锂离子电池若干正极材料体系的研究进展

锂离子电池能量密度的提高与其正极材料密切相关,富锂层状氧化物及新型聚阴离子化合物作为下一代高能锂离子电池的正极材料已引起研究工作者的广泛关注.结合本课题组的研究工作,综述了这一领域的最新研究工作进展.重点针对材料结构、物理化学(尤其是电化学)特性、电化学反应机理的原位谱学研究以及材料组成-结构-性能之间的相互关系进行了总结、分析及评述.     

高电压正极材料在全固态锂离子电池中的应用展望

全固态锂离子电池是以固态电解质取代液体电解质的锂离子电池、它有望从根本上解决电池的安全性问题,如能实现其大容量化和长寿命,将在电动汽车和规模化储能领域具有非常广阔的应用前景.由于固态电解质比液态电解质有更宽的工作电位窗口,因此可以在全固态电池中使用具有较高电压平台的正极材料,通过提升电池的工作电压以获得高能量密度,从而实现大容量化.锂离子电池正极材料尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4,三元层状材料和富锂锰基正极材料都具有较高的电压平台,是全固态锂离子电池可选用的理想正极材料.本文介绍了尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4,三元层状材料和富锂锰基正极材料的结构和性能特点,重点阐述了与改善材料的电导率和界面性质相关的的研究,改善其作为全固态锂离子电池正极材料与固态电解质的匹配性能,从而全面提升全固态电池的性能.总结了3种材料在全固态锂离子电池中应用存在的问题,提出未来的技术攻关方向,并对其在全固态电池中的应用前景进行了展望.     

影响锂离子电池实际容量的材料因素

正极材料的实际比容量一般都低于理论比容量,实际容量是直接影响电池能量密度的关键因素之一,不同电极活性材料的实际比容量/理论比容量的差别很大,差距主要来自充电前后的实际脱锂系数大小.通过大数据的整理,本文收集了层状LiMO_2(M=Ni和Co),尖晶石LiMn_2O_4和LiMPO_4(M=Fe,Mn和Ni)等20种典型正极材料的晶体结构和实际容量实验参数.利用第一性原理计算方法,得到了这些典型体系母体的价带和导带之间的能隙值.通过比较脱锂前后两种结构的能隙,确定了能隙比值与实际脱锂系数的关系,结果表明,脱锂前后结构的能隙越接近,正极材料的实际脱锂系数就越大,相对的实际容量也就越大.因此,通过比较能隙大小,可以了解影响锂离子电池活性材料的实际容量的本质因素.     

锂离子电池正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2表面包覆的研究进展

高比能、长寿命锂离子电池正极材料是目前电池研发热点.元素组成为Li Ni0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)的高镍正极材料相比于传统的层状Li Co O2具有价格便宜和比容量高的优点,已逐渐进入商品化应用阶段.该材料仍存在不可逆容量损失大、高温性能差等问题,表面包覆是提升材料性能的有效途径.本文总结了NCA材料表面包覆的研究进展,并对其未来的研究方向进行了展望.     

掺Ce锂离子电池正极材料LiNi1/3Co（1/3-x/3）Mn1/3Cex/3O2

采用共沉淀法和固相烧结法相结合合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和Ce掺杂LiNi1/3Co1/3-Mn1/3O2锂离子电池正极材料.采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其结构和形貌进行了表征.结果表明,不同Ce含量的正极材料均具有良好的层状结构、结晶度高.采用电化学性能测试的结果表明,放电容量随着Ce含量的增加而有所增加,首次可逆容量的衰减也随着掺杂Ce而有所降低,当Ce含量为x=0.2,0.2C恒电流充放电时,循环50次后的容量保持为91%.     

SiO_2为柱的层状钛铌酸盐的合成

一系列以八面体骨架结构为基础的层状钛酸盐、钛铌酸盐和铌酸盐能被有机胺撑开形成层柱化合物。这类材料在分离、吸附、传导和催化等方面都有巨大的潜在的应用前景,因而受到了科学家们的普遍关注。但是,由于层间的有机物不耐高温,这类材料的应用就受到了很大的限带。 TiO_2和Nb_2O_5作为催化剂或催化剂载体具有许多独特的性质。但与其它金属氧化     

中空多壳层结构TiO2及其复合材料的合成及应用

中空多壳层微、纳米分级结构材料因具有比表面积大、密度小及结构稳定等优点,在多个领域受到广泛关注.二氧化钛(TiO_2)作为一种安全性高、稳定性好的环境友好型半导体材料,被广泛应用于锂离子电池、染料敏化太阳能电池、光催化等领域.在这些领域,中空多壳层结构TiO_2及其复合材料能够利用中空多壳层结构的诸多优点,如优异的结构稳定性能够提升锂离子电池的循环性能,中空多壳层结构对光的多级散射作用能够提高对光的利用率,从而提升太阳能电池及光催化性能.然而,对其实现更精确的控制合成仍然面临挑战.为了实现对优异性能的进一步追求,精细调控中空多壳层结构TiO_2及其复合材料十分重要,但仍少有报道重点对中空多壳层结构TiO_2进行总结.本文首先介绍了TiO_2的基本信息,随后总结了近年来对中空多壳层结构TiO_2及其复合材料在合成方法及应用方面的研究进展,最后对该研究领域进行了总结与展望.通过本文,可以综合了解基于TiO_2的中空多壳层结构材料的合成方法,为实现精细控制合成及性能调控提供参考与方向.     

