锌-空气电池双功能催化剂研究进展

锌-空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度,并有望在能源转化与储存领域的广泛应用,引起国内外研究者的高度关注. 其中,空气电极作为氧催化反应的核心区域,更是整个锌-空气电池研究的重点. 近年来,非贵金属双功能催化剂及其电极以其高活性、低成本以及种类丰富等特点取得了较多的研究成果. 本文综述了非贵金属氧化物催化剂、碳基催化剂、碳载过渡金属化合物复合材料以及自支撑电极在锌-空气电池中的反应机制和研究进展,提出了高效双功能催化剂的构建策略,并对双功能催化剂/电极的发展趋势进行了展望.     

二次钠-空气电池的研究进展

二次钠-空气电池具有高达1600 Wh.kg^-1的理论能量密度、2.3 V的理论放电电压平台和丰富的钠资源等优点,成为近年来的研究热点. 人们对钠-空气电池的研究时间较短,还有大量的问题需要解决. 本文根据近几年对于二次钠-空气电池的初步研究,并结合作者课题组在钠电池研究领域的探索和体会,总结了目前钠-空气电池核心问题的主要研究进展,并对钠-空气电池应用前景进行了展望.     

静电纺丝技术在锂-空气电池上的应用

近年来,锂-空气电池由于具有极高的理论容量和对环境友好等优势,作为“终极电池”引起了广大科研工作者和电动汽车公司的极大兴趣和广泛关注. 但目前锂-空气电池还存在着充放电过电位大、循环性能差等局限性,寻找高效的锂-空气电池催化剂成为该领域发展的研究热点之一. 锂-空气电池阴极催化剂主要有贵金属、非贵金属、碳材料以及金属氧化物等,可通过多种方法合成制备,如水热(溶剂热)法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、静电纺丝法等等. 其中,静电纺丝技术由于具有制备方法简易、高效且产量高等优点,近年来得到了长足的发展,可以用来大量制备锂-空气电池阴极催化剂,甚至制备自支撑结构的锂-空气电池阴极催化剂材料. 本文综述了静电纺丝技术在锂-空气电池上的应用,主要包括利用静电纺丝技术制备非贵金属催化剂、碳材料催化剂、金属氧化物催化剂和复合催化剂等,以及将制备的催化剂组装成锂-空气电池后表现出的优异的电池性能.     

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。     

新型纤维状能源器件的发展和思考

近年来,可穿戴电子设备受到了人们的广泛关注,柔性、轻质和可集成成为发展的主流.然而,随着可穿戴电子设备的快速发展,在能源供给上出现了一些瓶颈难题,如传统块状和板状能源器件难以根据应用要求紧贴不规则基底、柔性相对较低、不能透气导湿,这些问题严重限制了可穿戴设备及其他相关领域的发展.解决上述问题的一个有效策略是将能源器件制成纤维结构.虽然单根纤维状能源器件提供的能量有限,但是它们可以被编成织物,从而输出较高的总能量.同时,能源织物可紧密贴合不规则基底如人体、能透气导湿,有效满足可穿戴设备的应用要求.目前纤维状能源器件包括能量转换和储存两大类,能量转换器件主要有染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池和钙钛矿电池太阳能电池,而能量储存器件则主要有超级电容器、锂离子电池、锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池等.在实际应用中,光电转换和能量储存2个功能往往被集成在同一根纤维状能源器件中.本文重点介绍了纤维状能源器件的发展历史和研究现状,系统总结了这个领域面临的主要挑战,最后展望了本领域未来发展方向.     

锌空气电池中空气电极摆放方式的研究

从改变空气电极的摆放方式的角度研究了改善锌空气电池放电性能的方法.通过对比相同的空气电极在同样的锌空气电池系统中采用不同摆放方式后产生的不同的放电特性,分析了空气电极的摆放方式对电极性能的影响.提出采用立式的电极摆放方式,以改善电极和电池性能及效率.     

基于有机电解液的锂空气电池研究进展

随着化石燃料的逐渐消耗和城市环境污染的日益严重,纯电动和混合动力汽车的开发使用越来越受到人们的重视. 受到锂离子电池能量密度的限制,目前电动汽车的连续行驶距离仍远低于内燃机动力汽车. 作为新一代电动车供能设备,基于有机电解液的锂空气电池由于结构相对简单,理论能量密度极高,成本低廉,已成为学术界的研究热点. 本文从反应机理、电解液、空气电极以及金属锂负极等四个方面入手,详细介绍了近年来锂空气电池的重要研究进展以及在基础研究方面存在的科学问题,指出了该体系面临的挑战和今后的重要研究方向.     

