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.     

交联网络结构Ti3C2纳米线的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因其能量密度高、成本低等优势被认为是最具希望的下一代储能器件之一,然而其正极材料的发展和应用仍面临诸多挑战.本文通过将剥离的Ti₃C₂纳米片在NaOH溶液中刻蚀得到具有交联结构的Ti₃C₂纳米线,并利用熔融浸渍法负载硫颗粒,用作锂硫电池的正极材料.具有极性表面的Ti₃C₂可有效捕获多硫化锂中间体,从而抑制多硫化锂的穿梭效应.与Ti₃C₂纳米片相比,具有交联网络状结构的Ti₃C₂纳米线具有更大的比表面积和多孔结构,可以有效提供固硫所需的空间,并容纳硫在锂化过程中的体积膨胀.其较大的比表面积有利于Ti₃C₂纳米线对多硫化锂的捕获,其多孔结构有利于锂离子的扩散. Ti₃C₂纳米线/硫复合物展现出优异的电化学性能,在0.2 C的倍率下, 100次循环后,其可逆容量为658 mAh g...     

锂硫电池综合性能协同提升策略

锂硫电池具有高比能、低成本、环境友好等优点,是最具发展潜力的下一代二次电池体系之一.受限于硫的本征绝缘性、多硫化锂的穿梭效应、界面副反应、锂枝晶生长等问题,锂硫电池的商业化应用还面临着诸多挑战.本文结合本课题组近年来在锂硫电池领域的相关研究进展,提出了硫正极反应机制的调控、电极结构设计、电解质改性优化策略,实现了锂硫电池综合性能的协同提升;最后对锂硫电池的发展进行了展望.     

非碳化策略制备氧还原电催化剂

非贵金属碳基氧还原催化剂是当前热门的燃料电池催化剂,而传统制备过程中,需要经过高温(700°C)碳化过程来提高材料的导电性和催化活性.高温碳化过程中,材料结构可能发生不可预测性的改变甚至重构、催化活性位不清晰、难以控制等问题,给催化过程中的反应机制、失活机理与宏量制备等带来重大挑战.本文系统地介绍了利用非碳化策略构筑新型氧还原催化材料的制备与应用,尽管非碳化法策略仍处于婴儿发展期,但正在发挥着重要推动作用,为活性位点、催化机理研究带来新的机遇.     

MOF衍生N-CoFe-C@NF多级结构用于可充放锌-空气电池

锌-空气电池作为一种兼具成本低、容量高、环境友好等优点的高效储能器件,具有1084 Wh/kg的理论能量密度,甚至高于传统锂离子电池.锌-空气电池主要受限于其空气电极材料氧还原(ORR)和析氧反应(OER)缓慢的动力学,因此大量的研究都集中在如何优化其催化活性上.目前应用最广泛的ORR和OER的催化剂分别是Pt/C和RuO2,但是其高昂的价格和稀缺性使其应用受限.金属有机框架(MOF)是金属阳离子或阳离子团簇与有机配体配位形成的配位聚合物,具有高比表面积与结构可调控性等优势,经高温煅烧后可以获得结构各异且异原子掺杂(例如氮掺杂)的碳化物材料,展现了优良的ORR和OER催化活性,成为电催化领域的研究热点.类普鲁士蓝是一种典型的MOF材料,具有成分易调控、合成方法简单等优点.本研究通过氢氧化钴纳米棒的原位转化制备负载在泡沫镍上的钴铁双金属类普鲁士蓝,并以此为前驱体制备了氮掺杂钴铁双金属碳化物催化剂;使用扫描电子显微镜(SEM)、X光衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)等手段对样品进行表征;使用旋转圆盘电极、线扫描等测试材料研究其对ORR和OER催化性能的影响.结果表明,所制备的氮掺杂钴铁双金属碳化物催化剂具备较好的ORR和OER活性.在0.1 mol/L KOH溶液中, ORR半波电位为0.81 V; 1.0 mol/L KOH中, OER电流密度达到10 mA/cm~2时,过电位为300 mV.该材料作为空气电极催化剂组装锌-空气电池,开路电压为1.29 V,且具备较好的稳定性和循环性.     

