V2O3空心球的制备及在锂硫电池中的应用

在NH₃辅助下将制备的V₂O₅空心球高温还原为V₂O₃空心球, 并利用透射电子显微镜、 扫描电子显微镜、 X射线衍射和X射线光电子能谱等手段对材料的形貌与结构进行表征. 将V₂O₃空心球与硫机械混合后, 不经过熔融复合直接作为锂硫电池的正极材料. 电化学测试结果显示, 在0.2C倍率下, 电池首次放电比容量达到1375 mA·h/g, 循环100次后放电比容量可以维持在815 mA·h/g; 在1C高倍率下, 电池首次放电比容量为710 mA·h/g, 经过500次循环后, 放电比容量仍能达到530 mA·h/g, 表明V₂O₃空心球的加入能够有效提高锂硫电池的循环性能.     

高浓度LiI实现硫正极稳定的高效利用

具有高比容量和低成本的锂硫电池被认为是下一代电池的重要候选者.然而,低的硫利用率、严重的穿梭效应以及金属锂负极枝晶的生长制约其实际应用.在电解液中引入添加剂被证实是一种简单有效的性能改善策略.为此,本文将高浓度的LiI引入到Li-S电池的常规电解液中,研究高浓度的LiI电解液对硫正极的利用、金属锂负极的保护以及对应电池电化学性能的影响.结果表明,高浓度的碘化锂电解液能够在金属锂负极表层形成稳定的保护层,抑制了锂枝晶的产生.与此同时,碘化锂的引入大幅度提高电池的比容量、有效改善电池的倍率性能和循环稳定性.通过优化发现,浓度为0.5 mol·L^-1的LiI具有最佳的电化学性能.采用此电解液的锂硫电池,在1 C倍率下,放电容量高达1 200 mAh·g^-1. 200次循环之后,容量仍能保持在880 mAh·g^-1,容量保持率接近75%.此外,电池展示了良好的倍率性能,在5 C倍率下,放电容量依然高达700 mAh·g^-1.     

氧缺位结构介孔二氧化钛/聚乙烯复合隔膜在锂硫电池中的应用

采用两步溶液法合成了一种具有高度氧缺位的黑色介孔二氧化钛, 并将其涂覆在隔膜表面作为锂硫电池复合隔膜, 研究了其在锂硫电池中的电化学性能. 结果表明, 氧缺位的黑色介孔二氧化钛材料不仅展现出良好的导电性, 还能加强对多硫化物的物理和化学吸附能力, 从而显著提高锂硫电池的放电比容量(0.1C倍率下首次放电比容量为1257 mA·h/g)和循环性能(循环100次后放电比容量为821 mA·h/g).     

Ni3S2@碳纳米管复合材料的制备及其储钠性能

采用一步固相煅烧工艺制备了碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒（Ni₃S₂@CNT）,并研究了其作为钠离子电池（SIBs）负极材料的电化学性能. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、循环伏安测试、恒流充放电以及交流阻抗等研究了Ni₃S₂@CNT的物相结构、形貌特征以及电化学性能. 电化学测试表明,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,放电容量可以达到541.6 mAh·g ^-1,甚至在2000 mA·g ^-1的大电流密度下其放电比容量也可以维持在274.5 mAh·g ^-1. 另外,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,经过120周充放电循环后其放电和充电比容量仍然可以保持在374.5 mAh·g ^-1和359.3 mAh·g ^-1,说明其具有良好倍率性能和循环稳定性能. 良好的电化学性能归因于这种独特的碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒结构. 碳纳米管不但可以提高复合材料的导电性,也可以缓冲Ni₃S₂纳米颗粒在反复充放电过程中产生的体积膨胀效应,明显改善了Ni₃S₂@CNT负极复合材料的电化学性能.     

