锂硫（硒）电池中的界面问题与解决途径

由于硫（硒）的导电性差、多硫（硒）化物的溶解、硫（硒）的体积膨胀、锂枝晶等问题,导致构建稳定的界面成为锂硫（硒）电池面临的重大挑战. 本文介绍了锂硫（硒）电池的研究进展,并以本课题组的研究工作为主,着重讨论了纳米限域效应、化学成键、界面吸附、表面包覆、电解液优化、负极改进等技术方案在锂硫（硒）电池中构建稳定界面的可行性.     

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...     

锂硫电池中的催化作用:材料与表征

锂硫电池是高能量密度储能体系的重要发展方向, 但其本征的“固-液-固”转化过程缓慢, 穿梭效应的存在使其循环寿命和能量密度远低于理论值. 如何加速硫的可逆反应成为实现锂硫电池变革性突破的关键. 近年来, 催化过程在锂硫电池研究中崭露头角, 高效催化剂的引入能够降低硫转化的势垒, 加速“固-液-固”转化进程, 提高硫的利用率, 从“准源头”上降低穿梭效应发生的概率, 减少电解液需求量, 提升锂硫电池整体性能. 本文综合评述了锂硫电池中高效催化材料的研究进展, 提出原位表征技术对催化机理研究的重要性和紧迫性, 并对锂硫电池未来的技术发展趋势进行了展望.     

高能量密度锂二次电池电极材料研究进展

锂离子电池是目前广泛应用的高能量密度小型二次电池,但随着其应用领域突飞猛进的发展,迫切需要进一步提高其能量密度.本文介绍了近年来高能量密度锂离子电池正、负极材料及新型高能量密度锂二次电池体系方面的研究进展;结合本实验室的研究工作,着重介绍了高容量正、负极材料的选择、微纳结构设计、表面包覆和合成策略;讨论了锂硫电池、锂空气电池等高比能金属锂二次电池的未来发展方向.     

NASICON结构正极材料用于钠离子电池的研究进展

随着二次电池技术的迅速发展,锂离子电池(LIBs)已经成为了当今社会一种重要的储能装置。然而,地壳中锂资源有限、含锂化合物价格昂贵,因此科研工作者正在积极寻找LIBs的替代品。钠离子电池(SIBs)具有与LIBs相似的工作原理,且钠元素在地球上储量更丰富更均匀、价格更低廉,使得SIBs成为了最有希望替代LIBs的新型二次电池体系之一。不过,钠离子半径较大、充放电过程中电极材料的不可逆性更明显等缺点,明显地增加了开发高性能SIBs的难度。因此,寻找具有优异性能的电极材料,成为了当前SIBs研究的难点和重点。钠超离子导体(NASICON)结构材料是一类具有超快钠离子传导能力的化合物,在脱/嵌钠过程中具有离子传导率高、结构稳定等优点,表现出明显的应用潜力。本文将在介绍NASICON材料晶体结构的基础上,重点从过渡金属种类与个数,以及阴离子调控的角度,总结其研究进展,并分析了该类材料面临的主要问题和挑战。     

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.     

高安全、高比能固态锂硫电池电解质

锂硫电池具有理论能量密度高、成本低廉和环境友好等优点,是最有前途的下一代高比能二次电池系统之一。当前,基于有机电解液的液态锂硫电池存在多硫化锂穿梭效应、电解液易燃以及锂枝晶等问题,致使电池的库仑效率低、循环性能差,且存在严重的安全隐患。采用固态电解质(如凝胶聚合物、固态聚合物、陶瓷、复合电解质等)替代有机电解液是解决上述问题的有效途径。本文总结了近年来固态锂硫电池电解质的研究现状,评述了各类固态电解质的优缺点及改性策略,重点介绍了陶瓷固态电解质的研究进展。最后,对固态锂硫电池的未来发展趋势进行预测与展望。     

二次电池用局部高浓度电解质的研究进展与展望

电解质作为二次电池离子传导的重要介质,对于提升二次电池循环稳定性能、安全性能等方面起着至关重要的作用.局部高浓度电解质是指在高浓度电解质中加入“稀释剂”,形成盐的局部高浓度状态,既能兼具高浓度电解质的优异特性,又具有低成本和优良润湿性的特点,应用前景非常广阔.近几年,局部高浓度电解质在阻燃锂金属电池、高电压锂电池、低温锂电池、锂硫电池和钠电池等多方面应用广泛,且展现出非常好的使用效果.本综述重点从局部高浓度电解质的功能性应用角度出发,详细阐述了局部高浓度电解质的类型、制备、作用机理及其在不同二次电池中的功能性应用进展和主要研究现状,文末还对局部高浓度电解质的未来可能发展趋势进行了分析与展望.     

