富锂正极材料结构设计和表面调控的研究进展

富锂正极材料因具有较高的理论能量密度,被视为极具发展潜能的新一代正极材料,但该材料在循环过程中容量和电压衰减显著,导致其实际商业应用受阻.本文综合评述了通过结构设计和表面调控提高富锂正极材料储锂性能的研究进展,介绍了富锂正极材料的充放电工作机制,及导致其比容量和电压衰减的原因,讨论了近年来通过新型结构设计(如构筑蛋黄-蛋壳中空结构、中空多壳层结构等)和表面调控(如尺寸控制、暴露晶面控制、表面尖晶石化、表面包覆、表面掺杂等）策略,抑制富锂正极材料表面氧析出和晶型转变并稳定材料结构,从而抑制电压和比容量衰减,有效提高电池的循环寿命和库伦效率的相关研究成果,最后,提出了通过结构设计和表面调控提高富锂正极材料电化学性能面临的挑战,并对未来发展方向进行了展望.     

准固相转化机制硫正极

随着电动汽车及便携式电子产品的迅速发展,对于高能量密度电池体系的需求越来越迫切,然而传统锂离子电池正极材料的能量密度发展逼近理论极限,因此发展下一代电池体系迫在眉睫。硫正极具有理论比容量高、来源广泛和成本低廉等优点,成为研究热点之一。硫正极在常规醚类电解液中为溶解-沉积机制,会产生“穿梭效应”,造成活性物质不可逆损失、电池库仑效率低和循环寿命短等问题。为了缓解“穿梭效应”,通常采用物理限域、化学吸附和反应加速剂等方式,但都没有从根本解决该问题。准固相转化机制可以彻底避免多硫化物溶解流失,受到研究者的广泛关注。本文综述了微孔碳、正极表面SEI膜和电解液调控等途径构建准固相转化机制硫正极的代表性工作,总结了研究意义和电化学特征;针对准固相转化硫正极本征动力学慢的问题,提出加快反应动力学的方案;有助于提高长循环性能,从而促进锂硫电池实用化。     

Li-S电池硫正极性能衰减机理分析及研究现状概述

由于汽车工业的持续发展, 对高能量密度二次电池的需求逐步增加, 锂硫电池开始走进人们的视野. 锂硫电池的理论比能量高达2600 Wh/kg, 而单质硫的理论比容量达1680 mAh/g. 同时, 硫的储量丰富, 廉价, 并且环境友好. 虽然可充电锂硫电池相比于传统锂离子电池有诸多优势, 但目前其可实现的实际比容量远低于理论比容量, 循环寿命也较短等弊端限制了其大规模应用. 作者从Li-S电池正极的工作原理出发, 对硫正极容量损失及衰减机理做了深刻的解析, 并结合本实验室的工作归纳总结了导致硫正极容量衰减的主要因素. 针对硫正极容量衰减因素, 从碳导电结构、聚合物包覆以及纳米金属氧化物添加剂等方面, 对近年来提高硫正极性能的主要研究方向及最新研究进展进行了综述, 并对其中存在的问题进行分析, 最后对提高Li-S电池的整体性能提出展望.     

“锂硫电池”专辑序言

锂硫电池是指采用硫或含硫复合物作为正极，锂或含锂材料为负极，以硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能相互转换的一类电池体系。由于活性物质具有质轻、多电子反应等特性，从而能够实现高达1675m Ah·g^-1的理论比容量和2600 Wh·kg^-1的质量比能量。这比传统的锂离子电池的能量密度高出7倍左右，极有潜力成为新一代高能量密度电化学储能体系，近年来一直是高能锂金属电池领域的研究热点之一。然而，锂硫电池的实用化依然存在着诸多问题。最为典型的是电池充放电过程中生成高阶态多硫化物(Li₂S_n,8≥n≥4)溶解在电解质中导致的“穿梭效应”，继而对硫基正极、锂基负极和电解液等电池关键组成部分产生深刻影响，导致电池出现容量衰减快、库仑效率低、循环寿命短等问题。其次，硫正极必须和金属Li配对使用才能体现锂硫电池高能量密度的优势。但在实际的锂硫电池中，锂基负极的充放电效率低、循环性能差，同时存在着严重的安全隐患。这些挑战仍需科研工作者对其背后的科学问题和工程技术问题进行逐一突破。     