TiO2/CNTs复合材料涂覆隔膜的制备及在锂硫电池中的应用

以金属有机框架材料MIL-125(Ti)为模板制备了多孔TiO₂, 同时引入碳纳米管, 得到碳纳米管交联包覆多孔TiO₂的三维导电复合材料. 将该复合材料涂覆在隔膜表面并应用于锂硫电池. 利用透射电子显微镜(TEM)、 扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等对材料的结构和组成进行了表征. 电化学测试结果表明,在0.5C(1C=1675 mA/g)倍率下, CNTs/S复合正极材料表现出高达1051.1 mA·h/g的放电容量, 循环150周后仍可保持在904.8 mA·h/g. 在1C倍率下, 放电容量最高可达1036.9 mA·h/g, 循环250周后仍有763.0 mA·h/g, 展现出了良好的倍率性能和循环稳定性.     

用作锂离子电池负极的FeS2微球的制备及性能

以氯化亚铁和硫代硫酸钠为原料, 采用水热法一步合成了由FeS₂纳米片堆积的FeS₂微球. 通过调控铁源与硫源的摩尔比及水热合成时间, 并结合X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征结果推测了FeS₂的生长机理, 筛选出最优条件以提升其电化学性能. 电化学测试结果表明, 在500 mA/g的电流密度条件下, 材料的首次放电/充电容量可分别达到905和800 mA·h·g ^-1, 首次库伦效率达到88.4%; 在2000 mA/g的大电流密度条件下, 500次放电/充电循环后依然稳定保持350 mA·h·g ^-1的可逆容量.     

羟基化多壁碳纳米管三明治隔膜对锂硫电池电化学性能的改善

先利用羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs-OH)与纸纤维制备了复合纤维纸(MWCNTs-OHP),然后将该复合纤维纸夹在两层PP隔膜之间组装三明治结构隔膜(PP@MWCNTs-OHP@PP)并应用于锂硫电池.利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱和元素能谱分析(EDS)等对材料进行结构和性能表征.电化学测试结果表明,PP@MWCNTs-OHP@PP三明治隔膜有效提高了锂硫电池的性能.在0.1C倍率下,电池首次放电比容量达到1532 m A·h/g,活性物质的利用率达到91.5%.在1C倍率下充放电循环500周后,放电比容量依然维持516 m A·h/g,每周循环衰减率为0.028%,库仑效率保持在96.4%以上.充放电倍率从3C减小到0.1C后,放电比容量从336 m A·h/g恢复到820 m A·h/g,显示出极佳的倍率性能.     

基于聚苯乙烯磺酸的锂金属负极界面保护层的设计

将聚苯乙烯磺酸(PSS)进行锂化处理后, 涂覆在锂箔表面, 在锂金属表面构筑一层均匀的聚苯乙烯磺酸锂(PSSLi)界面保护层, 形成PSSLi@Li复合电极. 通过红外光谱(FTIR)、 电化学阻抗谱(EIS)、 电池性能分析和有限元多物理场仿真模拟等方法, 对该复合电极进行了结构和性能研究. 结果表明, PSSLi界面保护层能有效地避免电解液与锂金属的直接接触, 抑制了“死锂”和锂枝晶的生成. 聚苯乙烯磺酸锂具有整齐排布的磺酸基团, 为锂离子提供了稳定的传输通道, 能够均匀化锂离子的迁移速率, 调节锂离子在电极表面的浓度分布, 并实现均匀的锂金属沉积/剥离. 电化学实验数据表明, 将该PSSLi界面层涂覆在铜箔表面进行库仑效率测试, 循环 350次实验后仍然能够保持在99.5%以上; 利用PSSLi@Li复合电极组装形成的对称电池, 在1 mA/cm²的电流密度、 1 mA·h/cm²的面积容量下, 能够稳定循环1200 h以上; PSSLi@Li与磷酸铁锂正极材料组装的全电池, 在1C倍率下循环500次后, 仍具有115 mA·h/g的容量, 容量保持率可达81%以上; 在8C的高倍率下, 该电池的容量可达到105 mA·h/g.     

