锂-空气二次电池关键材料与器件的设计与制备

锂-空气二次电池因拥有超高的理论能量密度及巨大的应用潜力, 有望替代锂离子电池成为下一代高性能化学 电源. 高效、稳定电极的制备以及新型锂-空气电池器件的开发是提升电池电化学性能, 促进其应用的关键. 针对以上 问题, 本文对空气正极材料的开发与设计、锂负极的修饰保护以及锂-空气二次电池器件进行了简要介绍, 并对该领域 进行总结展望     

一种有助于稳定锂金属循环的富氟化位点框架结构

锂金属是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料,然而它的应用仍然受制于较差的循环稳定性。近期,二维氟化界面被广泛用于改善锂金属负极的成核机制、沉积形貌和循环稳定性。本工作通过将体积缩小化的氟化石墨颗粒与锂离子传导网络结合,获得了一种富氟化位点的三维框架结构。实验结果证明此类三维氟化结构可显著提升锂金属负极在不同电流密度和容量下的循环稳定性,且优于二维氟化界面结构。通过本工作的研究,证明了相较于单纯的二维氟化界面,三维锂离子传导网络和富氟化位点的合理结合可以成为一种改进的界面结构用于锂金属负极保护,为高能量密度锂金属电池的负极保护提供了新的设计思路。     

锂离子电池硅基负极材料的预锂化研究进展

锂离子二次电池已成为日常生活中不可或缺的一部分, 而现有的锂离子电池并不能完全满足电动汽车领域高能量密度的要求, 发展具有高能量密度的电极材料是解决问题的关键. 硅负极因理论比容量高、 脱嵌锂电位低、 来源广泛等优点而备受关注, 但其巨大的体积变化(约300%)以及低的首次库仑效率阻碍了其商业应用. 预锂化技术可以有效提高首次库仑效率、 实现高性能硅基负极, 本文阐述了预锂化的科学必要性, 介绍了各种预锂化的方法以及优缺点, 最后对硅基负极预锂化应用的挑战和前景进行了展望.     

高比能锂-硫电池研究进展

随着全球经济快速发展对高效绿色能源需求的不断增长,锂-硫电池因具有较高的能量密度,成为了下一代高能量密度二次电池研发的重点.然而,锂-硫电池面临的循环寿命短、库仑效率低、安全性能差、较高自放电等问题,使其目前还很难实现商品化.锂-硫电池存在的这些问题主要与正极活性硫材料的高绝缘性、放电过程中产生的多硫化物溶解于电解液、硫正极在充放电过程中的体积膨胀与收缩、以及锂负极支晶化等有关.通过从锂-硫电池硫复合正极、电解液、黏结剂和负极等4个方面综述了高比能锂-硫电池的最新研究进展,其中重点介绍了硫正极复合材料的进展情况.     

锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展

现有的以石墨为负极的锂离子电池能量密度逐渐接近其理论极限. 基于合金化反应机制的高容量含锂负极材料Li_xM_y(M为能够和锂发生合金化反应的元素)是一类新兴的负极材料, 具有数倍于石墨的储锂比容量, 且可以为电池提供活性锂源. 这些特性使其能够与高容量无锂正极材料(如S, O₂, FeF₃和V₂O₅等)相匹配, 构建下一代高比能锂离子电池新体系. 本文综述了近年来高容量合金基含锂负极材料(如Li_xSi, Li_xSn, Li₃P和Li_xAl基系列材料)的研究进展, 分析了所面临的挑战, 概述了材料的合成与电极的制备方法, 并介绍了它们在常规锂离子电池、 锂离子-硫电池及锂离子-空气电池等多个全电池体系中的应用实例, 提出并举证了其电化学性能优化与调控的策略, 最后展望了未来的研究方向.     

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼有锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景. 但其产业化仍存在一系列的基础及工艺方面的问题,具体包括器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等. 本文结合作者课题组的研究工作介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.     

高性能锂-空气电池材料的研究

以锂为负极,空气为正极的锂-空气二次电池,由于其较高的理论能量密度(5 210 Wh.kg-1)而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系。通过近几年的研究和开发,人们对这一体系的了解不断深入。虽然对其电化学过程中的复杂反应机理尚没有完整系统的理论描述,但是在氧还原催化剂、空气电极材料及电解质材料等方面已开展了一些研究工作。本文综述了锂-空气电池的最新研究进展,对电池的正极材料、电解质和负极材料三个方面的研究进行了介绍,分析了该体系的缺陷及存在的问题,并展望了锂-空气电池的发展方向和前景。     

下一代能源存储技术及其关键电极材料

由于能源危机与环境问题,全球能源的消耗正逐渐从传统化石能源转向其它清洁高效能源。高效清洁能源的存储是电动汽车和智能电网的关键技术,对新能源、新材料和新能源汽车国家战略新兴产业的发展具有重要意义。锂离子电池是目前广泛应用的一种能源存储器件。电动汽车和智能电网对能量密度、功率密度、循环寿命和成本等方面的要求越来越高,传统的锂离子电池面临巨大挑战,发展下一代能源存储技术迫在眉睫。高能量密度的锂硫电池和锂空气电池,低成本、高安全性的室温钠离子电池受到了越来越多的关注。本文简要总结了近年来锂硫电池、锂空气电池和钠离子电池及其关键电极材料的研究进展,并对这些新型能源存储技术存在的问题和未来的前景做出了分析和展望。     

