晶态Li_4Ti_5O_(12)负极材料的制备及其与电解液的兼容性研究

本文以醋酸锂和钛酸丁酯为原料,以冰醋酸为抑制剂,采用溶胶-凝胶法制备了晶态Li4Ti5O12负极材料。与自制的3种电解液和实验室常用的电解液分别组装成锂/钛酸锂半电池。采用恒流充放电测试、循环伏安法(CV)及交流阻抗法(EIS)对其电化学性能进行研究。研究结果发现:在以环状碳酸酯类(EC、PC)和线性碳酸酯类(MEC)为溶剂、以六氟磷酸锂(LiPF6)为电解质的电解液中添加双乙二酸硼酸锂(LiBOB),有利于提高半电池的性能,首次放电比电容达到了198mA.h.g-1,且放电比电容经多次充放电后衰减得较小。而在电解液中加入碳酸亚乙烯酯(VC),半电池的性能有所下降。Li4Ti5O12对电解液表现出较明显的兼容性。     

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.     

五种1-烷基-2,3-二甲基咪唑型离子液体的合成及作为Li/LiFeO_4电池电解液的研究

合成了五种新的1-烷基-2,3-二甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺离子液体(alkyl-DMimTFSI).以离子液体作为Li/LiFeO4电池电解液,分别考察不同烷基(正丁基、正戊基、正辛基、异辛基和正癸基)对电解液理化性质、界面性质和电池行为的影响.结果表明离子液体的电化学窗口都可以达到5.6V(-0.4～5.2Vvs.Li+/Li),显示它们具有较好的电化学稳定性.加入碳酸亚乙烯酯作为添加剂后,离子液体电解液在Li负极形成稳定的固体电解质相界面膜(SEI),从而提高了Li负极的稳定性,保护了Li片不受腐蚀.电化学阻抗和循环伏安分析进一步揭示LiFeO4正极与离子液体电解液也有良好的兼容性.此外,研究还表明离子液体中烷基种类严重影响它们的电池行为.采用butyl-DMimTFSI和amyl-DMimTFSI电解液体系的电池充放电容量和可逆性明显优于另外三种离子液体,它们的首次放电容量分别达到145和152.6mAh/g,并表现出良好的充放电循环性能.因粘度最大,采用isooctyl-DMimTFSI电解液的电池首次放电容量仅为8.3mAh/g,但添加碳酸丙烯酯(质量比1∶1)稀释后首次放电容量上升至132.4mAh/g.     

锂空气电池研究述评

由于锂空气电池具有很高的理论能量密度因而引起了广泛关注和研究。本文较为全面地论述了各种电解质体系中的锂空气电池的进展,包括:有机体系、水体系、离子液体体系、有机-水双电解质体系和全固态体系的锂空气电池;详细阐述和归纳了它们的工作原理和最新研究现状。对最新提出的锂-空气-超级电容电池的原理和特点进行了较详细的论述。结合氧气在有机电解质中的电化学还原行为指出单一有机电解质锂空气电池存在的问题以及可能的解决办法;同时展示了这类电池中空气电极催化剂的发展现状。结合双电解质锂空气电池、固态电解质锂空气电池、锂-空气-超级电容电池的结构阐述了它们各自的优缺点。本文还展示了一些可望用于单一有机电解质锂空电池、有机-水双电解质体系锂空电池的新型碳材料。最后对锂空气电池的研究发展进行了总结与展望,提出新型电解液、催化剂以及改进锂空气电池构造将会成为今后的发展趋势。     

锂硫电池电解质研究进展

锂硫电池由于其高能量密度(理论高达2600 Wh/kg)、低成本、环境友好等优点而广受关注. 但是锂硫电池仍存在正极活性物质利用率低、循环性能差等问题. 造成这些问题的主要原因是易溶于有机电解液的中间产物聚硫锂Li₂S_n (4≤n≤8)和不溶于有机电解液的硫化锂造成的. 简要介绍了锂硫电池体系的主要问题,并结合本研究小组的研究,对锂硫电池用电解质体系从有机电解液组成、电解液添加剂、聚合物电解质和无机固体电解质等方面进行了详细的综述,最后对电解质的发展前景进行了展望.     