氮掺杂碳磷锂离子电池复合负极材料的制备及电化学性能

以商业化的活性碳作为碳基体, 三聚氰胺作为氮源, 采用沉积法合成了N掺杂的碳磷复合材料. 材料的物性表征和电化学测试结果表明, 磷纳米球形颗粒均匀分散在氮掺杂的活性碳上, 有效增加了与电解液的接触面积, 同时P—C键的存在能稳定材料的结构, 当三聚氰胺的添加量为10%(质量分数)时, 氮掺杂的碳磷复合材料在室温及0.1C倍率首次充电比容量为2282.2 mA·h·g ^-1, 循环100次后充电比容量保持率为92.5%, 在5C倍率下首次充电比容量达到624.6 mA·h·g ^-1. 该复合材料在-10 ℃, 0.1C倍率下充电比容量为1128.2 mA·h·g ^-1, 在55 ℃, 0.1C倍率下首次充电比容量达到2060.5 mA·h·g ^-1, 表现出较好的电化学性能.     

磷酸钒锂/石墨烯复合正极材料的制备及表征

通过三聚氰胺甲醛树脂(MR)中的羟基与石墨烯氧化物(GO)中的羧基发生的沉淀反应来制备功能化的氧化石墨烯前驱体,然后利用溶胶-凝胶及高温热处理方法制备磷酸钒锂/石墨烯复合材料,利用此材料制备了电池电极,并对电极材料进行了结构和电化学表征。结果表明,所得磷酸钒锂为单斜晶系结构,石墨烯堆叠程度显著降低,也有效避免了磷酸钒锂颗粒的团聚,提高了材料的电化学性能。电池的充放电曲线极化较小,在3.0~4.3 V的区间内20 C倍率仍有86 mA·h/g的可逆容量。0.1 C循环100次后容量为119.7 mA·h/g,容量保持率94%。在3.0~4.8 V的高电压区间,10 C倍率下可逆容量80 mA·h/g,0.1 C循环100次后仍有145.6 mA·h/g的可逆容量。优异的循环和倍率性能以及较低的碳含量符合锂离子正极材料实用的要求。     

硝酸锂作添加剂对锂硫电池电化学性能的影响

采用充放电测试和交流阻抗测试研究了硝酸锂作电解液添加剂对锂硫电池电化学性能的影响. 采用电子扫描显微镜观察分析了添加剂对锂负极的影响, 探讨了硝酸锂的作用机理.  结果表明, 采用硝酸锂作为锂硫电池电解液的添加剂, 可以在锂负极表面形成具有钝化负极活性表面及保护锂负极的界面膜.  该膜可以抑制电解液中高价态聚硫离子与锂负极的副反应, 避免在锂负极表面形成不可逆的硫化锂, 从而提高锂硫电池的循环性能和放电容量. 采用硝酸锂作添加剂的锂硫电池首次放电比容量达1172 mA?h/g, 循环100次比容量保持为629 mA?h/g.     

锂硫电池正极材料的制备及工艺优化

锂硫电池具有能量密度高、价格低等优势,有希望应用于下一代储能领域. 但锂硫电池仍然存在一些问题,如多硫化物穿梭效应、缺乏有效的锂硫电池规模制备工艺等. 为了解决这些问题,作者以不同商用碳材料（乙炔黑、科琴黑与碳纳米管）和单质硫复合作为正极材料,探究正极制备工艺对多硫化物穿梭效应抑制效果及锂硫电池性能的影响. 通过研究,作者得出以下结论：科琴黑作为单质硫的载体,与单质硫球磨8 h后,匹配粘结剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制备的正极浆料可实现在涂布和辊压后极片的厚度达到500 μm、压实密度达到991.65 mg·cm ^-3. 作者将最终得到的正极极片应用于高硫载量锂硫软包电池,电池首圈放电容量为137.4 mA·h,经过10圈循环后,放电容量为115.5 mA·h,表现出优异的电化学性能. 该碳硫复合正极材料制备工艺有望在锂硫电池的宏量制备中获得应用.     