下一代能源存储技术及其关键电极材料

由于能源危机与环境问题,全球能源的消耗正逐渐从传统化石能源转向其它清洁高效能源。高效清洁能源的存储是电动汽车和智能电网的关键技术,对新能源、新材料和新能源汽车国家战略新兴产业的发展具有重要意义。锂离子电池是目前广泛应用的一种能源存储器件。电动汽车和智能电网对能量密度、功率密度、循环寿命和成本等方面的要求越来越高,传统的锂离子电池面临巨大挑战,发展下一代能源存储技术迫在眉睫。高能量密度的锂硫电池和锂空气电池,低成本、高安全性的室温钠离子电池受到了越来越多的关注。本文简要总结了近年来锂硫电池、锂空气电池和钠离子电池及其关键电极材料的研究进展,并对这些新型能源存储技术存在的问题和未来的前景做出了分析和展望。     

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.     

圆柱型锌空气电池研究

锌空电池具有高比能量和低价格的优势 ,受到人们普遍关注 .然而目前锌空电池的结构方式 ,只有方形和扣式 ,其应用领域受到一定限制 .本文报道了一种设计新颖的圆柱型锌空电池 .并在不同实验条件下 ,对电池性能进行了测试 .结果表明AA和AAA型电池在常温以 40mA电流放电时 ,容量分别达到 40 0 0mAh和 1 40 0mAh ,比能量达到 2 80Wh/kg ,并具有优良的综合电性能 .     

Starch-Based Superabsorbent Hydrogel with High Electrolyte Retention Capability and Synergistic Interface Engineering for Long-Lifespan Flexible Zinc−Air Batteries

The advent of wearable electronics has strongly stimulated advanced research into the exploration of flexible zinc−air batteries (ZABs) with high theoretical energy density, high inherent safety, and low cost. However, the half-open battery structure and the high concentration of alkaline aqueous environment pose great challenges on the electrolyte retention capability and the zinc anode stability. Herein, a starch-based superabsorbent hydrogel polymer electrolyte (SSHPE) with high ionic conductivity, electrolyte absorption and retention capabilities, strong alkaline resistance and high zinc anode stability has been designed and applied in ZABs. Experimental and calculational analyses probe into the root of the superiority of SSHPEs, confirming the significance of the carboxyl functional groups along their polymer chains. These features endow the as-fabricated ZAB a long cycle life of 300 h, much longer than that with commonly used poly(vinyl alcohol)-based electrolyte.     

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。     

氟代溶剂在锂金属电池中的应用

Lithium metal batteries, which use lithium metal as the anode, have attracted tremendous research interest in recent years, owing to their high energy density and potential for future energy storage applications. Despite their advantages such as high energy density, the safety concerns and short lifespan significantly impede their practical applications in transportation and electronic devices. Tremendous efforts have been devoted to overcoming these problems, including materials design, interface modification, and electrolyte engineering. Among these strategies, electrolyte regulation plays a key role in improving the efficiency, stability, and safety of lithium metal anodes. As an important class of electrolyte components, fluorinated solvents, which can decompose to form LiF-rich interphase layers on both anode and cathode, have been proven to enhance the stability of lithium metal anodes and improve the oxidative stability of the electrolytes. Meanwhile, the spatial structure of fluorinated solvents, such as the number and sites of fluorine atoms, can influence the physicochemical properties of the electrolytes and the compositions/structure of the solid-electrolyte interphase, which eventually dictates the cycling performance of Li metal batteries. Recently, many fluorinated solvents with different molecular structures have been designed to regulate the solvation structure of electrolytes, and these solvents exhibit novel electrochemical properties in lithium metal batteries. However, there are few comprehensive reviews that summarize the fluorinated solvents used in Li metal batteries and discuss their functions in electrolytes and their physicochemical properties. This review summarizes the novel fluorinated solvents used in lithium metal batteries in recent years, which have been classified into three parts: diluents, traditional solvents, and novel molecules, based on their functions in the electrolytes. In every part, the understanding of the interactions between fluorinated solvents and Li ions, the decomposition mechanism of fluorinated solvents at the interface of the electrode, the functions of fluorinated solvents in the electrolytes, and the structure-activity relationship between the fluorinated solvents and battery performance have been comprehensively summarized and discussed. Moreover, the advantages and disadvantages of fluorinated solvents have been discussed, and the importance of precisely controlling the number of fluorine atoms and the structure of fluorinated solvents has been emphasized. At the end of this review, a perspective for designing new fluorinated solvents has been proposed. We believe that this review can provide insights on designing novel fluorinated solvents for high-performance Li metal batteries.      