创造可充电的世界

<正>约翰·古迪纳夫1922年7月25日生于德国,固体物理学家,钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,锂离子电池的奠基人之一,美国得州大学奥斯汀分校机械工程系教授。如果没有锂电池,这个世界会怎么样?或许我们最直观的感受是:没有小巧轻便的智能手机可用了!锂电池的出现,让我们可以随身携带一些小电器,这当然包括几乎每天都离不开的智能手机,还有笔记本电脑、平板电脑、充电宝、电动牙刷等,甚至越来越     

激光加热法制备超细Al_2O_3微粒

内直径为1—50nm、具有洁净表面或均匀覆盖层的超细微粒组成的材料叫做毫微晶材料,其性能大大优于相同成分的粗晶粒材料,也可能形成新的结构。例如,毫微晶TiO_2的性能比粗晶粒TiO_2高得多;在超细氧化铒微粒中观察到新相。因此,无论在理论上或潜在的实际应用上,研究超细微粒的制备和性能都是非常有意义的。目前,已有多种方法制备超     

金红石相氧化物TiO_2,SnO_2和GeO_2表面氧化性对HCl气体光学气敏传感特性的影响

利用光学气敏材料吸附气体来检测气体成分及浓度,成为了大家的一个研究热点.采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了含氧空位金红石相TiO_2(110)表面,SnO_2(110)表面和GeO_2(110)表面吸附HCl气体后,表面结构的氧化性能、态密度、电荷分布、差分电荷密度以及光学性质,讨论吸附对光学气敏传感特性的影响.研究发现:HCl气体均易吸附于含氧空位金红石相TiO_2,SnO_2和GeO_2表面;且吸附后的稳定性为:TiO_2SnO_2GeO_2;氧化性是影响吸附能力和光学气敏传感性能的重要因素,HCl分子吸附于表面后其氧化性强弱为:TiO_2氧空位SnO_2氧空位GeO_2氧空位;从态密度和光学性质分析发现,含氧空位金红石相TiO_2(110)吸附HCl分子后,光学性质的改变最为明显,特别是对于500~700 nm的光,TiO_2具有很好的光学气敏传感效应,可作为一种较为理想的光学气敏传感材料.     

Ti-Si-O多孔玻璃在低烧结温度下的析晶现象

随着溶胶-凝胶制备技术的发展,具有纳米级微孔的多孔二氧化硅玻璃作为纳米复合的担体,已显示出其独特的优势.将活性组元植入微孔中所得复合材料,在光学非线性、传感、电子材料等领域有着巨大的潜在应用价值.采用溶胶-凝胶技术可以在纳米尺度上将活性组元分散到多孔二氧化硅中,通过尺寸效应使复合材料呈现出特异的性质.TiO_2是一种弱极性介质,但当其复合到多孔SiO_2玻璃中时,则呈现了强的光学非线性;TiO_2同时又是氧传感器的良好材料,其多变的结晶结构提供了不同的应用背景.研究TiO_2 在多孔SiO_2中的结晶行为无疑会为其应用提供良好的基础.     

过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用

随着石墨烯及其优异性质被发现以来,二维层状材料成为了材料科学领域研究的热点.二维层状材料每个片层内的原子通过化学键连接,片层间以弱范德华力相互堆垛.这种几何结构使得二维层状材料在晶格不匹配和生长方法不兼容的情况下,彼此之间仍然能够相互混合和匹配,从而衍生出很多范德华层间异质结构.这种异质结构利用了不同堆垛材料迥异的物理和化学性质,在电子、光电子器件、可再生能源储存和转化等领域得到了广泛的应用.需要指出的是,大面积、大畴区、可控制备本征层间异质结构是实现其实际应用的首要条件.本文总结了基于过渡金属硫属化合物(MX_2)和石墨烯(graphene)层间异质结构的最新研究成果,重点描述了MX_2/graphene和MX_2/MX_2层间异质结构的化学气相沉积(CVD)可控制备、新奇物理性质探索以及这两类异质结构在能源领域(电/光催化析氢反应)中的应用,并讨论了所存在的问题和未来发展方向.     

锂离子电池硅酸盐正极材料的研究进展

聚阴离子型正硅酸盐材料由于其具有较高的理论容量、高安全性、环境友好和价格低廉等特点, 被认为是下一代锂离子电池理想的正极材料之一. 本文介绍了这种材料的结构及性能特点, 并针对材料存在的电导率低、稳定性差、阳离子易混排等缺陷, 从优化合成方法入手, 综述了不同合成方法以及烧结温度对材料性能的影响, 探讨了碳的包覆及复合、金属元素的掺杂以及特殊的介孔结构对材料物化性能的影响, 提出了锂离子电池硅酸盐正极材料未来的研究重点.     

