碳布负载的缺氧型Na2Ti3O7纳米带阵列作为高性能柔性钠离子电池负极材料

作为锂离子电池的理想替代品,钠离子电池因具有能源储备丰富、成本低廉等优点而受到人们的广泛关注。柔性便携式电子产品的发展亟需柔性储能器件的研制。因此,发展一种廉价、高性能的柔性钠离子电池负极材料成了科研工作者的共同目标。在此项工作中,我们通过简单的水热合成和热还原法发展了一种以柔性碳布为基底,与缺氧型的Na₂Ti₃O₇纳米带(NTO)构成三维阵列结构的新型柔性钠离子电池负极材料。复合材料(R-NTO/CC)的导电性和活性位点得到提高,电化学性能也大幅提升,在200 mA·cm^-2的电流密度下,实现100 mAh·cm^-2的面积比容量,且经过200次循环后仍保留最初电容值的80%。此外,这种电极还具有优良的倍率性能,当电流密度提高到400 mA·cm^-2时,仍保持69.7 mAh·cm^-2的面积比容量,是未引入氧空位材料的三倍之多。这种三维缺氧的电极材料可有效提高载流子浓度,缩短离子传输通道,从而大幅提升电极的电化学性能。此工作为设计合成高储钠性能的新型的负极材料提供了一种实用有效的策略。     

细菌纤维素基柔性锌离子电池正极的构筑及性能研究

柔性锌离子电池(ZIBs)具有高安全性、低成本和高能量密度等优势, 但是现有的ZIBs柔性电极难以兼具高电化学性能和力学稳定性. 其中, 缺少适合的基底材料是限制柔性电极发展的关键. 本工作中, 以细菌纤维素(BC)为基底材料, 结合原位聚合及真空过滤方法, 制备了具有3D多孔结构的BC/聚苯胺/碳纳米管(BC/PANI/CNTs)柔性电极. BC固有的高抗拉伸强度和超细纳米纤维网络结构等特点, 在赋予柔性电极高弯曲特性的同时, 还有利于活性物质的负载及电解液离子的快速扩散. 结果表明, BC/PANI/CNTs具有高柔韧性、7.3 mg/cm²的负载量和157 mAh/g的比容量. 以BC/PANI/CNTs电极构建的准固态ZIBs展现了109 mAh/g的比容量, 且200次充放电循环后容量保持率大于90%.     

LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用

全固态薄膜锂离子电池具有易微型化与集成化等优点,因此,非常适合为微系统供电。负极对全固态薄膜锂离子电池的性能有重要影响。现有电池通常采用金属锂作为负极,然而其枝晶生长问题及低的热稳定性限制了相应电池在工业、军事等高温、高安全场合应用。为此,本文系统研究了LiNbO₃薄膜的电化学性能,结果表明:LiNbO₃薄膜呈现高比容量(410.2 mAh·g^-1)、高倍率(30C时比容量80.9 mAh·g^-1)和长循环性能(2000圈循环后的容量保持率为100%),以及高的室温离子电导率(4.5×10^-8 S·cm^-1)。在此基础上,基于LiNbO3薄膜构建出全固态薄膜锂离子电池Pt|NCM523|LiPON|LiNbO₃|Pt,其展现出较高的面容量(16.3μAh·cm^-2)、良好的倍率(30μA·cm^-2下比容量1.9μAh·cm^-2)及长循环稳定性(300圈循环后的容量保持率...     

聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸/糊化淀粉复合水凝胶的制备和应用研究

水凝胶是一种由亲水聚合物三维网络结构和大量水组成的新型软物质材料，其优异的生物相容性、性能可调节性和环境适应性，使其在仿生智能材料、生物医学、柔性传感和能源管理等领域有着巨大的应用潜力。然而水凝胶内部存在大量水，具有较低的力学性能，强度差、模量低，且表面湿滑，难以与基体形成有效粘附，这些都限制了水凝胶在软物质材料中的应用。在此，以糊化淀粉与聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸水凝胶复合，制备了一种强韧导电水凝胶。当淀粉的添加量为4%时，所得复合水凝胶的拉伸强度从0.11 MPa提高到0.27 MPa,模量从15 kPa提升到35 kPa,断裂韧性从51 kJ·m^-2提升到210 kJ·m^-2,粘附性能提升幅度接近100%,且具有良好的导电传感能力(3.6 mS·cm^-1),在柔性传感领域具有较好的应用前景，这为用于柔性传感的软物质材料设计提供了思路。     

