碳基柔性电极的结构设计、制备和组装

柔性电子器件日益流行,给人们的日常生活带来了巨大的变革,同时也激发了柔性储能器件的设计和研制,其中,柔性锂离子电池引起了广泛的关注.为了获得柔性储能器件,首先需要制备柔性电极,即要求在反复变形状态下,电极能够保持优异的力学和电学性能.碳材料具有优异的力学性能和导电性,不仅能够直接制备柔性电极,还能够与活性材料复合,作为基底提供自支撑的导电网络.但是"刚性"的活性材料与"柔性"基底从力学和形态本质上均不匹配,二者的复合、组装、制备方法及其结合强度直接影响电池的电化学性能.本文综述了近年来碳纳米管、碳纳米线、石墨烯、石墨炔及碳布等碳基柔性电极的发展情况,着重分析了自支撑柔性电极的制备方法、结构特征与电化学性能的关系,同时简要总结了目前几种典型结构的柔性锂离子电池,探讨了碳材料柔性电极面临的挑战,并对其未来发展方向进行了展望.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

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.     

三维垂直定向石墨烯的制备及在超级电容器中的应用

电极的结构设计是影响其反应动力学与离子传质能力,进而影响电化学储能系统性能的重要因素之一.为了追求较好的电极动力学以及传质速率,三维有序石墨烯基电极已吸引越来越多的研究兴趣.与其他类型的三维石墨烯结构不同,通过定向冷冻法、等离子体增强化学气相沉积法、KOH辅助水热法等制备的三维垂直定向石墨烯(3DVAG)具有垂直开放通道以及低孔隙弯曲度,可以有效增强离子的输运和电子的传导,提高活性物质的负载,从而实现电极材料的高能量密度及倍率性能.本文对三维垂直定向石墨烯的制备方法及其在超级电容器中的应用进行了综述,并对其未来的发展前景进行了展望.     

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.     

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.     

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.     

石墨烯的化学稳定性因基底而显著不同

正石墨烯一个广为人知的用途是能够保护金属免受氧化.我国学者最新的研究发现,基底上石墨烯自身的抗氧化性能会因基底而显著变化,在一些金属表面甚至会自发氧化.石墨烯是由碳原子组成的具有六方蜂窝晶格的二维单原子层晶体,具有优异的电子性质和大的比表面积.其电子迁移率可达到光速的1/300,兼具惊人的力学性能,比强度是钢的100倍.这些特性使得石墨烯成为制造新一代电子等功能器件的候选材料.但同时,石墨烯的每个原子均     

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.     

“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。     

锂离子电池的发展现状及展望

锂离子电池具有比能量高、无记忆效应、工作电压高以及安全、长寿命的特点。本文回顾了锂离子电池的发展历史,分析了锂离子电池的工作原理,总结了锂离子电池的特点,综述了目前锂离子电池常用的正、负极电极材料和电解质,最后分析了锂离子电池目前存在的问题并对其未来的发展进行了展望。     

纳米结构的过渡金属氮化物复合物储能材料

日益凸显的能源安全与气候变化问题引发了人们对可再生能源的不懈追求,从而带来储能电池的革命性发展.高性能储能电池应该具有高能量密度、高功率密度、高安全性能、长使用寿命等诸多特征,这就要求人们研究开发新型电极材料.近年来,纳米材料以其独特的表面效应、小尺寸效应以及量子尺寸效应从而产生强大电荷储存能力引起人们的广泛关注.本文综述了近年来本课题组在过渡金属氮化物纳米复合材料用于储能领域的研究进展,基于电子和离子混合传输理念和有利的电荷跃迁界面,阐述了其在高性能锂离子电池和超级电容器等方面的应用.     

二维层状金属硒化物在电化学能源领域中的应用

近年来,类石墨烯二维层状化合物以其独特的物理化学性质,成为国内外研究的热点.二维金属硒化物在很多应用领域,具有超越金属硫化物与石墨烯的独特性质,特别是在电化学方面.本文简要介绍了二维层状金属硒化物的物理结构与制备方法,特别关注了其在电化学储能,包括锂离子电池、钠离子电池、超级电容器和电催化中的应用,并展望了二维层状金属硒化物的研究前景.     

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.     

纤维状染料敏化太阳能电池研究进展

纤维状染料敏化太阳能电池(F-DSSCs)是将具有光伏功能的单元高效地组装在高曲率非平面结构的纤维状导电基底上所构建的柔性染料敏化太阳能电池.由于它突破了传统平板基底的限制,具有可弯折、质量轻、方便运输、应用前景广等优点,引起各国科研工作者的广泛关注.本文简要介绍了F-DSSCs的基本结构及工作原理,并在此基础上结合近年来国内外的相关研究工作,重点介绍工作电极、对电极、电解质等的研究现状,同时也展望了F-DSSCs的未来发展趋势及应用前景.