纳米CoSe修饰氮掺杂多孔碳的可控制备及其锂硫电池多硫化物的催化转化效应

锂硫电池中较差的循环稳定性和倍率性能是实现锂硫电池商业化的技术障碍,其主要原因之一是多硫化物在硫电极内的电化学转化速率较为缓慢。为此,我们以ZIF-9为前驱体,采用先碳化,再酸化刻蚀,最后硒化的方法合成了含少量催化剂的CoSe修饰氮掺杂多孔碳(CoSe/NC)电极材料,以期提高硫电极内多硫化物的电化学转化动力学性能,并通过流动液相三电极体系对该材料进行电化学动力学表征。结果显示,相较于对比材料,CoSe/NC能够加快多硫化物的氧化还原反应速率,在0.2mA·cm-2电流密度下,多硫化物氧化还原反应在CoSe/NC电极上有最小的反应过电位;同时,在0.1 V过电位下,各氧化还原反应也有最大的响应电流。因此,将CoSe/NC作为硫宿主材料组装电池展现了优异的电化学性能：在1C(1C=1 675 mA·g^-1)下初始放电比容量为1 068 mAh·g^-1,经过500次循环后,可逆容量仍保持在693 mAh·g^-1。另外,在3C的高电流密度下,放电比容量可高达819 mAh·g-1。     

PEO基聚合物电解质及其锂硫电池性能研究

锂硫电池由于具有高的理论比能量引起了广泛关注,然而传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用,全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题. 本文采用传统的溶液浇铸法制备了具有不同的[EO]/[Li⁺]的PEO-LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池. 研究发现,虽然[EO]/[Li⁺] = 8的聚合物电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li⁺] = 20的电解质与金属锂负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好. Li|PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)|Li对称电池在60 °C,电流密度为0.1 mA·cm^-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象. 基于PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh·g^-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh·g^-1以上. 而基于PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)电解质的锂硫电池,由于与锂负极较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象.     

二硫化钼包覆聚丙烯隔膜在锂硫电池中的应用

采用水热法合成片层状二硫化钼(MoS2),不添加黏结剂,通过简单真空抽滤将MoS2包覆在聚丙烯微孔隔膜(Celgard)上,从而提高锂硫电池的性能。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、比表面积孔隙度及化学吸附分析仪(BET)对MoS2进行了形貌和物性测试,使用电化学工作站和电池测试系统对锂硫电池进行电化学性能表征,研究了MoS2包覆隔膜对锂硫电池穿梭效应的抑制效果。结果表明:MoS2包覆Celgard隔膜通过吸附多硫化锂和阻挡多硫化锂的穿梭,可以有效抑制锂硫电池的穿梭效应,在400mA/g电流密度下,首圈容量达到1 010mA·h/g,循环150圈后容量为432mA·h/g,性能明显优于使用空白商用Celgard隔膜的锂硫电池。     

锂硫电池用碳化钛涂层隔膜性能探究

为提高锂硫电池的比容量和循环性能,本文使用纳米碳化钛（TiC）作为涂层制备得到TiC/Celgard涂层隔膜,并探究其对锂硫电池性能的影响. 电化学性能测试结果表明,涂层隔膜能有效提高电池在不同倍率下的比容量以及电池的循环性能,在2C倍率下仍表现出650 mAh·g-1的比容量,0.5C循环100周容量仍能保持在843.1 mAh·g-1.     

含氮多孔纳米碳纤维的制备及对锂硫电池容量的提高

采用静电纺丝技术获得聚丙烯腈(PAN)纳米纤维, 选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为造孔剂, 在氮气气氛下1000 ℃高温碳化制备富介孔结构的含氮纳米碳纤维(MT-C). 研究结果表明, 当m(PVP)/m(PAN)为2∶1时, MT-C-0.4比表面积为190.8 m ²/g, 并且在0.05C倍率下首次放电比容量高达1269.4 mA·h/g, 在0.5C倍率下循环300周后比容量仍保持为658.3 mA·h/g, 每周容量衰减率为0.14%. 硫电极负载量为1 mg/cm ²时, MT-C表现出最佳的电化学性能.     