聚合物固态锂电池电解质/负极界面

动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹配高容量电极材料,实现能量密度的有效提升。聚合物固态锂电池是最有前景的锂二次电池之一,然而聚合物固体电解质与锂负极间仍存在严重的界面副反应、锂负极表面易生长枝晶等问题。近年来,通过电解质成分调控、电解质力学性能提升、电解质/锂负极界面调控和匹配三维锂负极等手段,聚合物基固态锂电池性能明显提升。基于此,本文介绍了常见的聚合物固体电解质及其与锂负极间的界面挑战,从添加无机填料、使用高强度基底膜、分级层状结构设计、构筑界面缓冲层、交联网络设计以及固态锂负极保护等几个方面综述了提升聚合物基电解质/锂负极界面稳定性的最新研究成果,最后对解决聚合物固体电解质/锂负极界面兼容性的研发方向和发展趋势进行了展望。     

脉冲充电提高锂金属电池稳定性的关键分子机理

正锂离子电池目前已广泛应用于可便携电子设备、无人机和电动汽车等领域~1,但其石墨负极较低的能量密度制约了锂离子电池的进一步发展~2。开发高能量密度的负极材料开发是解决当前锂离子电池能量密度低的关键。在所有的负极材料中,金属锂由于其高能量密度和低还原电势,展现出良好的应用前景~3。然而锂金属负极在充放电过程中由于锂枝晶生长造成的循环稳定性差和安全性     

Research Progress toward Room Temperature Sodium Sulfur Batteries: A Review

Lithium metal batteries have achieved large-scale application, but still have limitations such as poor safety performance and high cost, and limited lithium resources limit the production of lithium batteries. The construction of these devices is also hampered by limited lithium supplies. Therefore, it is particularly important to find alternative metals for lithium replacement. Sodium has the properties of rich in content, low cost and ability to provide high voltage, which makes it an ideal substitute for lithium. Sulfur-based materials have attributes of high energy density, high theoretical specific capacity and are easily oxidized. They may be used as cathodes matched with sodium anodes to form a sodium-sulfur battery. Traditional sodium-sulfur batteries are used at a temperature of about 300 °C. In order to solve problems associated with flammability, explosiveness and energy loss caused by high-temperature use conditions, most research is now focused on the development of room temperature sodium-sulfur batteries. Regardless of safety performance or energy storage performance, room temperature sodium-sulfur batteries have great potential as next-generation secondary batteries. This article summarizes the working principle and existing problems for room temperature sodium-sulfur battery, and summarizes the methods necessary to solve key scientific problems to improve the comprehensive energy storage performance of sodium-sulfur battery from four aspects: cathode, anode, electrolyte and separator.     

锂硫电池用石墨烯基材料的研究进展

锂硫电池因其理论能量密度高、资源丰富和环境友好等优势,被认为是最有发展前景的下一代电化学储能系统之一。然而,硫的绝缘性、充放电中间产物多硫化物的溶解和扩散、硫的体积膨胀以及锂负极安全性等问题,严重制约着锂硫电池的商业应用。石墨烯因其具有高导电、高柔性等诸多优异特性而被广泛研究,将其用于锂硫电池的正极载体、隔膜涂层和集流体中,以期实现高比能、高稳定性的锂硫电池。本文综述了石墨烯基材料,包括石墨烯、功能化石墨烯、掺杂石墨烯和石墨烯复合物,在锂硫电池中应用的研究进展,并展望了锂硫电池用石墨烯基材料的未来发展方向。     

电化学储能研究22年回顾

本文回顾了22年来作者的电化学储能研究活动,共分三个部分. 第一部分叙述高比能量、高比功率储能器件研究,包括锂硫电池研究（硫复合正极材料、锂硫电池制作、锂硼合金作为锂硫电池负极、硫-锂离子电池新体系）、超级电容器研究（超级活性炭、以酚醛树脂为原料制备电容炭、碳纳米管阵列中寄生准电容储能材料、氧化镍干凝胶准电容储能材料、归纳出电容炭材料的性能要求、电容器研制、确定“第四类”超级电容器）、锂离子电池研究（锂离子电池与可再生燃料电池的对决、双变价元素正极材料、磷酸钴锂正极材料、高功率锂离子电池的制作）. 第二部分叙述规模储能电池研究,包括液流电池新体系研究（蓄电与电化学合成的双功能液流电池、全金属化合物单液流电池、有机化合物正极的单液流电池）、致力于振兴铅酸电池（推广铅蓄电池新技术、铅炭电池的研究、铅酸电池新型板栅的研究）,储能电池（站）的经济效益计算方法. 第三部分叙述电动汽车发展路线研究,包括氢能燃料电池电动汽车、纯电动汽车与混合动力汽车、对我国电动汽车发展路线的建议、力争电动汽车补贴的合理化、坚守电动汽车“节能减排”宗旨、提出“发电直驱电动车”. 最后的结束语谈了三点感悟.     