ZnCo2O4电极材料的形貌调控制备与超级电容特性的研究

本文采用水热反应和高温将ZnCo₂O₄纳米活性材料原位生长在泡沫镍上,并通过控制前驱体溶液中NH₄F的添加量,获得了ZnCo₂O₄四种不同的形貌. 以ZnCo₂O₄-2/NF为正极,AC/NF为负极,组装得到纽扣式非对称超级电容器ZnCo₂O₄-2/NF//AC/NF. 通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）等方法对四种形貌ZnCo₂O₄的组成和结构进行了分析. 在三电极体系下对不同形貌的ZnCo₂O₄电极进行循环伏安、恒流充放电以及电化学阻抗测试. 结果表明,当NH₄F的添加量为5 mmol时,所获得的薄纳米线团簇具有最高的面积比容量. 在电流密度为5 mA·cm^-2下,比容量为2.77 F·cm^-2. 基于正负两个电极的总面积,纽扣式非对称超级电容器的最大能量密度达到114.49μWh·cm^-2,相应的功率密度达到4001.59μW·cm^-2. 同时,功率密度达到24000μW·cm^-2时,对应的能量密度为80μWh·cm^-2.     

石墨烯负载Ni2P纳米片作为锂硫电池的硫基复合正极材料

将磷化镍纳米片均匀负载到石墨烯(G)上制备出Ni₂P/G复合材料,并将其作为硫载体构筑了硫基复合材料(S/Ni₂P/G)。研究表明,磷化镍纳米片对可溶性多硫化物具有强的化学作用和较高的电催化活性,使S/Ni₂P/G硫基复合材料表现出良好的电化学性能。特别是,在高硫含量(80.3%)和低电解液用量(15μL·mg^-1)条件下,S/Ni₂P/G硫基复合材料展现出1 164.7 m Ah·g^-1的质量比容量和良好的循环稳定性。此外,S/Ni₂P/G复合材料具有高的振实密度(1.02 g·cm^-3),其体积比容量高达954.0 m Ah·cm^-3,约为S/G复合材料体积比容量的1.6倍。     

WO3/碳布柔性非对称超级电容器的组装及性能研究

以超级电容器的电极材料制备、性质研究及对组装的非对称超级电容器的性能研究为核心内容,提高超级电容器电化学性能为主要目的,采用水热合成法在碳布基底上合成三氧化钨/碳布和活化后的碳布为超级电容器的电极材料。采用SEM、XRD表征方法对制备的材料进行了形貌表征及物相分析;使用上海辰华电化学工作站对电极材料进行了循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学性能测试. 最终得到以三氧化钨/碳布为正极材料、活化后的碳布为负极材料组装成不对称柔性电容器,进行电化学测试,其电位窗口提高到0~1.6 V,电流密度61.9 mA·cm^-2时,电容达到58.96 F·cm-2,功率密度0.48 W·cm^-2时,能量密度为20.36 mWh·cm^-2,同时在电流密度8 mA·cm^-2时,循环3000次时表现出良好的循环性能,相较于对称型超级电容器,倍率性能更加优异.     

