基于转化反应机制的锂离子电池电极材料研究进展

基于转化反应机制实现储锂功能的电极材料的研究和开发是提高锂离子电池性能,尤其是其可逆循环容量的重要方法,对于锂离子电池未来的发展有着非常重要的意义。本文综述近年来基于转化反应机制实现储锂功能的锂离子电池电极材料的研究进展,介绍了转化反应机制等新概念,重点讨论了基于转化反应机制实现储锂功能的简单过渡金属化合物电极材料的电...     

MoS_2@Co_9S_8蛋黄壳复合材料的制备及其电化学性能

近年来,过渡金属硫化物已成为锂离子电池理想的负极材料之一。其中,MoS_2具有的独特二维层状结构使得其能够让Li+在电化学反应中可逆地嵌入和脱出,且拥有较高的理论储锂容量(670 m A·h/g)而受到广泛关注。但MoS_2作为典型的半导体材料,电导率低下且在锂离子嵌入-脱出的过程中会发生较大程度的体积收缩膨胀,所以具有较差的倍率性能和循环性能,限制了其商业化的使用。很多研究通过优化MoS_2结构或与其它导电材料复合来克服上述缺陷。Co_9S_8具有较高的电导率,但由于其迟缓的离子传输动力学表现出低的首次库仑效率及较差的循环稳定性,基于此,将MoS_2与Co_9S_8结合利用二者协同效应来提高复合材料的电化学性能。本文采用溶剂热与气相沉积法制备得MoS_2@Co_9S_8蛋黄结构复合材料电极。MoS_2与Co_9S_8均匀分布于整个蛋黄壳结构,这有利于电子和锂离子的快速传输,从而有效地提升了电极的循环性能和倍率性能。其次,蛋黄壳的空穴有效缓解了在充放电过程中的体积膨胀,及其活性位点有效缩短了离子和电子的传输距离,提高了电极反应动力学并获得高比容量。MoS_2@Co_9S_8蛋黄壳复合物的循环性能与倍率性能在同等条件下均高于Co_9S_8和MoS_2,在电流密度为0.2 A/g下循环500圈后,放电容量仍能维持在631.5 m A·h/g。     

非水体系锂/钠离子电容器研究进展

将超级电容器和锂/钠离子电池进行"内部交叉",即在双电层电容器中加入锂/钠离子电池材料,或在锂/钠离子电池中添加以双电层储能的活性炭电极材料,将两者的优点有机结合于一体,构筑锂/钠离子混合电容器,已引起了广泛的研究和开发.本文对锂/钠离子电容器的工作原理、发展状况、瓶颈问题和改进方法进行了简要介绍,结合近几年的文献报道,按照电极材料的类别,重点对比评述了同一类电极材料的储锂/钠性能及对应的锂/钠离子电容器的主要研究结果.钠离子的半径较大,导致同一电极材料在有机钠盐电解液中的初始比容量和倍率性能低于其在有机锂盐电解液中的性能.通过开发具有大层间距、分级多孔、表面掺杂、3D结构或多组分复合结构来提高电容型多孔炭材料的比容量,以及构筑特殊形貌(纳米片/棒、同轴纳米电缆、核壳、海胆、中空等)、金属掺杂、二元或三元复合结构来提高储锂/钠电极材料的动力学特性,可弥补正负电极储能容量和动力学的差异,从而实现高的能量密度、功率密度和长循环稳定性.最后,本文还对锂/钠离子电容器的发展进行了总结和展望.     

石墨烯包裹Cu2+1O/Cu复合材料的制备及其储锂性能

半导体的能级结构和金属-半导体异质结的结构及性质对金属-半导体复合材料的导电性能具有重要影响.优化半导体相的能级结构和金属-半导体接触界面的势垒是增强金属-半导体型复合电极材料导电能力,提高复合电极材料储锂性能的重要途径.采用水热反应-原位热还原法制备石墨烯包覆Cu2+1O/Cu复合材料.根据SEM和XRD研究结果,Cu2+1O(金属过剩型Cu2O)和Cu复合体被均匀包裹在柔性石墨烯层中.充放电结果表明,石墨烯包裹Cu2+1O/Cu复合材料电极具有较高的充放电容量和优异的循环性能,50 mA g-1充放电的首周充电和放电比容量分别为773和438 mA h g-1,60周的容量保持率为84%;同时也具有很好的倍率性能,表明石墨烯包裹Cu2+1O/Cu复合材料具有良好的金属-半导体异质结界面的结构和优异的导电性能.     