锂离子电池正极材料富锂锰基固溶体的研究进展

富锂锰基固溶体xLi[Li1/3Mn2/3]O2.(1–x)LiMO2具有超过目前所用正极材料1倍的高比容量,是很有潜力的下一代锂离子电池用正极材料,但是其他电化学性能,特别是功率特性尚不能满足应用要求.从机理研究、合成工艺和性能改进3方面综述了富锂锰基固溶体型锂离子电池正极材料xLi[Li1/3Mn2/3]O2.(1–x)LiMO2的研究现状,提出了下一步的研究思路和方向.     

高度有序LiNi2/3Mn1/3O2正极材料的制备与改性

用共沉淀的方法合成LiNi_2/3Mn_1/3O₂层状结构的锂离子电池正极材料, 研究了原材料中锂源用量对产物中锂的含量、锂离子和镍离子的错位以及电化学性能的影响. 结果表明, 通过调节锂源用量, 可以获得高有序度的样品, 当锂源用量为120%时, 经过600℃烧结3 h, 900℃下再烧结5 h, 产物中锂的含量接近理论计量比, 错位率可低至1.27%, 表现出很好的结构有序性, 在C/20倍率下, 首次充放电可达172 mAh/g. 进一步采用SiO²进行表面包覆改性, 可获得优异的循环性能.     

石墨烯在锂离子电池材料中大有可为

锂离子电池是一种典型的可充电电池,在储能技术领域占主导地位,应用极为广泛。近年来,科技发展对锂离子电池提出了更高要求,包括高能量密度、高安全稳定性等,驱动着电池材料与结构不断创新发展。研制石墨烯基复合正极负极材料,是极为活跃的方向。在此,对锂离子电池的结构、面临的突出挑战以及石墨烯基正极和负极材料研究前沿进行了介绍,重点围绕石墨烯增强电极材料电学特性的基本原理和复合材料制备技术作了阐述,也提出了未来发展动向。     

二氧化钛在癌症动力学治疗中的“取长补短”

癌症是严重威胁人类健康的疾病之一,是当前人类所面临的重要医学挑战.基于活性氧机制的癌症治疗手段是目前研究的热点.作为最典型的半导体材料之一,二氧化钛(TiO_2)具有独特的催化性能、优异的化学稳定性和较低的生物毒性,使得TiO_2在癌症动力学治疗中的应用受到广泛的关注.然而,单一TiO_2纳米材料具有其固有的缺点,如只能被高能射线激发、量子效率低、体内分散性较差等,使得TiO_2在癌症动力学治疗中的效果不佳.本文从TiO_2纳米材料在不同动力学癌症治疗手段中的不足出发,综述了功能基的复合对TiO_2纳米材料进行改善的不同策略及其在光动力治疗、声动力治疗、放射动力治疗、微波动力治疗等基于活性氧疗法的癌症治疗方面的应用,同时对TiO_2在癌症纳米医学领域的应用进行了展望.     

金掺杂TiO2纳米管的合成

纳米结构材料由于其独特的物理化学性能而备受人们关注[1~4].在催化、非线性光学器件、气敏元件和太阳能电池等领域具有广泛应用价值的纳米TiO_2是当前研究热点之一~[2,3].掺杂贵金属可以显著改善和提高TiO_2的性能~[5~7],如Au-TiO_2体系所表现出的良好催化性能~[7~9].文献报道:5nm以下的金纳米粒子具有好的催化活性~[5],但要在载体上控制金颗粒的尺寸和分散度是很不易的~[10],而适宜载体和金粒子的高度分散对于其功能的实现至关重要~[7,11].通过简单的水热处理可以得到高比表面的TiO_2纳米管~[12,13],但是具有高催化潜能的金搀杂TiO_2…     

高分子直接插层构建纳米层状异质结构及高效储能应用

<正>二维层状材料,如过渡金属硫化物(TMDs)、过渡金属碳化物或氮化物(MXenes)、六方氮化硼(h-BN)、石墨氮化碳(g-C3N4)、层状金属氧化物等,因具有优异的电学性质和易于加工等特点,在能量转化和存储方面有着广泛的应用前景.然而,体相二维层状材料一般多以层间范德华力作用形成堆叠结构,极大妨碍了材料活性位点的充分暴露和     

高负载硫正极功能性黏结剂研究进展

锂硫电池是高能量密度二次电池的重要体系.但硫材料固有的绝缘属性以及硫正极在电化学循环中特殊的"固-液-固"反应历程,易导致材料利用率低、极化严重、溶解性多硫化锂"穿梭"以及剧烈体积变化等负面影响,造成高负载硫正极性能发挥和稳定循环的极大困难.近年来,作为非活性组分的黏结剂在锂硫电池中被赋予了丰富的功能,如有效捕捉溶解性多硫化锂以及维持电极/导电结构长期循环稳定性等,极大地推动了高负载硫正极的发展.本文从高负载硫正极用黏结剂的关键作用、研究现状、作用机制原位解析、现存挑战以及未来发展方向等方面,重点归纳和阐述近年来高负载硫正极用功能性黏结剂的重要研究进展.