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.     

新型锂盐LiBC2O4F2在EC＋DMC溶剂中的电化学行为

采用差热-热重(TG-DTA)、恒电流充放电和交流阻抗(EIS)分析了二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的热稳定性,研究了LiODFB/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)电解液的电化学性能及界而特征.实验结果表明,LiODFB不仅具有更高的热稳定性,而且在EC+DMC溶剂中具有较好的电化学性能.与使用LiPF6/EC+DMC的电解液相比,锂离子电池应用LiODFB基电解液在55℃的高温具有更好的容量保持能力;以0.5C、1C(1C=250 mA·g-1)倍率循环放电,两种电池间的倍率性能差别较小;LiODFB能够在1.5 V(vs Li/Li+)左右在石墨电极表面还原形成一个优异稳定的保护性固体电解质相界面膜(SEI膜);交流阻抗表明,使用LiODFB基电解液的锂离子电池仅具有稍微增加的界面阻抗.因此LiODFB是一种非常有希望替代LiPF6用作锂离子电池的新盐.     

新型锂盐LiBC2O4F2在EC+DMC溶剂中的电化学行为

采用差热-热重(TG-DTA)、恒电流充放电和交流阻抗(EIS)分析了二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的热稳定性, 研究了LiODFB/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)电解液的电化学性能及界面特征. 实验结果表明, LiODFB不仅具有更高的热稳定性, 而且在EC+DMC溶剂中具有较好的电化学性能. 与使用LiPF6/EC+DMC的电解液相比, 锂离子电池应用LiODFB基电解液在55 ℃的高温具有更好的容量保持能力; 以0.5C、1C(1C=250 mA·g-1)倍率循环放电, 两种电池间的倍率性能差别较小; LiODFB能够在1.5 V(vs Li/Li+)左右在石墨电极表面还原形成一个优异稳定的保护性固体电解质相界面膜(SEI膜); 交流阻抗表明, 使用LiODFB基电解液的锂离子电池仅具有稍微增加的界面阻抗. 因此LiODFB是一种非常有希望替代LiPF6用作锂离子电池的新盐.     

固态聚合物电解质的锂离子传导机理与研究进展

锂离子电池(lithiumionbatteries,LIBs)在储能领域已取得了巨大的成功.然而,商用LIBs含有高挥发性易燃有机电解液,使其存在严重的安全隐患.固态聚合物电解质具有解决相应安全性问题的潜力,有望成为下一代高安全性全固态LIBs的电解质材料.然而,固态聚合物电解质存在离子电导率不高等问题,限制了其在固态LIBs中的实际应用.研究者们为了提高该类电解质的离子电导率、锂离子迁移数等综合电化学性能,已在寻找新锂盐、对聚合物进行改性以及向聚合物电解质中添加填料等方面进行了较多的研究.本文简要概述了固态聚合物电解质的锂离子传导机理以及在提高固态聚合物电解质综合电化学性能方面的研究进展.     

锂-空气电池性能的影响因素及研究进展

锂-空气电池理论比能量高达3622 Wh·kg^-1(设阴极还原产物为Li₂O₂), 远超过目前已有的任何电池, 有希望成为新一代的二次电池. 然而, 目前其实用化研究还处于探索阶段, 在其商用之前还有许多工作要做. 对影响锂-空气电池性能的因素以及近期的研究进展进行综述, 总结了阴极材料的组成和微观结构、电解质的种类及组成、阴极疏水膜、电池结构设计、电池的组装及充、放电的工艺过程等对电池比能量、比容量以及循环性能等的影响, 概述了锂-空气电池的表征手段, 并对锂-空气电池的应用前景进行了展望.     