WO_3纳米棒/石墨烯复合材料的制备及电化学储锂性能

以氯化钨和氧化石墨烯(GO)为原料,乙醇为溶剂,一步合成了WO3纳米棒/石墨烯纳米复合材料(WO3/RGO).将WO3/RGO纳米复合材料用于锂离子电池负极,并通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)技术综合考察了该材料的储锂性能.结果显示,在0.1C(1C=638 mA?g-1)倍率下,复合物的首次放电比容量达到761.4 mAh?g-1,100次循环后可逆容量仍保持在635 mAh?g-1,保持率为83.4%.即使在5C倍率下容量仍高达460 mAh?g-1.由此说明,WO3/RGO纳米复合物具有优异的循环稳定性及倍率性能,可望用于高性能锂离子电池.     

吡咯-(3,4-乙烯二氧噻吩)共聚物有序纳米阵列薄膜的制备及表征

采用阳极氧化铝(AAO)模板电化学沉积方法, 合成了1种新型吡咯-(3,4-乙烯二氧噻吩)(PE)共聚物纳米线阵列薄膜, 作为锂离子电池电极材料, 其表现出较高的比容量(1426.1 mA·h/g, 充放电电流密度为100 mA/g)和很好的循环稳定性(在充放电循环300圈之后, 比容量仍然保持在1400 mA·h/g以上). 这种多组分共聚物纳米线阵列有可能成为下一代长寿命、 高性能的锂离子电池电极材料而被广泛开发.     

Ge/GeO_2/多层石墨纳米复合物锂离子电池负极材料性能研究

由于其高容量、快速锂离子扩散速率和高电导性的优点,锗被认为是一种非常有前景的锂离子电池负极材料.本研究利用GeO2和石墨作为前驱体,通过水热法制备Ge/GeO_2/多层石墨复合物并将其应用于锂离子电池负极材料进行电化学性能研究.实验结果表明,Ge/GeO2纳米粒子的粒径约为40 nm.该复合物电极的第一次充放电容量分别是2045和1146 mA h g.1,库仑效率为56.0%.50圈充放电循环后,当电压范围为0.01~1.50 V时,容量保持在1008 mAhg~(-1).倍率实验表明,该电极在1C(1C=1000mAg~(-1))和2 C倍率大电流下,虽然容量略有衰减,但仍保持790和710 mAhg~(-1)的高容量.     

聚吡咯/蒽醌-2-磺酸盐复合体系的制备及其在锂离子电池中的应用

以苯酐为起始原料,采用改进的苯酐法及磺化方法,首先通过硫酸氧化合成蒽醌,再通过发烟硫酸磺化在蒽醌的侧位上引入磺酸根,从而制备了含有电子转移活性的可溶于水的高纯度蒽醌-2-磺酸盐,然后通过电化学聚合反应在集流体上原位得到聚吡咯复合材料(PPy/AQS).最后,将得到的PPy/AQS复合材料作为锂离子电池的有机电极材料,在常规的有机电解液中形成稳定的电池体系,具备储存和释放锂离子的能力,具有良好的充放电性能及循环稳定性.     

三维交联石墨烯纳米纤维的合成及储锂性能

以氧化石墨烯为原料, 高温下自组装得到高结晶的三维交联石墨烯纳米纤维. 扫描电子显微镜和透射电子显微镜观测结果表明, 三维石墨烯纳米纤维为实心结构, 直径小于100 nm, 石墨烯片层有序排列卷曲, 具有较高的结晶度. 电化学性能研究结果表明, 该纳米纤维作为锂离子电池负极材料时, 展现出较高的首次库仑效率(72.4%)与储锂容量(0.1C倍率下容量为692.7 mA·h/g)、 良好的倍率性能(20C倍率下容量为373.3 mA·h/g)及优异的循环稳定性(1000次循环后容量保持率为84.1%).     

基于软X射线光谱的锂电池材料的电子结构与演变的研究进展

开发新型高能量密度以及低成本的锂离子电池, 是有效应对能源危机和环境挑战的可行路径之一. 锂离子电池材料的电子结构与电子态的演化决定了材料诸多本征性质以及电池综合性能. 探测并操控电极材料电子态的演化对探求电极反应的物理机理、 促进电池材料发展具有重要意义. 基于同步辐射的软X射线光谱技术可以直接探测费米能级附近的电子态. 本文从阴阳离子氧化还原反应的不同角度对利用软X射线光谱对电子态演变的研究进行了总结, 获得了电极材料电化学循环过程中过渡金属与氧的电子态演化信息, 系统阐述并总结了不同锂离子电池材料中电子态的演化以及氧化还原反应机理的最新研究进展.