石墨烯包覆的硫填充碳纳米笼自支撑整体材料的制备及其锂硫电池性能研究

锂硫电池具有理论能量密度高、活性物质价廉、毒性低等优点,是最具发展潜力的高能量二次电池之一,其应用仍存在硫面载量小、循环寿命短和库伦效率低等难题.制备了石墨烯包覆的硫填充碳纳米笼自支撑整体材料,可直接用作锂硫电池正极,避免使用粘结剂、导电剂和集流体,当硫的面载量为3.8 mg·cm^-2时,锂硫电池展现出高的可逆比容量（1104 mAh·g^-1）、优异的循环稳定性（每圈容量衰减率仅为0.049%@1.0 A·g^-1）和>99.9%的库伦效率,其面积比容量（3.7 mAh·cm^-2）处于锂硫电池的先进水平.该电极的优异性能可归因于以下因素的协同作用：碳纳米笼的物理限域作用及石墨烯中含氧官能团的化学吸附作用有效抑制了活性物质的流失,微孔-介孔-大孔共存的分级孔结构和高导电性利于离子和电子的传输,纳米笼空腔填充有利于缓解体积膨胀造成的影响,整体材料的自支撑稳定结构有利于增加硫载量且维持电化学性能.本研究还提供了一种工艺简单、能有效提高面积比容量的硫正极制备方法.     

纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合材料用于高性能超级电容器

以高浓度氧化石墨烯(GO)溶液作为反应前驱体,纳米纤维素(NC)作为物理间隔物和电解液储存器,通过简单的一步水热法制备了纳米纤维素/还原氧化石墨烯(NC/rGO)复合材料,并探究了其作为超级电容器电极材料的潜力。结果如下：NC添加量为1 mL所制备的NC/rGO-1具有最佳电化学性能。基于NC/rGO-1的无黏合剂对称型超级电容器在0.3 A·g^-1的电流密度下显示出了269.33 F·g^-1和350.13 F·cm^-3的高质量和体积比电容,并在10.0 A·g^-1时仍能达到215.88 F·g^-1和280.62 F·cm^-3(其初始值的80.15%)。组装器件还显示出了较高的质量和体积能量密度(9.3 Wh·kg^-1和12.13 Wh·L^-1)和出色的循环性能(10 A·g^-1下10 000次循环后其初始比电容仅减少6.02%)。     

三维多孔碳负载氧化锡并协同氟化锂制备高性能锂离子阳极

新型多孔碳纳米片/碳纳米管(PC/CNT)材料表现出丰富的分级孔隙结构,具有较高的氧化锡(SnO₂)负载量。通过PC和CNT交联形成的三维结构能够有效地提高锂离子传输速率和电子的传导。此外,在电极中掺杂的氟化锂(LiF)不仅能够降低SnO₂-PC/CNT-LiF电极的电荷转移电阻,而且还能补充SEI膜形成时消耗的Li+,降低不可逆容量,增强SEI膜的稳定性。研究表明,SnO₂-PC/CNT-LiF电极在电流密度为100 mA·g^-1时,首次可逆比容量达到1642.98 mAh·g^-1,活性物质的利用率高达90.12%,循环100次后,放电比容量仍然达到745.11 mAh·g^-1,且库仑效率仍然保持在95.1%以上,显示出优异的倍率和循环性能。     

Nd2Fe14B/PANI磁粉的合成、表征及氧传递作用

经球磨和原位聚合法合成了Nd₂Fe₁₄B/PANI磁粉,采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、扫描电镜（SEM）、振动样品磁强计（VSM）对样品进行了表征,用电化学三电极体系和锌空电池考察了Nd₂Fe₁₄B/PANI材料在氧传递中的作用.结果表明:Nd₂Fe₁₄B/PANI是一维片状纳米材料,电导率0.54 S·cm^-1,内禀矫顽力和剩余磁化强度为149.57 kA·m^-1、20.27A·m²·kg^-1;Nd₂Fe₁₄B/PANI负载密度为0.40 mg·cm^-2时,磁性电极的双电层电容增大,传荷电阻减小,磁性锌空电池的极化电流较大;负载密度为3.60 mg·cm^-2时,磁性电极的双电层电容减小,传荷电阻增大,磁性锌空电池的极化电流较小.Nd₂Fe₁₄B/PANI负载密度小于0.89 mg·cm^-2时,微磁场促进氧的传质,提高锌空电池的放电性能;高于3.56 mg·cm^-2时,微磁场抑制氧的传质,降低锌空电池的放电性能;Nd₂Fe₁₄B/PANI中的PANI提高锌空电池的放电性能.     