锂硫电池硫碳复合正极材料研究现状及展望

二次锂硫电池被视为最具有发展潜力的下一代高能量密度二次电池之一. 但由于正极硫的电导率低（5×10^-30 S·cm^-1）,且在放电过程中产生的中间体多硫化物易溶于有机电解液,致使锂硫电池活性物质利用率降低,溶解后的多硫化物还会迁移到负极,被还原成不溶物Li2S2/Li2S而沉积于负极锂,使电极结构遭受破坏,造成电池容量大幅衰减,循环性能差,从而限制了进一步的开发应用. 研究表明,以碳作为导电骨架的硫碳复合正极材料能在不同程度上解决上述问题,从而有效提高了锂硫电池的放电容量和循环性能. 本文综述了近年来国内外报道的各种锂硫电池正极材料的研究进展,结合作者课题组的研究,重点探讨了硫碳复合正极材料,并对其今后的发展趋势进行了展望.     

碳基材料修饰聚烯烃隔膜提高锂硫电池性能研究

采用硫单质作正极和金属锂为负极组成的锂硫(Li-S)电池具有很高的理论比能量(2600 Wh·kg^-1),被认为是一种具有广泛应用前景的二次电池。其中,正极硫具有高的理论比容量(1675 mAh·g^-1),储量丰富且环境友好。然而,硫较差的导电性、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶生长等导致了Li-S电池在循环过程中容量衰减快、库仑效率低和安全隐患等问题,严重阻碍了其大规模应用。通过隔膜修饰提高Li-S电池的性能是一种有效的方法,近年来取得了很大进展。碳材料是较常见的一种隔膜修饰材料,本文综述了近年来常见碳材料及碳基复合材料用于修饰Li-S电池隔膜进而改善电池性能方面的研究进展,重点介绍了修饰层的设计及提升Li-S电池容量的机理。     

锂硫电池用高度环化硫化聚丙烯腈的制备

硫化聚丙烯腈因其不溶解机制和有效缓解锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”,被认为是具有吸引力的锂硫电池正极候选材料。硫化聚丙烯腈的导电聚合物骨架具有优异的电子导电性,同时共轭主链能有效解决充放电过程中硫正极体积变化引起的正极结构坍塌问题。因硫化聚丙烯腈的固-固反应机理,有效克服了传统硫正极在醚类电解液中多硫化物溶解及穿梭效应的问题,具有高正极活性物质利用率、出色的循环稳定性和结构稳定性等优势。有许多研究工作致力于通过硫化促进剂来提高硫化聚丙烯腈的硫含量,进而提高材料的能量密度。其中,硫化聚丙烯腈主链的环化度与循环稳定性的关系引起了我们的关注。在该研究工作中,通过在硫化过程中引入无水硫酸铜和正乙基正苯基二硫代氨基甲酸锌(ZDB)合成了SPAN-C-V复合材料。无水硫酸铜和ZDB的共同引入降低了聚丙烯腈环化反应的起始温度,同时提高了产物SPAN-C-V内碳碳双键的含量,在提高了材料硫含量的同时提高了其环化度。以SPAN-C-V为正极活性物质所组装的锂硫电池展现出良好的循环稳定性和倍率性能：在0.2 C (1 C = 600 mAh·kg^-1)下循环100次后的可逆容量为601 mAh·kg^-1,容量保持率为93%。该工作对于硫化聚丙烯腈材料的发展提供了参考。     

锂硫电池用多孔碳/硫复合正极材料的研究

锂硫电池具有高的理论比容量和理论能量密度,被认为是当前最有前景的二次电池体系之一。现阶段锂硫电池的研究工作主要集中于高性能硫正极材料的设计与合成。具有优良的导电性、良好的结构稳定性和多孔结构的纳米碳材料,比如活性碳、介孔碳、超小微孔碳、多级结构多孔碳、空心碳球和空心碳纤维,充分满足了锂硫电池正极材料对碳基体的要求。本文综述了近年来多孔碳/硫复合材料作为硫正极的研究进展。总结了以具有不同结构特征的多孔碳基体负载硫组装的锂硫电池的电化学性能,并分析了不同多孔结构对性能的影响。最后在此基础上,从多孔碳/硫复合正极材料的设计和合成的角度,展望了其未来的发展趋势。     