用于锂离子电池的聚合物电解质

本文主要依据最近5年来的相关文献，综述了锂离子电池用的聚合物电解质的研究进展。     

基于有机和组合电解液的锂空气电池研究进展

发展纯电动汽车与混合动力汽车是解决能源危机与环境问题的有效途径,这对新能源材料及储能设备提出了更高的要求. 其中以金属锂作为负极、以空气中的氧气作为正极活性物质组成的锂-空气二次电池具有很高的理论比能量,因在纯电动汽车、混合动力汽车方面有很好的应用前景而受到人们的广泛关注. 根据工作环境及介质条件,目前研究最多的锂-空气电池主要包括有机电解液、有机-水组合电解液及全固态电解质三种类型. 由于锂-空气电池的发展历史较短,目前仍处于起步阶段,在电池的正极、负极、电解液（质）及综合性能等方面均存在诸多的困难与挑战. 本文从作者课题组对有机电解液及组合电解液型锂-空气电池方面的研究出发,旨在向读者简单介绍锂-空气电池的发展历史,研究现状及未来努力的方向.     

全固态锂离子电池的研究及产业化前景

全固态锂离子电池具有安全性能高、能量密度大、工作温度区间广等优点, 是锂离子电池领域的研究热点. 固体电解质的开发是全固态锂离子电池实现应用的先决条件, 目前国内外研究比较广泛、应用前景较好的固体电解质主要有聚氧乙烯及其衍生物体系的聚合物电解质、LiPON薄膜电解质以及玻璃态硫化物体系的无机电解质三种. 近两年,在固体电解质的研究已取得很大进展的基础上, 人们正在将研究重点转向全固态电池结构设计及生产技术上, 并不断有样品电池面世. 本文从固体电解质的发展历史、最新研究进展、电池生产技术以及产业化应用前景这几个方面, 分别对以上三种体系的电解质及其电池进行综述, 以探索全固态锂离子电池的商品化前景.     

基于PEO的复合聚合物电解质的研究进展

从填料对聚合物电解质性能的影响、复合聚合物电解质性能的影响因素、聚合物电解质的结构和复合聚合物电解质的应用四方面综述了基于聚氧化乙烯（PEO）的复合聚合物电解质研究的最新进展。聚合物中加入纳米级无机填料可提高聚合物电解质的机械强度、电导率和锂／电解质界面的稳定性。     

“Water-in-salt”聚合物电解质制备及其电化学性能研究

为提高柔性锂离子电池安全性和循环稳定性能,本实验以自由基聚合结合冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜为电解质载体,引入21 mol·kg^-1 LiTFSI 高浓度电解液,得到“water-in-salt”聚合物电解质。通过聚合物膜的形貌和孔道结构表征,红外光谱分析,离子电导率及电化学稳定窗口测试等对其基本物化特性进行了研究。冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜内部具有大量微孔结构,有利于电解液的载入。将该吸附了电解液的聚合物电解质膜与锰酸锂(LiMn₂O₄)正极和磷酸钛锂(LiTi₂(PO₄)₃)负极组装全电池进行充放电性能测试。结果表明,制得的柔性聚合物电解质具有良好的拉伸性能,高离子电导率(20°C,4.34 mS·cm^-1)和宽电化学稳定窗口(3.12 V)。以“water-in-salt”聚合物电解质为隔膜组装的LiMn₂O₄||LiTi₂(PO₄)₃ 全电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性。     

Challenges and Development of Composite Solid Electrolytes for All-solid-state Lithium Batteries

All-solid-state lithium batteries are considered to be a new battery system with great development potential and application prospects due to the advantages of high energy density and high security.As a key component of all-solid-state lithium batteries,the development of solid-state electrolytes has received extensive attention in recent years,but most solid electrolytes still exhibit problems,such as low ion conductivity and poor interface compatibility.The design of composite solid-state electrolyte materials with both excellent electrochemical and mechanical properties is an effective way to develop all-solid-state lithium batteries.This review introduces different types of pure component solid electrolytes and analyzes their respective advantages and characteristics firstly.Furthermore,the research progress of composite electrolytes in preparation method,ionic conduction,suppression of lithium dendrites,and the improvement of electrochemical performances are reviewed from the perspective of composite electrolyte structure design,which is to meet different performance requirements.And the future development direction and trend of composite electrolytes are prospected.     