类石墨烯类活性炭材料的简易合成及其在锂硫电池中的应用研究

锂硫电池由于具有较高的理论容量被视为一种最具发展潜力的储能装置. 然而,硫的利用率较低及循环寿命短等问题限制着其商业化进程. 本文通过一种简单易行的方法将三聚氰胺（C₃H₆N₆）和L半胱氨酸(C₃H₇NO₂S)碳化,制备出一种氮掺杂类石墨烯活性炭材料（NGC）. 该材料的类石墨烯结构能够有效抑制锂硫电池在充放电过程中产生的体积效应,以此提升其循环性能. 不仅如此,材料中含有的含氮官能团还可以促进离子转移,抑制多硫化物的溶解,进而提升硫的利用率. 其中,制备出的NGC-8/PS复合电极用于锂硫电池时在0.2 C的电流密度下初始容量为1164.1 mAh·g^-1,在经过400圈的充放电循环之后依然具有909.4 mAh·g^-1的比容量,每圈容量衰减仅为0.05%,甚至在2C的电流密度下也能达到820 mAh·g^-1的高比容量.     

碳包覆纳米SnO2中空纤维的制备及电容性能

采用同轴静电纺丝法制备了碳包覆纳米SnO₂中空纤维超级电容器电极材料.利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和比表面积分析仪(BET)对材料进行表征.结果表明,纤维呈现中空形貌,平均直径为1 μm; SnO₂颗粒均匀分布于碳壳结构中,平均粒径为3-15 nm.材料的比表面积为565 m²·g^-1.在三电极体系中,当电流密度为0.25 A·g^-1时,电极材料的比容量达397.5 F·g^-1;在1.0A·g^-1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的88%.在对称型双电极体系中,电流密度为0.25 A·g^-1时,电极材料的比容量达162.0 F·g^-1,在1.0 A·g^-1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的84%.     

LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2单晶的简易制备及其电化学性能

以Ni_0.6Co_0.2Mn_0.2(OH)₂和LiOH·H₂O为前驱体,在LiOH·H₂O不过量的条件下,采用简单的固相焙烧法,在910℃下制备出单晶LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)。所得材料无需水洗、烘干、退火等处理,可直接用于电极浆料的制备。电化学测试表明,所得NCM622单晶具有较高的比容量和优异的循环稳定性。在0.1C电流下的首次放电比容量达到181.2 mAh·g^-1,0.3C下的首次放电比容量为174.4 m Ah·g^-1。在0.3C的电流密度下,经过300次循环,放电比容量为150.7 mAh·g^-1,容量保持率为86.4%,经500次循环后,放电比容量仍有141.2 mAh·g^-1,容量保持率为81.0%。该电化学性能优于850℃下焙烧的多晶NCM...     

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.     

柔性复合织物电极Graphene/Cotton和MnO2/Graphene/Cotton的合成及在电化学电容器中的应用

通过热还原法成功地制备出了柔性复合织物电极石墨烯/棉布(graphene/cotton)。热还原条件对电极的导电性能具有较大的影响。导电柔性织物电极graphene/cotton特有的多级结构使其既有利于进一步负载膺电容材料,又有利于电子和电解质离子的传输与扩散。通过电化学沉积方法,利用导电柔性织物电极graphene/cotton进一步制备出了电极MnO₂/graphene/cotton。利用扫描电子显微镜(SEM),傅里叶变换红外(FTIR)光谱,四探针测试法等表征技术对电极的结构进行了较为详细的表征。结果表明电极MnO₂/graphene/cotton的比电容可以达到536 F·g^-1。良好的电化学性能和柔性使得此类电极在柔性储能材料应用中具有极大的应用前景。     