二维材料功能化隔膜在锂电池中的应用

功能化隔膜对于锂二次电池的安全性能和电化学性能有着重要影响.相比于其他改性传统聚烯烃隔膜的材料,二维材料具有超薄的片层结构、高机械强度、高比面积以及可调的表面化学性质等优势.本文综述了不同类型二维材料功能化隔膜在解决锂硫电池中多硫化物的穿梭效应、锂金属电池中负极枝晶生长问题,以及锂离子电池中传统聚烯烃隔膜润湿性和热稳定差等问题的研究进展.最后,讨论了二维材料在锂电池隔膜中面临的机遇和挑战.     

金属-有机框架在锂离子电池正极材料中的应用

金属-有机框架(MOFs)材料具有容易制备、高孔隙率、容量大、种类丰富等优点,在能源储存和转化领域受到广泛关注,是合成高性能电极材料的潜在模板.本文介绍MOFs直接应用于锂离子电池正极材料的研究进展,重点综述了MOFs衍生材料(硫化物、氟化物、聚阴离子型化合物或锂的过渡金属酸盐)的制备方法,及其在锂离子电池正极中的应用.最后总结MOFs及其衍生材料在锂离子电池正极材料的应用方向及发展前景,为新型电极材料的开发提供参考经验.     

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.     

锂硫电池非均相电催化剂

锂硫电池具有理论能量密度高、硫资源丰富等特点,被认为是下一代极具前景的储能电池体系.但锂硫电池中严重的多硫化物“穿梭效应”以及迟缓的反应动力学等问题制约其进一步发展.近年来,将非均相纳米电催化剂引入锂硫体系,在抑制“穿梭效应”及提升反应动力学方面取得了显著效果.本文对常见的非均相电催化剂调控策略进行了清晰的分类,总结了最新的研究进展,分析了不同调控策略对于促进多硫化物转化的内在机制,最后对未来锂硫电池电催化剂的发展进行了展望.     

揭示锂硫电池中16电子硫还原反应网络

<正>锂硫电池因其高理论比容量(1672 mAh g^-1)和能量密度(2600 Wh kg^-1)、低成本且环保等特性,被认为是最具有应用潜力的电化学能源存储装置之一^[1,2].基于锂多硫化物的硫还原反应(sulfur reduction reaction, SRR)网络涉及复杂的从S₈分子到Li₂S的16电子多步转化过程,并伴随着可溶性锂多硫化物中间体(lithium polysulfide intermediates, LiPS)的生成和溶解.其中高阶多硫化物向不可溶Li₂S₂/Li₂S的转化最为困难,产生的LiPS在电解液中大量累积并在正/负极之间穿梭,导致硫活性材料的不可逆损失和容量迅速衰减^[3].     

介孔铁硅复合氧化物负载金对一氧化碳的低温催化氧化

用水热法合成了含硅量高的介孔铁硅复合氧化物,通过碱液处理,除去部分氧化硅,得到含铁量高的复合材料.采用沉积-沉淀法制备了两种复合材料负载的Au催化剂,用于对一氧化碳(CO)的低温催化氧化.通过BET比表面积测定、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等技术对材料进行了表征.两种载体均具有很高的比表面积,且都为无定形结构.Au主要以单质态分散于无定形的介孔载体表面.高含硅量的载体不利于Au的负载,且其负载的Au催化剂活性差.但Au容易负载在高含铁量的载体上,且催化剂能在低温下实现CO的完全氧化.考察了不同的沉积-沉淀pH对负载量及活性的影响,结果表明,pH 8条件下合成的催化剂Au负载量最高,且活性最好.     

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.     

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.     

聚苯乙烯胶体晶体模板制备高质量的二氧化钛孔型材料

以聚苯乙烯微球胶体晶体为模板, 采用溶胶-凝胶的方法成功地制备出高质量的二氧化钛孔型材料. 通过严格地控制制备过程, 得到的大孔材料在厘米范围表现出一致的颜色. 扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)用来表征大孔二氧化钛薄膜的结构和形貌. X射线衍射仪(XRD)用来测定二氧化钛的晶型. 测试结果表明, 在合成的大孔材料中, 孔呈面心立方(FCC)结构的有序排列, 孔径大小均匀, 孔壁由晶粒直径约为12 nm的TiO₂粒子构成, 二氧化钛的晶型为锐钛矿相.     

