用研究进展,并展望了未来FGs应用研究的发展趋势.     

金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感领域的研究进展

作为一类重要的传感材料,半导体金属氧化物已被广泛应用于气体传感领域,其优异的电化学特性、催化特性以及阻抗变化特性使其适用于各种氧化-还原类的气体传感.同时,作为一种具有独特单原子层厚度的sp2碳原子杂化二维材料,石墨烯表现出独特的物理-化学特性,因此,基于石墨烯的复合材料成为近年来的研究热点.利用金属氧化物优异的气敏传感特性及石墨烯独特的电学、力学和热力学特性,将石墨烯/金属氧化物复合材料应用于气体传感领域已引起人们的极大兴趣.本文系统总结了近年来不同形貌、不同结构的金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感中的应用,列举了在检测同一种目标气体时不同金属氧化物/石墨烯复合材料传感性能的异同,归纳了金属氧化物修饰的石墨烯复合材料最新研究进展,并对金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感领域的研究趋势进行了展望.     

石墨烯的电分析应用研究新进展

综述了石墨烯的电化学特征以犀近几年来石墨烯在电分析方面的重要研究进展,并对石墨烯的制备方法进行了评述;认为寻求高导电率石墨烯的制备方法、深入探讨石墨烯的电化学催化机理,以及将基于石墨烯的电化学生物传感技术应用于食品、环境、生命科学等领域中电活性分子的实时在线检测将是石墨烯在电分析领域的重要研究方向。     

多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶的制备及其电化学性能

以NH_4VO_3为原料,通过180℃下水热反应和550℃下NH_3处理制备了多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶,并对多孔VN纳米带气凝胶的电化学性能进行了分析.SEM和TEM分析表明所制备的多孔VN纳米带的宽度为100~400 nm,孔尺寸为10~20 nm.电化学阻抗谱分析表明多孔VN纳米带气凝胶对I3.还原反应具有很高的催化活性,电荷迁跃电阻为1.36Ωcm~2.用多孔VN纳米带气凝胶电极组装的染料敏化太阳电池的光电转换效率为7.05%,与传统的Pt电极电池相近.循环伏安和恒流充放电实验表明多孔VN纳米带气凝胶具有较好的电容性能.当电流密度为0.5 A/g时,多孔VN纳米带气凝胶在2 mol/L KOH溶液中的比电容达到292.2 F/g.因此,所制备的多孔VN纳米带气凝胶可以作为高效的电极材料应用于染料敏化太阳电池对电极和超级电容器电极中.     

不同方法制备的Pt对电极染料敏化太阳能电池的光电性能研究

采用磁控溅射（sputtering）、高温热分解（high-temp）H2Pt Cl6·6H2O溶液和低温化学还原（low-temp）H2Pt Cl6·6H2O溶液等方法在FTO导电基片上制备了三类不同的Pt对电极,通过改变磁控溅射时间或旋涂退火循环次数,对FTO上不同对电极的载Pt量进行了调节.分析了三种不同方法制备的对电极的晶相结构、表面形貌以及透光率等特性.基于纳米管阵列和不同条件制备的对电极组装了系列染料敏化太阳能电池.测量了正照射和背照射条件下的电池光电性能,并分析了制备方法对对电极微结构和形貌的影响,以及对组装电池光电性能的影响,并对其各自的适用性和优缺点进行了比较分析.     