过渡金属及其化合物应用于锂硫电池的研究进展

锂硫电池因具有高理论比容量和性价比,被认为是具有发展潜力的新型二次电池。 但是,作为活性物质的单质硫和反应产物是电子绝缘体,充放电过程的中间产物多硫化锂在电解液中易于溶解和迁移引起“穿梭效应”和一系列的副反应,造成活性物质利用率低,电池的电化学稳定性变差。 本文综述了近年来过渡金属纳米材料应用于锂硫电池的研究进展,重点介绍了材料的合成方法以及其抑制多硫化锂溶解并促进其转化的反应机理,并对锂硫电池正极载体材料的发展方向进行了展望。     

化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

自从我们课题组在2011年首次报道化学改性碳用于锂硫电池以来,其在锂硫电池中的应用便引起了人们的广泛关注。与传统碳质材料相比,化学改性碳在抑制多硫离子的溶解和扩散,实现锂硫电池长循环寿命方面展现出了其独特的优势和前景,已成为当前锂硫电池领域研究的热点和前沿。本综述主要报道了本课题组在化学改性碳高效利用硫材料以及其与多硫离子的化学和物理吸附协同作用高效固硫方面所取得的研究进展,系统介绍了不同化学改性碳的结构特点、优势及在锂硫电池中的应用,展望了化学改性碳在锂硫电池中的应用前景。     

锂离子电池隔膜的功能化改性及表征技术

随着锂离子电池在动力和规模化储能等新能源领域应用的不断拓展,具有特殊功能且满足特定使用需求隔膜的设计准则、制备/改性方法及表征技术亟需系统深入研究。针对锂离子电池高性能和高安全性的要求,研究人员已通过结构设计和表面化学改性等策略优化了隔膜的本征特性,并通过系列表征技术探讨了隔膜的功能化改性对锂离子电池电化学性能的影响。基于以上背景,本文从离子传输、枝晶形核与生长、及安全性能三个方面详细探讨了隔膜对电池性能影响的关键因素及其改性方法,并系统总结了隔膜结构、物化特性、力学性能、热学性能以及电化学性能的表征技术,以期为功能隔膜的合理设计,从而优化锂离子电池性能提供理论和实践指导。同时,本文对隔膜未来的进一步研究和发展提出了展望。     

有机硫化合物在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有理论能量密度高、环境友好和成本低等优点,有望成为替代锂离子电池的新一代储能系统。然而,锂硫电池充放电产物的绝缘性、可溶性多硫化锂的穿梭效应、硫正极体积膨胀及锂枝晶的不可控生长,严重影响了锂硫电池的实际容量发挥和循环稳定性。为解决上述问题,采用有机硫化合物来替代单质硫作为正极材料是有前途的策略。调控有机硫化合物的硫链、碳链及其相互作用,可改变其电化学反应过程,提高离子/电子电导,抑制穿梭效应。有机硫化合物作为电解液添加剂,可调控硫正极的反应过程并保护金属锂负极,作为聚合物电解质的改性链段可加速锂离子传导。本综述对有机硫化合物在锂硫电池的正极、电解液添加剂和固态电解质中的应用研究进展进行详细的阐述。将有机硫化合物的结构、反应机理和电化学性质联系起来,为解决锂硫电池存在的问题提供见解。最后,提出高性能有机硫化合物的设计合成和机理研究思路,以期实现可实用化的锂硫电池。     

锂-空气电池的实用化之路：规避二氧化碳负面效应

与其他的锂电池体系相比,锂-空气电池具有最高的理论比能量,被认为有潜力成为终极能量转换和储存装置。目前的锂-空气电池常常使用气体钢瓶提供纯氧气,而非空气中的氧气,这种电池设计极大降低了锂-空气电池的能量密度和实用性。然而,当空气作为锂-空气电池的氧气供给源时,二氧化碳作为杂质会引起严重的副反应,从而降低锂-空气电池的性能。要解决二氧化碳引起的副反应,理解其反应机制至关重要。本文综述了锂-空气电池中有关二氧化碳诱发的化学/电化学反应的研究进展; 总结了可缓解二氧化碳负面效应的有效策略。此外,对二氧化碳选透膜材料和分离技术用于锂-空气电池进行了展望。     

