生物质基氮掺杂多级次孔碳材料制备及其锂硫电池性能

锂硫电池因具有较高的理论比容量和能量密度、价格低廉等优势,在动力汽车和大规模储能系统中有广阔的应用前景.发展锂硫电池,设计制备低成本和高性能的电极材料是关键.本文利用廉价生物质废弃物(虾壳)作为原料,通过简单、绿色的水热碳化和二氧化碳碳化/活化过程制备了三维氮掺杂多级次孔碳材料,并将其作为载体负载硫制备锂硫电池正极材料.该制备过程避免了传统活化过程中危险化学品的使用及活化后材料清洗的过程.水热碳化和活化步骤均对材料孔结构的形成具有重要作用.通过氮气吸附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)等表征方法对材料形貌、孔结构、功能基团等进行了深入研究.研究结果表明,得到的材料是具有高孔隙率的微孔-介孔-大孔碳材料,比表面积高达1190m~2/g.由于材料具有多级次孔结构,有利于硫的有效负载.同时,材料中的石墨氮可以提高材料的导电率,吡咯氮和吡啶氮在限制多硫化锂(Li_2S_n,4≤n≤8)中发挥了重要作用,从而使得材料在锂硫电池中具有较好的倍率性能和循环性能.另外,本文为生物质或生物质废弃物转化为功能多孔碳材料提供了一种新的绿色途径.     

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.     

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].     

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.     

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.     

新型锂-液流电池

锂-液流电池将锂离子电池与液流电池进行了巧妙的组合,成为近年来电池体系创新的一个亮点.锂-液流电池正极采用可溶性氧化还原电对作为活性物质,负极采用电位最低、比容量大的金属锂,实现了不同电极反应和电解液体系的交叉应用,获得了比传统液流电池更高的工作电压,且不受锂离子电池电极材料比容量的限制.本文对锂-液流电池的组成结构、工作原理和性能特点进行了介绍,总结了其关键技术要素,对近年来锂-液流电池的研究进展进行了综述,并指出了其面临的挑战和未来发展的方向.     

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.     

锂硫二次电池电催化

随着社会发展对储能系统的要求不断提高,锂硫二次电池因其低成本、高能量密度和环境友好等优点,近年来受到广泛关注.但是多硫化物的穿梭效应和缓慢的氧化还原过程限制了硫正极的活性物质利用率,同时导致其快速的容量衰减,阻碍了其实际应用.为了解决这些问题,研究者采用“锂硫电催化”模型体系以缓解穿梭效应并促进多硫化物的转化动力学.本文系统总结了包括非均相与均相催化体系在内的锂硫电池电催化材料和模型体系的设计原理及最新研究进展,展望了未来锂硫二次电池电催化研究的主要挑战和发展机遇.     

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.     

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...     

功能添加剂和保形包覆改性锂金属负极界面

金属锂负极因其超高的理论比容量和极低的氧化还原电势成为下一代可充电池的"圣杯"负极材料,高能量密度的锂金属电池有望成为后锂离子电池时代最具商业应用潜力的电化学储能系统.但是负极锂枝晶的生长带来了极大的安全隐患,"死锂"的积累和电解质的过度消耗造成了电池循环稳定性的下降,这些严重阻碍了锂金属电池的商业应用.近年来,国内外学者通过电极结构设计、固态电解质、隔膜修饰、保形包覆、添加剂等手段有效抑制了枝晶的生长.本文着重介绍了功能性添加剂和保形包覆两种策略的成功实例,通过在负极-电解质界面处注入富氟成分或引入亲锂性基团以均匀化锂离子流,从而实现稳定且无枝晶的负极循环,为锂金属电池的发展提供有益的见解.     

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.     

新型锂盐Li[N（SO2OCH（CF3）2）2]电解液的表征与性能

以双(1,1,1,3,3,3-六氟异丙氧基磺酰)亚胺钾(K[N(SO2OCH(CF3)2)2],KHFPSI)和LiClO4为原料,在极性非质子溶剂中进行复分解反应制备高纯度的双(1,1,1,3,3,3-六氟异丙氧基磺酰)亚胺锂(Li[N(SO2OCH(CF3)2)2],LiHFPSI),利用核磁共振(NMR)、红外光谱(FTIR)、元素分析(EA)和离子色谱(IC)对其进行结构表征及杂质分析,并通过交流阻抗、循环伏安、线性电位扫描以及计时电流法等方法对LiHFPSI-EC/EMC(3:7,v/v)电解液体系的物化和电化学性质进行了系统的研究.结果表明,LiHFPSI电解液具有较高的耐氧化电位(5.7V vs.Li+/Li),良好的Al箔钝化性能,并与人造石墨有较好的相容性;采用LiHFPSI电解液的石墨/LiCoO2锂离子电池体现出较传统导电盐LiPF6更好的循环性能以及容量保持能力.     