电压敏感性聚三苯胺修饰隔膜用于锂硫电池过充保护

本文以三苯胺为原料,通过化学氧化法制备了具有电压敏感性的聚三苯胺(PTPAn)并将其成功应用到锂硫电池隔膜上。电导率测试结果表明,PTPAn/聚丙烯(PP)隔膜的离子电导率达1.56 mS·cm^-1;循环伏安(CV)测试结果表明,PTPAn/PP隔膜在3.5–4.2 V内具有氧化还原峰。在0.1C倍率下,采用PTPAn/PP隔膜和空白PP隔膜的锂硫电池在经200周循环后,放电比容量分别为424.8和407.2 mAh·g^-1,库伦效率分别为99.38%和98.59%,倍率测试表明(0.1C、0.2C、0.5C、1C),采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池在不同倍率下放电比容量均高于采用空白PP隔膜的锂硫电池。与此同时,对采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池进行过充实验,在第4周过充时,充电比容量为843.1 mAh·g^-1,放电比容量为839.8 mAh·g^-1;第10周过充时,充电比容量为690.2 mAh·g^-1,放电比容量为669.2 mAh·g^-1。第16周过充时,电池的充电比容量为538.7 mAh·g^-1,放电比容量为512.9 mAh·g^-1。倍率过充测试表明,经过不同倍率过充实验后,采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池仍能正常工作,在1C倍率下过充,电池电压稳定保持在3.9 V,充电比容量为349.8 mAh·g^-1,放电比容量为328.7 mAh·g^-1。     

CoSe2/C复合电催化材料修饰隔膜对高载量锂硫电池性能的影响

以具有菱形十二面体结构的ZIF-67为模板, 采用两步烧结法合成了CoSe₂/C复合材料, CoSe₂纳米颗粒直径约30 nm, 均匀分散在碳骨架上. 电化学测试结果表明, CoSe₂/C复合材料在放电过程中可以加快可溶性聚硫离子的还原反应动力学, 还能够促进不溶性Li₂S的沉积过程, 同时加速充电过程中Li₂S的氧化分解. 将CoSe₂/C作为电催化材料与碳材料混合后用于隔膜修饰, 修饰层面载量仅为0.15 mg/cm², 其中CoSe₂/C的质量分数仅占30%时, 电池依然表现出优异的电化学性能; 当硫载量为4.8 mg/cm²时, 在0.2C倍率下电池初始放电比容量为756 mA·h/g, 经过180次循环后, 容量依然能够维持715 mA·h/g, 每次衰减率仅为0.031%.     

钙钒青铜/碳纳米管复合材料的 制备及电化学性能

采用水热法制备了具有二维层状结构的钙钒青铜(Ca_xV₂O₅·nH₂O, CVO)水系锌离子电池钒基正极材料, 并通过调控前驱体溶液中碳纳米管的含量, 得到3种钙钒青铜/碳纳米管复合材料(CVO@CNTs). 利用X射线衍射、 热重分析、 扫描电子显微镜和透射电子显微镜等对材料进行了表征. 结果表明, 所制备的CVO呈纳米带形貌, 长约十几微米, 宽约几百纳米, 选区电子衍射测试表明所得材料为单晶结构. 循环伏安测试结果表明, CVO和CVO@CNTs均具有多个氧化还原峰, 储锌机制包括赝电容行为和电池行为. 在放电倍率1C(1C=300 mA/g)测试条件下, CVO纳米带比容量稳定在210.1 mA·h/g; 与CNTs复合后, CVO@CNTs复合材料的电荷转移阻抗降低, 在相同测试条件下表现出更高的比容量和优异的倍率性能. 其中, CVO@CNTs-40表现出最高的比容量, 在1C倍率测试条件下的比容量可达274.3 mA·h/g, 即使在20C的测试条件下放电比容量仍可达85.2 mA·h/g, 且循环1000次后容量保持率能达到92%.