石墨烯嵌锂的拉曼成像

锂离子电池由于具有高能量密度,高循环寿命,低自放电率的优势,成为当前使用最为广泛的储能器件。层状材料是极为常用的负极材料,其微观嵌锂行为的研究对提高电池的能量密度和循环寿命有重要意义。本工作发展了一种新的平板微电池结构,可用于研究锂离子在各类二维层状纳米材料中的嵌锂行为。我们用机械剥离的单片少层石墨烯为正极,热蒸镀的锂金属为负极,构成石墨烯电池,用恒电压放电的方法进行嵌锂测试。采用拉曼成像技术收集石墨烯G峰信号的空间分布,实现对锂的嵌入过程的显微观测。发现了锂在石墨烯中沿层间扩散迁移,以及石墨烯断层对锂扩散的阻碍作用。这些结果有助于理解放电时锂在石墨烯电极中扩散过程,并且这项研究开发的平板微电池结构可用于多种材料的电化学过程中的微观过程表征,同时可实现与光学、电学、电子显微学等多种表征手段的兼容,具有较好的应用前景。     

电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na⁺的去除与Cl^-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl^-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。     

碱性电解液中K3[Fe(CN)6]在锌阳极上的自发还原和吸附延长锌镍电池的循环寿命

In view of the continuously worsening environmental problems, fossil fuels will not be able to support the development of human life in the future. Hence, it is of great importance to work on the efficient utilization of cleaner energy resources. In this case, cheap, reliable, and eco-friendly grid-scale energy storage systems can play a key role in optimizing our energy usage. When compared with lithium-ion and lead-acid batteries, the excellent safety, environmental benignity, and low toxicity of aqueous Zn-based batteries make them competitive in the context of large-scale energy storage. Among the various Zn-based batteries, due to a high open-circuit voltage and excellent rate performance, Zn-Ni batteries have great potential in practical applications. Nevertheless, the intrinsic obstacles associated with the use of Zn anodes in alkaline electrolytes, such as dendrite, shape change, passivation, and corrosion, limit their commercial application. Hence, we have focused our current efforts on inhibiting the corrosion and dissolution of Zn species. Based on a previous study from our research group, the failure of the Zn-Ni battery was caused by the shape change of the Zn anode, which stemmed from the dissolution of Zn and uneven current distribution on the anode. Therefore, for the current study, we selected K₃[Fe(CN)₆] as an electrolyte additive that would help minimize the corrosion and dissolution of the Zn anode. In the alkaline electrolyte, [Fe(CN)₆]^3– was reduced to [Fe(CN)₆]^4– by the metallic Zn present in the Zn-Ni battery. Owing to its low solubility in the electrolyte, K₄[Fe(CN)₆] adhered to the active Zn anode, thereby inhibiting the aggregation and corrosion of Zn. Ultimately, the shape change of the anode was effectively eliminated, which improved the cycling life of the Zn-Ni battery by more than three times (i.e., from 124 cycles to more than 423 cycles). As for capacity retention, the Zn-Ni battery with the pristine electrolyte only exhibited 40% capacity retention after 85 cycles, while the Zn-Ni battery with the modified electrolyte (i.e., containing K₃[Fe(CN)₆]) showed 72% capacity retention. Moreover, unlike conventional organic additives that increase electrode polarization, the addition of K₃[Fe(CN)₆] not only significantly reduced the charge-transfer resistance in a simplified three-electrode system, but also improved the discharge capacity and rate performance of the Zn-Ni battery. Importantly, considering that this strategy was easy to achieve and minimized additional costs, K₃[Fe(CN)₆], as an electrolyte additive with almost no negative effect, has tremendous potential in commercial Zn-Ni batteries.     

碱性电解液中K3[Fe(CN)6]在锌阳极上的自发还原和吸附延长锌镍电池的循环寿命

采用K₃[Fe(CN)₆]作为锌镍电池的电解液添加剂,克服了锌阳极的变形。此外,通过一系列实验设计和表征,探索了电解液中金属锌与K₃[Fe(CN)₆]的反应机理。通过XRD (X-ray diffraction)和XPS (X-ray photo-electron spectroscopy)测试,我们发现金属锌在KOH水溶液中能够与K₃[Fe(CN)₆]反应,将[Fe(CN)₆]^3–还原为[Fe(CN)₆]⁴⁻。添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池实现了更长的循环寿命,比不添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池长3倍以上。在相同循环次数下,改性电解质中锌阳极循环不仅形状变化较小,而且没有出现“死”锌现象,电极添加剂和粘结剂也没有发生偏析。此外,不同于一般的有机添加剂,K₃[Fe(CN)₆]的加入不仅不会增大电极的极化,还能够提高锌镍电池的放电容量和倍率性能。因此,考虑到这一改性策略有着较高的可行性和较低的成本,K₃[Fe(CN)₆]添加剂在锌镍电池的实际应用中具有极大的推广潜力。     