非水体系锂-空气电池研究进展

锂-空气电池是目前已知具有最高能量密度的二次电池,有望成为未来电动汽车的动力电源。由于其能量密度高、环境友好以及成本较低,成为广大科研工作者研究的热点,在过去二十年间与之有关的研究已经在反应机理、电极结构、催化剂及电解液等各方面都取得了很大进展,但受诸多因素限制,其实用化仍然任重道远。本文总结了近几年来非水体系锂-空气电池在反应机理、正极材料、催化剂、电解液以及锂负极等方面的最新研究进展,并在此基础上展望其未来的发展方向。     

高温锂电池氧化物正极材料研究现状与展望

高温锂电池是热电池向中低温度范围的拓展和延伸,在石油、天然气及地热探测等领域有很好的应用前景。相对于具有大比容量和接近纯锂电极电位的锂合金负极材料,正极材料还有不小的发展潜力。因此,正极材料是提升高温锂电池性能的关键材料。而在正极材料中,氧化物材料表现出高电压特性以及高热稳定性,可以推动高温锂电池小型化发展,满足特定条件下的电流电压供给。目前,并没有针对高温锂电池氧化物正极材料的系统性综述。为了促进本领域的快速发展,优化能源结构,本文系统总结了高温锂电池过渡族金属氧化物正极材料的研究进展,包括其物理特性、电化学特性及合成与制备方法,对材料的可利用特性以及不足之处加以说明;进而对氧化物正极材料在高温锂电池领域的应用做出展望。     

高温锂电池氧化物正极材料研究现状与展望

高温锂电池是热电池向中低温度范围的拓展和延伸,在石油、天然气及地热探测等领域有很好的应用前景。相对于具有大比容量和接近纯锂电极电位的锂合金负极材料,正极材料还有不小的发展潜力。因此,正极材料是提升高温锂电池性能的关键材料。而在正极材料中,氧化物材料表现出高电压特性以及高热稳定性,可以推动高温锂电池小型化发展,满足特定条件下的电流电压供给。目前,并没有针对高温锂电池氧化物正极材料的系统性综述。为了促进本领域的快速发展,优化能源结构,本文系统总结了高温锂电池过渡族金属氧化物正极材料的研究进展,包括其物理特性、电化学特性及合成与制备方法,对材料的可利用特性以及不足之处加以说明;进而对氧化物正极材料在高温锂电池领域的应用做出展望。     

高性能硫化物基全固态锂电池设计：从实验室到实用化

全固态锂电池因其优异的安全性和高能量密度成为储能领域的重点研究内容。硫化物电解质因其高离子电导率、良好电极/电解质界面兼容性及易加工性,有力推动了硫化物基全固态锂电池的发展。本文首先从实验室研究阶段出发,从正极/电解质界面、硫化物电解质自身及负极/电解质界面三方面阐述了硫化物基全固态锂电池现阶段面临的主要问题,并介绍了相关的解决策略。随后从硫化物基全固态锂电池的实用化生产角度出发,介绍了电极/电解质膜的制膜工艺、软包电池的装配相关问题、高载正极的设计及硫化物电解质的大规模、低成本制备。最后展望了硫化物基全固态锂电池的未来研究方向和发展趋势。     

水系锌离子二次电池锌负极的研究进展

锌离子二次电池具有优异的充放电性能、高功率密度和能量密度、低成本、高安全性和环境友好的特点,极具发展前景。金属锌,因优异的导电性、低的平衡电势、高的理论比容量和低成本等因素,是水系二次电池中理想的负极材料,然而也存在着枝晶生长、腐蚀和钝化等问题,限制了锌离子二次电池的可逆容量和循环寿命,通过优化调节锌负极的形貌与表面修饰等方法可以提高电池性能。本文综述了水系锌离子二次电池负极材料的研究进展,涵盖了金属锌负极、复合锌负极和锌合金,且展望了锌负极的发展前景。     

金属锂电池的热失控与安全性研究进展

锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用,然而频繁发生的电池起火爆炸事故,使热失控和热安全问题备受人们关注,目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池,金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性,但是不可控的锂枝晶生长,使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题,本文首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段,其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略,包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系,开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜,以及研究热响应聚合物电解质,最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。     

锂电池电极过程的原位电化学原子力显微镜研究进展

随着人类对能源的使用与存储需求不断增加,高能量密度和高安全性能的二次锂电池体系正在被不断地开发与完善.深入理解充放电过程中锂电池内部电极/电解质界面的电化学过程以及微观反应机理,有利于指导电池材料的优化设计.原位电化学原子力显微镜将原子力显微镜的高分辨表界面分析优势与电化学反应装置相结合,能够在电池运行条件下实现对电极/电解质界面的原位可视化研究,并进一步从纳米尺度上揭示界面结构的演化规律与动力学过程.本文总结了原位电化学原子力显微镜在锂电池电极过程中的最新研究进展,主要包括基于转化型反应的正极过程、固体电解质中间相的动态演化以及固态电池界面演化与失效分析.