铝箔在甲基烷基咪唑四氟硼酸盐离子液体电解液中的电化学行为

铝箔作为集流体被广泛应用于锂离子电池和电解电容器等电化学器件中, 而它在电解液中的电化学行为直接影响电化学器件的性能和安全. 通过循环伏安法研究了铝箔在甲基烷基咪唑四氟硼酸盐离子液体及其与锂盐LiN(SO₂CF₃)₂ (简称LiTFSI)组成的电解液中的电化学行为. 结果表明: 铝箔在离子液体BMI-BF₄及锂盐LiTFSI组成的电解液中极化时表面生成了牢固的钝化膜, 这对电化学器件集流体铝箔的保护十分有利. 将铝箔在离子液体BMI-BF₄和BMI-TFSI中进行阳极极化, 对比发现, 铝箔在离子液体BMI-TFSI中并没有形成较好的钝化膜, 而在离子液体BMI-BF4中的铝箔表面生成了抗腐蚀性能较好的钝化膜, 其击穿电压高达94.58 V. X射线能谱仪(EDS)和X光电子能谱仪(XPS)分析结果表明, 铝箔在离子液体BMI-BF₄中阳极极化后表面存在F和O, 形成了类似氟化物(如AlF₃)和氧化物(如Al₂O₃)的钝化膜.     

双掺杂LiNbO3:Fe:Cu晶体中的漂白效应及其非挥发性全息存储

首次观察到了双掺杂LiNbO3:Fe:Cu晶体中的漂白效应,并利用该效应实现了非挥发性全息存储.不同于通常的双掺杂铌酸锂晶体中观察到的光色效应,LiNbO3:Fe:Cu中的光致吸收率的变化呈现漂白效应,即当该晶体被紫外光照射后对可见光的吸收减少.基于这种漂白效应,提出并实验研究了一种新的记录方案以实现非挥发性全息存储.该方案包括两束相干红光的记录以及均匀紫外光和单束相干红光的固定等两个主要过程.实验结果表明,怍为一种新的物理机制,漂白效应可以实现非挥发性全息存储并具有高记录灵敏度和低光致散射噪声等特点.     

Ni/MH电池过充电热效应分析

利用微量热仪对Ni/MH电池过充电时的热效应进行了分析. 电池通过一个保护装置安装在一台以石英频率温度计为测温装置的微量热仪中. 实验测量了电池在不同荷电态(SOC)下以不同电流过充电时的热容量和发热量数据. 基于一系列简化假设建立热传导方程, 实验结果经过拟合得到了描述充电过程的发热速率曲线方程, 取代以往研究中发热速率的理论计算方法. 用曲线拟合得到的方程和热容量数据建立了二维热效应模型, 对过充电热效应进行了数值模拟, 计算结果与实验结果基本吻合. 模型显示电池内温度分布差异很大, 这归因于电池内部材料传热性能不佳. 电池的传热性能与电池材料如电极、隔膜和电解液等性质有关, 很难有较大改善, 所以, 在实际使用中应该尽量避免高倍率长时间充电, 以免对电池造成损害.     

类锂钛离子复合X射线激光

复合泵浦类锂离子方案是实现小型高效的“水窗”波段饱和放大的X射线激光器的最有希望的途径之一,近年来,各国著名实验室进行了很多重要的研究,虽然取得了很大的进展,但关于该方案的激射机制还有一些悬而未决的问题,在向短波长推进和提高增益长度积方面尚需大量的工作.在以前细致地研究纳秒级激光脉冲驱动的复合机制X射线激光的基础上,最近我们利用LF12装置输出的100ps量级脉宽驱动激光,完成了复合泵浦类锂钛离子X射线激光实验.实验结果表明,类锂钛离子4f～3d跃迁(波长为4.68nm)有明显的增益,峰值增益系数为(1.9±0.5)cm~(-1),实验结果显示了类锂方案在实现短波长激光和大GL值方面的潜力.本文实现的激光跃迁波长是迄今世界范围内用复合泵浦类锂离子方案实现放大的最短波长.     

新型快充 汽车电池诞生

近日,科学家开发了一款磷酸铁锂电池,它充电10分钟后,续航里程可达约402千米. 这款电池为自发热电池,能快速加热到华氏140度(60℃)进行充电和放电.当阴极(磷酸铁锂)一端使用薄镍箔并连接到负极,另一端延伸到电池外形成第3个端子.     

锂电池牵引电动汽车产业革命

经过10多年的筛选,现在普遍看好的动力电池有氢镍电池、铁电池、锂离子和锂聚合物电池.氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍,其他性能也都优于铅酸电池,但目前价格为铅酸电池的4～5倍,正在大力攻关使其降下来.铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料,成本得到了大幅度降低,已有厂家采用.锂是最轻、化学特性十分活泼的金属,锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍,锂聚合物电池单位重量储能为铅酸电池的4倍,而且锂资源较丰富,价格也不很贵,是很有希望的电池.     

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.