原位透射电镜研究正交相五氧化二铌纳米片的电化学储钠机制

由于正交相五氧化二铌(T-Nb₂O₅)为ReO₃型层状结构,锂、钠离子可以在其(001)平面快速脱嵌,而在[001]方向的传输一般较难。本研究通过原位透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)方法研究钠在T-Nb₂O₅纳米片(001)面内及[001]方向的钠离子电化学嵌入行为,发现由于纳米片晶体存在大量的位错和畴界,钠离子可通过这些缺陷穿越(001)面扩散,并进而在深层的(001)面内快速扩散。同时,本研究还发现刚合成的T-Nb₂O₅纳米片在[001]方向上存在调制结构,存在交替分布的压应变和张应变区域,而钠离子的嵌入可以调节这些应变分布。     

氟代溶剂在锂金属电池中的应用

近年来，锂金属电池由于具有较高的能量密度而成为储能领域的研究热点。电解液作为锂金属电池的“血液”发挥着至关重要的作用。在传统锂离子电池电解液中，锂金属负极与电解液之间的界面副反应严重并伴随着锂枝晶生长，从而导致安全隐患以及循环寿命缩短等问题。在解决锂金属负极问题上，电解液调控策略具有易操作性和有效性，因而在推动锂金属电池发展方面具有举足轻重的地位。氟代电解液是目前重要的研究方向，氟代电解液在循环过程中能够在电极表面形成富含LiF的固体电解质界面膜(SEI)；该界面膜不仅可以有效抑制负极锂枝晶的形成，并且在正极方面能够大幅提高电解液的氧化稳定性，从而提升高电压正极的适配性和锂金属电池的循环稳定性。氟代电解液中氟代溶剂/氟代锂盐的分子结构对电解液的溶剂化结构有重要影响。当氟代溶剂分子中氟原子的位置与数量不同时，氟代溶剂的物理化学性质也会随之发生变化，进而改变了电解液与电极的界面反应性。因此，氟代溶剂能够起到调制SEI膜成分和结构的作用，是决定电池性能的关键因素。本文总结了应用于锂金属电池的主要氟代溶剂，尤其是近几年来发展的新型氟代溶剂；着重介绍了高度氟代的溶剂分子作为局域超浓电解液的稀释剂，以及对溶剂进行精准分子设计得到的部分氟代溶剂等。此外，本文还分析探讨了氟代溶剂分子与电池性能之间的构效关系，展望了构建新型氟代溶剂分子的策略，希望能对电解液溶剂分子的结构设计以及构效关系的评估有一定的启发意义。     

电压敏感性聚三苯胺修饰隔膜用于锂硫电池过充保护

本文以三苯胺为原料,通过化学氧化法制备了具有电压敏感性的聚三苯胺(PTPAn)并将其成功应用到锂硫电池隔膜上。电导率测试结果表明,PTPAn/聚丙烯(PP)隔膜的离子电导率达1.56 mS·cm^-1;循环伏安(CV)测试结果表明,PTPAn/PP隔膜在3.5–4.2 V内具有氧化还原峰。在0.1C倍率下,采用PTPAn/PP隔膜和空白PP隔膜的锂硫电池在经200周循环后,放电比容量分别为424.8和407.2 mAh·g^-1,库伦效率分别为99.38%和98.59%,倍率测试表明(0.1C、0.2C、0.5C、1C),采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池在不同倍率下放电比容量均高于采用空白PP隔膜的锂硫电池。与此同时,对采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池进行过充实验,在第4周过充时,充电比容量为843.1 mAh·g^-1,放电比容量为839.8 mAh·g^-1;第10周过充时,充电比容量为690.2 mAh·g^-1,放电比容量为669.2 mAh·g^-1。第16周过充时,电池的充电比容量为538.7 mAh·g^-1,放电比容量为512.9 mAh·g^-1。倍率过充测试表明,经过不同倍率过充实验后,采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池仍能正常工作,在1C倍率下过充,电池电压稳定保持在3.9 V,充电比容量为349.8 mAh·g^-1,放电比容量为328.7 mAh·g^-1。