高性能锂硫电池研究进展

锂硫电池具有理论比容量高(1675 m Ah·g~(-1))、能量密度高(2600 Wh·kg~(-1))、环境友好、价格低廉等性质,是一种高性能的新型储能电池。这些性能使其在电动汽车和便携式设备领域具有重要意义。然而,快速的容量衰减以及较差的循环性能,使锂硫电池还达不到商业应用的要求。本文全面总结了锂硫电池的最新研究进展,详细阐述了锂硫电池的正极、电解质、隔膜以及负极保护,分析了现有锂硫电池存在的缺陷和问题。最后,对锂硫电池未来的发展方向进行了展望。     

高性能锂硫电池材料研究进展

锂-硫氧化还原对的比能量为2 600Wh/Kg,几乎是所有的二次电池氧化还原对中最高的,当锂-硫电池放电产物为Li2S时,电池的比容量可达到1 675mAh/g.近年来,人们在提高锂硫电池的循环可逆性和硫的利用率方面开展了大量的研究工作.本文结合本实验室的工作综述了锂硫二次电池的最新研究进展,对电池的正极、黏结剂、电解...     

Bisquare robust polynomial fitting method for dimple distortion minimization in surface quality analysis

In this paper, the bisquare robust polynomial fitting (BSRPF) method for surface texture features assessment was proposed. Plateau-honed cylinder liner bronze surfaces with additionally burnished microcavities (defined as dimple, holes, and/or cavities) were taken into consideration. Analyzed details were measured with stylus (Talyscan 150) or white light interferometer (Talysurf CCI Lite) methods. It was assumed that application of commonly used (in surface contact and noncontact measurement technology) polynomial fitting procedures did not allow to extract required features; distortion of microreservoir dimples for oil consumption assessment was falsely estimated when valleys were near edge or on the edge located. Application of bisquare robust polynomial fitting method caused a minimization of microflattens of dimples irrespective of valley distribution; the biggest degree of polynomial fitting method applied, the minimal distortions of oil reservoirs were noticed. The valley size (depth and width) and valley-to-valley distance were also taken into account.     

Different Distributions of Counterions in the Surface Layer of Cationic Surfactant Solutions

We have separately determined the surface tension of pure aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride and cetyltrimethylammonium bromide and their surface potentials by a Kelvin probe system. With the help of Gibbs equation, the surface excess has been determined through approximating the chemical activity of the surfactant by their dilute bulk concentration. In the following, the surface potential—surface excess isotherms were established. Those potential isotherms evidence that cetyltrimethylammonium chloride solution has a higher value compared to that of cetyltrimethylammonium bromide under equal surface excess. This phenomenon is supposed to be owed to the different distributions of chloride and bromide ions within the adsorption layer of the solutions, which can be attributed to the different properties of those two anions.     

Chemical interface damping in single gold nanorods and its near elimination by tip-specific functionalization

Tip-functionalized nanorods: Single-particle spectroscopy shows that functionalization of small gold nanorods with thiol groups leads to a broadening of the plasmon resonance by chemical interface damping. By specifically functionalizing the tips of the nanorod this broadening is nearly eliminated while the sensing performance is maintained relative to fully functionalized particles.     

Preparation of ZnO Film on 2024Al Surface for Hydrophobicity Investigation

A uniform ZnO film with microscale rod-like structure has been obtained on 2024Al surface by the hydrothermal method and perfluorooctanoicacid has been used to enhance the surface hydrophobic performance of the ZnO film. The as-prepared ZnO film was characterized by scan electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectrum (XPS). The results indicate that the ZnO film is uniform and the ZnO microrods are 2 um in length. The water contact angle of hydrophobic surface is 146° and the sliding angle is 10°.     