电/离子导体双包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2锂离子电池阴极材料及其电化学性能

高镍三元材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM)比容量高且成本低, 但材料结构在电化学循环过程中的不稳定性影响了其大规模的应用, 可采用表面包覆的策略来改善材料的结构稳定性, 从而提高其电化学性能. 本工作结合高速固相包覆法和高温烧结法, 分别将电子导体氧化锡锑(ATO)和锂离子导体偏磷酸锂(LOP)共同包覆在NCM材料表面. 双包覆后的NCM材料的电子电导率从2.17×10^-3 Ѕ•cm^-1提高至1.02×10^-2 Ѕ•cm^-1, 锂离子扩散系数也从7.05×10^-9 cm²•s^-1提高至2.88×10^-8 cm²•s^-1. 同时, NCM表面的双包覆层可以在循环过程中阻止电极材料与电解液发生氧化还原反应, 抑制材料不利相变, 减少氧的析出, 稳定材料结构. 电化学性能测试表明, 经过表面包覆后, NCM材料在1 C (180 mA•g^-1)的电流下和2.7~4.3 V (vs. Li/Li⁺)的电压范围内, 循环150周后容量为161.1 mAh•g^-1, 保持率为87.1%, 而在10 C的充放电倍率下具有133 mAh•g^-1的可逆比容量.     

微波诱导等离子体技术制备rGO@S复合正极及其在高倍率锂硫电池中的应用

锂硫电池具有高能量密度、低成本和环境友好等优势,有望满足市场日益增长的需求。然而,其正极材料中的活性物质硫存在溶解穿梭等问题,限制了锂硫电池的大规模应用。本文利用氧化石墨(GO)作为碳源、升华硫作为硫源,通过微波诱导等离子体技术(MIP)快速高效(30-40 s)地制备得到了还原氧化石墨烯负载硫纳米颗粒锂硫电池复合正极材料(rGO@S),其中,rGO褶皱卷曲、相互连接的层片状结构,有利于电解液中的锂离子向电极材料中扩散和迁移,同时有利于提高电极材料的导电性,且rGO上的含氧官能团也能够起到对硫纳米颗粒的固定作用,有利于电极材料循环稳定性的提升。得益于其独特的形貌结构,rGO@S在电池测试中表现出优异的倍率性能和良好的循环稳定性。在0.1 A·g^-1的电流密度下,rGO@S的可逆比容量为1036 mAh·g^-1,当电流密度增大到8 A·g^-1其可逆比容量仍高达832 mAh·g^-1,且经过8 A·g^-1的超大电流密度充放循环,当电流密度回到0.1 A·g^-1...     

壳聚糖基多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以胶态SiO₂纳米粒子为模板,壳聚糖为碳源,ZnCl₂为活化剂,制备了具有不同比表面积和孔体积的氮掺杂介孔碳。采用多种表征手段对碳材料的微观形貌、比表面积和孔道结构进行了表征,探究了壳聚糖与SiO₂纳米粒子的比例以及ZnCl₂活化剂对碳材料孔体积和比表面积的影响。结果表明,在未使用活化剂时碳材料(CSi-1.75)的孔体积高达4.53 cm³·g^-1,但其比表面积最小(729 m²·g^-1);使用ZnCl₂作为活化剂制备的碳材料(CSi-1.75-Zn)比表面积为1 032 m²·g^-1,但其孔体积下降到1.99 cm³·g^-1,且具有最多的吡啶氮和吡咯氮。在以6.0 mol·L^-1KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时,CSi-1.75...     

基于钴酸锂载体构筑高体积比容量硫基复合材料

锂-硫电池具有高的理论质量/体积能量密度,因而成为最具发展潜力的高比能二次电池体系. 然而,由于硫载体通常采用轻质的碳纳米材料,导致硫基复合材料的振实密度和体积比容量均偏低,制约了电池体积能量密度的提升. 本文尝试采用具有高密度特征的钴酸锂(LiCoO₂)作为硫的载体材料,以构筑高振实密度的硫基复合材料,进而提高硫正极的体积比容量. 研究显示,LiCoO₂对可溶性多硫化物具有较强的吸附作用,能够促进硫的电化学转化,因而提高了硫的活性物质利用率和循环稳定性. 同时,由于具有高的振实密度(1.90 g·cm^-3),S/LiCoO₂复合材料的首周体积比容量高达1750.5 mAh·cm^-3,是常规硫/碳复合材料的2.2倍. 因此,本文利用具有高密度特征的LiCoO₂作为硫载体来提升硫复合材料的体积比容量,有助于实现锂-硫电池的高体积能量密度.