TiO2 nanotubes fabricated by electrochemical anodization in molten o-H3PO4-based electrolyte: Properties and applications

Self-organized TiO₂ nanotubes (NTs) can be formed by electrochemical anodization. Anodization is generally performed in aqueous or organic electrolytes containing halogen ions, such as Cl⁻ and F⁻. However, these electrolytes lead to less ordered structures or carbon remnants, thus suppressing the electrical properties and limiting the applications. To overcome these limitations, new anodization approaches were performed in carbon-free electrolyte-based electrolyte. In this review, we summarizes the short history of TiO₂ NTs, general mechanisms of growing NTs, properties, and applications of classic TiO₂ NTs. Then, a new-generation of anodization approach conducted in molten orhto-phosphoric acid is elucidated based on anodization parameters, concluding the optimized condition to form highly ordered TiO₂ NT arrays. Finally, the review addresses further modifications such as heat-treatment, noble metal deposition, thermal dewetting, and double anodization to enhance the optical and electrical properties for use in various applications.     

Synthesis and electrochemistry of polymer based electrolytes for lithium batteries

An overview is presented on the development of improved polymer based electrolytes during the past years. The emphasis lies on new approaches regarding chemical concepts that achieve a higher total conductivity and lithium transference number as well as an increased electrochemical, mechanical and thermal stability. With respect to the polymer chemistry, the focus is laid on siloxane and phosphazene derived systems. Topics are the chemical modification of the polymeric, cyclic and low molecular derivates of these systems, the formation of stable membranes from these by suitable cross-linking strategies and an extensive electrochemical characterization in corresponding lithium cells. Recent trends towards composite and hybrid materials are illustrated with examples and newly developed hybrid electrolytes. A particular chance for improvements comes from the design and use of stable small molecular additives in combination with optimized and electrochemically stable polymer networks. Special compounds are introduced which may act themselves as novel solvents with increased electrochemical stabilities. The relevance of chosen lithium salts for polymer electrolytes is discussed, too, and a new family of pyrazolide anions is introduced. In all cases, the electrochemical performance has been characterized by standard experimental techniques.     

Integrated lithium metal anode protected by composite solid electrolyte film enables stable quasi-solid-state lithium metal batteries

Lithium (Li) metal, possessing an extremely high theoretical specific capacity (3860 mAh/g) and the most negative electrode potential (−3.040 V vs. standard hydrogen electrode), is one the most favorable anode materials for future high-energy-density batteries. However, the poor cyclability and safety issues induced by extremely unstable interfaces of traditional liquid Li metal batteries have limited their practical applications. Herein, a quasi-solid battery is constructed to offer superior interfacial stability as well as excellent interfacial contact by the incorporation of Li@composite solid electrolyte integrated electrode and a limited amount of liquid electrolyte (7.5 μL/cm²). By combining the inorganic garnet Al-doped Li_6.75La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂ (LLZO) with high mechanical strength and ionic conductivity and the organic ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) with good flexibility, the composite solid electrolyte film could provide sufficient ion channels, sustained interfacial contact and good mechanical stability at the anode side, which significantly alleviates the thermodynamic corrosion and safety problems induced by liquid electrolytes. This innovative and facile quasi-solid strategy is aimed to promote the intrinsic safety and stability of working Li metal anode, shedding light on the development of next-generation high-performance Li metal batteries.