碳氮纳米管的催化自组装溶剂热法制备及其表征

采用溶剂热法, 以无水三聚氯氰(C₃N₃C_l3)和金属钠的环己烷溶液为原料, 以氯化镍为催化前驱物, 在温度为230℃, 压力为1.8 MPa的条件下成功地制备了碳氮纳米管. 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子衍射(ED)、电子能量损失谱(EELS)和拉曼光谱 (Raman)对碳氮纳米管进行了表征. SEM和TEM结果表明, 碳氮纳米管成束状的定向排列, 长度约20～30 mm, 纳米管外径比较均匀, 约为50～60 nm, 内径约为30～40 nm, EELS分析表明, 氮碳元素的原子比约为1.00, ED和XRD分析表明, 纳米管可能具有一种新的CN晶体结构. 同时对碳氮纳米管的形成机理进行了较为详细的探讨.     

大有可为的聚合物蓄电池

加利福尼亚州的科学家已经研制出一种新型的可充式电池.与其他电池相比,它能提供更大的功率,储存更多的能量,保存更长的时间.该电池由一种新型的聚合物正极、凝胶层和锂负极组成.发明者说,这种电池是一种固态电池,其重量是有相同电能的其他电池的一半.劳伦斯贝克莱实验室的科学家卢特加德·德·琼赫(Lutgard De Jonghe)和史蒂芬·菲斯柯(Steven Virco)说他们发明的电池的能量储存在聚合物的双硫键中.双硫键断开时,能量以电流的形式释放出来,聚合物变成一种盐——这就是所谓的解聚过程.反向通电时,双硫键形成,电池重新充电.     

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.     

锂-空气电池正极催化剂研究进展

锂-空气电池是一种具有高能量密度、环境友好等优点的最具潜力的下一代储能电池体系.然而,其正极电化学反应缓慢的动力学过程导致了锂-空气电池充/放电过电位高、能量效率低、倍率性能差,而且催化剂的不稳定性也导致电池循环寿命短.开发高效且稳定的正极催化剂材料是解决上述问题的主要途径,也是锂-空气电池未来研究的重点.本文总结近几年来锂-空气电池正极催化剂的研究进展,并结合本课题组研究工作,以催化剂种类为切入点,深入综述及讨论了锂-空气电池催化剂的发展和存在的问题,并且展望了未来锂-空气电池正极催化剂的设计思路及对催化剂表界面反应机理的研究,对未来开发出高效、实用化的锂-空气电池具有重要的意义.     

锂枝晶的生长理论模型及其抑制方法

锂金属由于其具有极高的理论比容量、较低的密度和极低的氧化还原电位等特性,是实现下一代高比能锂电池的理想负极材料.然而,在锂金属电池实际充放电循环过程中,锂金属负极表面易产生枝晶状结构锂,这些锂枝晶不仅能够引起锂金属电池的安全隐患,而且极大地降低锂金属电池的库伦效率,缩短电池的使用寿命.这些问题严重阻碍了锂金属电池的应用发展.因此,充分认识锂枝晶的形成和生长机理,同时精确调控金属锂的电化学溶解/锂沉积过程,进而有效地抑制锂枝晶的形成生长,是实现下一代锂金属电池商业化应用的首要前提.本文综述了近年来锂枝晶生长理论与抑制方法的研究进展,在此基础上,从热力学与动力学角度加深对锂枝晶生长机理的认识,将为开发锂枝晶的抑制策略和加快锂金属电池的实用化提供科学理论借鉴.     

新型MOCVD法以SBA-15为模板制备墨水瓶型孔结构的机理研究

研究采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)法, 以乙酰丙酮铜Cu(acac)2为前驱物对SBA-15孔结构进行修饰, 制备出结构均匀的ink-bottle孔体系. 该制备过程中, 基质SBA-15的表面特性对于合成结构良好的ink-bottle孔有重要影响, SBA-15经进行适度的镀碳处理后, 其表面由亲水表面变为憎水表面, 有利于后续有机金属选择性的吸附和沉积, 从而实现对SBA-15孔口的修饰, 即保持了SBA-15原有的较大比表面积和孔体积的同时使其孔口尺寸明显减小, 得到ink-bottle孔结构. MOCVD法首次成功应用于ink-bottle孔制备过程中, 对于合成不同孔结构介孔材料领域的研究具有重要意义.