ZnO纳米阵列基钙钛矿太阳能电池的光电性能分析

近年来钙钛矿材料CH3NH3Pb X3(X=Cl,I,Br)因其在可见光范围的吸光系数大、成本低廉、能量转换效率高等优势而得到快速发展.本文采用低温化学水浴沉积制备出有序的Zn O纳米阵列,进一步在Zn O纳米阵列上旋涂不同体系的Ti O2,制备出Zn O/Ti O2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变Ti O2掺入体系探究电极的微结构变化和电池光电性能.研究表明,Zn O纳米阵列经过Ti O2浆料处理的复合体系组装的电池具有最优的光电性能,进一步考察Ti O2浆料浓度对电池性能的影响表明,当Ti O2浓度为0.1 mol/L时得到最佳性能,其组装电池的开路电压(Voc)达到0.93 V,短路电流(Jsc)为15.30 m A cm-2,填充因子(FF)为43%,效率(η)为6.07%.效率的提升主要是因为钙钛矿能深入Zn O阵列的间隙,同时在阵列的上部形成了均匀致密的覆盖层,有效提高了电池的光俘获,同时抑制了载流子的复合.在Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构优化浆料浓度的基础上,进一步对纳米阵列采用Ti Cl4溶液进行处理,电池的光电性能得到大幅提升:Voc=0.99 V,Jsc=19.09 m A cm-2,FF=58%,效率η达到11%.性能提升的原因主要是Ti Cl4溶液对复合纳米阵列的处理,引入了小Ti O2纳米颗粒到Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构中,有效地填补了阵列中的间隙,后续旋涂钙钛矿材料,阵列上部的钙钛矿覆盖层和间隙中的钙钛矿纳米晶,其光照后产生的载流子都可以与电子传输层有很好的接触,从而快速地经由Zn O阵列传导至导电衬底,此外小纳米颗粒的引入,也增大了电极的表面积,提高了对钙钛矿物质的吸附,增大了光俘获,因而电池的整体性能都得到提高.     

铝锂合金高速铣削表面完整性实验研究

铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高等优良特性使得其成为新一代航空航天飞行器的主要结构材料.飞机蒙皮作为维持飞机外形的主要结构件,在飞机起飞降落过程中承受舱内外压差变化所引起的交变载荷作用,因此对于蒙皮结构零件的疲劳强度要求十分苛刻.零件的疲劳裂纹萌生往往是从表面的微观缺陷开始,并且表层以及亚表层的力学状态将影响裂纹萌生以及扩展速度.表面完整性包括表面的几何轮廓、显微硬度、金相组织、残余应力等,这些因素综合影响着零件的疲劳性能.与此同时,表面完整性表征参数与被加工材料属性、热处理状态以及加工工艺等具有密切的联系.研究了铝锂合金的机械铣削加工工艺对于其表面完整性的影响.传统蒙皮结构加工往往采用化学铣削的方法进行,占用厂房面积大,污染严重,废液处理费用高等,不符合现代可持续绿色制造的理念.目前对于铝锂合金的超塑成形工艺研究较多却鲜见有相关铝锂合金切削表面完整方面的相关研究.研究在干切情况与液氮冷却情况下切削三要素以及上一道滚压工艺对于表面完整性的影响,通过正交试验的方法全面考察了工艺参数对于表面形貌各个指标、表层亚表层金相组织以及残余应力的影响权重,并且验证了其显著性.比较了干切与液氮低温切削情况下表面形貌以及残余应力状态的异同点,验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性,为提高铝锂合金疲劳性能提供了实验依据.     

双电层电容器电极平衡技术的研究

以复合型活性炭为原料,通过拌浆、涂布、干燥及老化检测等工艺制备出正负电极厚度不同的方形双电层电容器,通过加速循环寿命测试分析了不同电极厚度双电层电容器体积比电容与内阻等方面的变化.结果表明：长时间的加速循环寿命测试会导致电容器隔膜变黄、变黑;当正极厚度大于负极时,双电层电容器具有更加稳定的电化学性能和更小的膨胀率.此外,在电容器负极厚度一定、电极平衡系数为0.20时,双电层电容器的综合性能最佳.     

LiAlSiO4基固体氧化物锂离子导电材料的研制

以LiNO3、Al（NO3）3·9H2O和（C2H5O）4Si为原材料,通过以聚乙烯醇位聚合剂的化学合成方法制备了LiAlSiO4基固体氧化物锂离子导电材料.材料的X射线衍射分析表明,实验获得了具有四方结构的单相材料,晶格常数为a=b=0.5170 nm、c=0.6295 nm.所制备的材料体现具有锂离子导电性,同时得出材料的导电性与材料体系中存在的锂离子的空位有关,适当地调整体系中锂离子缺陷可以提高材料的锂离子导电性.     