分子自组装法制备具有可控浸润性的铜表面简

通过简单浸泡的方法在铜基底上制备出了具有微纳米复合结构的氧化铜,再利用混合硫醇溶液[含HS(CH2)9CH3和 HS(CH2)11OH]对浸泡后的表面进行修饰,通过控制溶液中HS(CH2)11OH的浓度,制备出一系列具有不同浸润性的铜表面,实现表面从超疏水到超亲水的有效调控. 研究发现,表面浸润的可控性源于表面复合结构与不同化学组成的协同作用,微纳米复合结构的存在为表面浸润性的调节提供了必要的条件.     

溶胶处理对硅灰石表面性质的影响

本工作用锡和锌两种溶胶对硅灰石进行表面处理。用酸碱测定、X-射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、粒度分析、比表面测定和扫描电子显微分析(SEM)等方法研究了溶胶处理对硅灰石表面化学性质和物理性质的影响情况。结果表明经过溶胶处理,锡或锌是以氧化物的形式包覆在硅灰石的表面,使得硅灰石的表面组成、形貌和酸碱性都发生了变化。     

富锂锰基正极材料的表面改性研究进展

随着电动汽车和储能电站等电力设备的快速发展,对高能量密度的锂离子电池的需求日益增加.高比容量（>250 mAh·g^-1）的富锂锰基正极材料,有望成为锂离子电池实现高比能量（>350 Wh·kg^-1）的关键正极材料.富锂锰基正极材料的Li₂MnO₃相和晶格氧参与电化学反应使其拥有了高容量,但这也导致表面结构和成分容易发生变化,进而造成富锂锰基正极材料存在着诸如首次库伦效率低、倍率性能差和循环后电压和容量衰减严重等问题.因此,本文综述了富锂锰基正极材料的表面包覆、表面掺杂和表面化学处理三种表面改性方法,并进一步讨论了三种表面改性方法对材料性能提升的机制机理和优缺点.在此基础上,介绍了近些年基于多方法的表面联合改性工作.通过对富锂锰基正极材料进行表面联合改性,不仅可以改善其结构稳定性和抑制电极/电解液界面副反应,而且可以缓解其在循环过程中不断发生的结构转变和晶格氧的析出问题.最后,对富锂锰基正极材料表面改性研究方向进行了总结和展望.     

MgO缺陷和不规则表面的能带结构研究

用扩展休克尔紧束缚（ＥＨＴ）晶体轨道方法对ＭｇＯ表面缺陷和不规则结构进行能带计算,并对能带的结构及组成进行了讨论。计算结果表明,各种缺陷及不规则表面的表面状态与完整晶面比较,存在明显差异,前者由于其导带底部能带的变化造成导带和价带间的能隙减小。我们发现,ＭｇＯ缺陷及不规则表面吸附能力与其表面能大小及表面不同位置原子的净电荷数密切相关。缺陷模型的表面能均大于完整晶面,故缺陷有利于表面吸附     

分子自组装法制备具有可控浸润性的铜表面

通过简单浸泡的方法在铜基底上制备出了具有微纳米复合结构的氧化铜, 再利用混合硫醇溶液[含HS(CH₂)₉CH₃和 HS(CH₂)₁₁OH]对浸泡后的表面进行修饰, 通过控制溶液中HS(CH₂)₁₁OH的浓度, 制备出一系列具有不同浸润性的铜表面, 实现表面从超疏水到超亲水的有效调控. 研究发现, 表面浸润的可控性源于表面复合结构与不同化学组成的协同作用, 微纳米复合结构的存在为表面浸润性的调节提供了必要的条件.     

Surface viscoelasticity of phospholipid monolayers at the air/water interface

The surface viscoelastic properties of monolayers of two phospholipids DPPC (L--dipalmitoylphosphatidylcholine) and DMPE (L--dimyristoylphosphatidyl-ethanolamin), at the air-water interface have been investigated. Two techniques were used for the investigation. One involved use of an interfacial shear rheometer (torsion pendulum apparatus ISR1), to provide measurements of the shear viscosity _s as a function of surface pressure, and the second, a modified LB trough with an oscillating barrier to generate periodie dilation and compression so as to measure the dilational elastic modulusE as a function of surface area.Results indicate a strong dependence of _s andE upon monolayer phases. This suggests that the viscoelastic relaxation of monolayers can be understood as molecular rearrangements, domain exchange and molecular reorientations between different monolayer states.