CeO_2对锂离子电池正极材料LiMn_(1/3)Co_(1/3)Ni_(1/3)O_2的包覆改性

采用溶胶凝胶法对LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2表面包覆了1.0wt%的CeO2.采用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),循环伏安(CV)和恒流充放电对包覆和未包覆的LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2进行了结构表征与性能测试分析.研究显示,CeO2并没有改变电极材料的晶体结构,仅在电极材料表面形成均匀的包覆层.包覆1.0wt%CeO2后的材料的放电容量和循环性能均明显优于未包覆的材料.在20mA·g-1的电流密度下,包覆1.0wt%CeO2后的材料的放电容量为182.5mAh·g-1而未包覆的材料仅为165.8mAh·g-1.包覆1.0wt%CeO2后的材料在3.0C下循环12周后的容量保持率达93.2%,而未包覆的材料的容量保持率仅为86.6%.CV测试表明,CeO2包覆层可以有效的防止正极材料与电解液的直接接触,抑制了材料结构的转变或抑制了与电解液的副反应,从而提高了材料的电化学性能.     

基于Te-PEDOT:PSS复合热电材料的柔性压力/温度传感系统

随着人工智能技术的快速发展,面向人机交互技术的新型柔性传感器的需求与日俱增.柔性传感器作为智能机械手、仿生假肢手等仿生智能系统获取外界信息的重要媒介,对实现仿生触觉感知能力以及提升系统智能化具有重要意义.当前,如何通过材料与结构设计,研制具有多模态感知能力的柔性触觉传感器,已成为柔性电子领域关键挑战之一.本文采用水热法制备了Te-聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(Te-PEDOT:PSS)复合热电材料.通过将其与三维多孔密胺泡沫骨架复合,并浸涂聚乙烯醇(PVA)薄层进行封装,实现了具有高界面稳定性的复合敏感材料体系可控制备.由此所组装的柔性触觉传感器件兼具Te-PEDOT:PSS的热电性能与三维泡沫电极板的电容性能,实现了压力/温度在接触/非接触模式下的双模态感知能力.进一步将其与智能机械手联用构建了感知反馈系统,对其在触觉感知方面应用性能进行了探索.     

非导电工程陶瓷高能量电容单脉冲放电高效加工试验研究

针对传统加工方法在加工非导电工程陶瓷时存在加工效率低、成本高以及加工表面质量差等缺点，本文提出了非导电工程陶瓷高能量电容高效电火花加工新方法，并进行了单脉冲放电试验研究，结果表明，该方法采用高电压大电容以及较高的放电能量，能够较大地提高材料去除效率，单次脉冲放电陶瓷去除量可达17．63mm3．对加工极性、峰值电压、电容、限流电阻、工具电极进给方式、工具电极截面积以及辅助电极厚度等参数对陶瓷蚀除坑体积、工具电极损耗以及辅助电极损耗等性能的影响进行了试验研究与理论分析，得到了相应的规律关系．采用扫描电子显微镜对单脉冲放电坑的微观形貌进行了观测．结果表明：放电坑表面呈溅射状，陶瓷主要以剥落方式去除，放电通道中心区域部分材料以熔化蒸发方式去除，且材料去除效果随着加工参数的增大而增强．     

多电位阶跃法合成大面积聚吡咯薄膜研究

为制备完整大面积聚吡咯（PPy）膜,采用多电位阶跃法,以水为剂,高氯酸锂、草酸为支持电质,电化学合成聚吡咯.采用循环伏安法（CV）、交流阻抗谱（EIS）研究了PPy膜电化学行为.采用扫描电子显微镜（SEM）,X射线衍射（XRD）对PPy表面形貌,构进行了研究.研究果表明,多电位阶跃法聚合电位低,膜电性好且易从电极离,易完整大面积聚吡咯膜.添加有草酸高氯酸锂水液是电聚合聚吡咯较为理想支撑电质,多电位阶跃法有效克服了PPy过氧化致电率下降,合成聚吡咯膜易离,构致密,电性好.