高性能硫化物基全固态锂电池设计：从实验室到实用化

全固态锂电池因其优异的安全性和高能量密度成为储能领域的重点研究内容。硫化物电解质因其高离子电导率、良好电极/电解质界面兼容性及易加工性,有力推动了硫化物基全固态锂电池的发展。本文首先从实验室研究阶段出发,从正极/电解质界面、硫化物电解质自身及负极/电解质界面三方面阐述了硫化物基全固态锂电池现阶段面临的主要问题,并介绍了相关的解决策略。随后从硫化物基全固态锂电池的实用化生产角度出发,介绍了电极/电解质膜的制膜工艺、软包电池的装配相关问题、高载正极的设计及硫化物电解质的大规模、低成本制备。最后展望了硫化物基全固态锂电池的未来研究方向和发展趋势。     

锂硫银锗矿固态电解质研究进展

全固态电池因其较高的安全性和能量密度而成为下一代电动汽车和智能电网用储能器件的重点研究方向之一。开发具有高室温锂离子电导率、化学/电化学稳定性优异、对电极材料兼容性优异等特点的固态电解质材料是推动全固态电池发展的重要研究课题之一。硫化物电解质因其相对较高的室温电导率(~10⁻³ S∙cm⁻¹)、较低的电解质/电极固-固界面阻抗等优点而在众多无机固体电解质材料中成为研究热点。本文基于作者多年研究成果和当前国内外发表的相关工作,从电解质的结构、离子传导、合成、综合性能改善及在全固态电池中的应用等方面系统总结了锂硫银锗矿固态电解质材料研究,并分析了该类电解质面临的问题和挑战,最后探讨了其未来可能的研究方向和发展趋势。     

MXenes在水系锌离子电池中的应用研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)作为一种低成本、高安全的新兴且前景广阔的储能技术近年来备受关注。新型MXenes材料由于其独特的结构特征和物理化学性质,如易调节的二维结构、优异的导电性、化学组成多样和可控的表面化学特性,在AZIBs中表现出独特的应用优势。本文全面综述近年来MXenes在AZIBs中应用的研究进展,探讨MXenes应用于AZIBs正负极的结构设计及性能优化策略：在正极方面,MXenes可直接作为活性物质或活性物质前驱体、基体材料,以获得高活性、优异的循环寿命和倍率性能;在负极方面,MXenes可作为锌沉积的二维/三维载体、亲锌基体及锌金属界面保护层,以减缓电化学反应过程中锌金属的腐蚀和枝晶生长。此外,本文也对MXenes基材料在AZIBs中应用的发展方向进行展望。     

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。     

三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极

金属锂具有超高的理论容量(3860 mAh·g^-1)和低氧化还原电位(-3.04 V vs.标准氢电极),是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料。然而,循环过程中的体积膨胀、锂枝晶生长和“死锂”等问题严重的限制了其实际应用。合理设计三维骨架调控金属锂的成核行为是抑制锂枝晶生长的有效策略。本文中,我们发展了一种“软硬双模板”的方法合成了兼具大孔和介孔的三维碳-碳化钛(Three-dimensional macro-/mesoporous C-TiC,表示为3DMM-C-TiC)复合材料。多级孔道为金属锂的沉积提供了足够的空间,缓冲充放电中巨大的体积变化。此外,TiC的引入显著增强多孔骨架的导电性,改善锂金属的成核行为,促进金属锂的均匀成核和沉积,抑制锂枝晶生长。3DMM-C-TiC||Li电池测试表明,在循环300圈以后,库伦效率仍保持在98%以上。此外,所得材料与LiFePO₄ (LFP)组成的全电池也表现出优异的倍率和循环性能。本工作为无枝晶锂金属负极的设计提供了新的思路。     

聚吡咯@二氧化锰/碳纳米管薄膜电极的制备及在高性能锌离子电池中的应用

中性/弱酸性水系锌锰电池因其能量密度高、价格低廉、环境友好等优势受到广泛关注。然而,现有的二氧化锰正极材料存在导电性能差,在充放电过程中易于溶解等问题。这严重影响了电池的倍率性能和循环稳定性,阻碍了中性锌锰电池的应用。为了解决上述问题,本文设计了以碳纳米管(CNT)网络薄膜为导电基底沉积聚吡咯(PPy)包覆二氧化锰(PPy@MnO₂/CNT)的多级结构电极。碳纳米管和聚吡咯组装形成高比表面积的三维交联导电网络,为活性材料提供了快速的电子、离子传输通道;聚吡咯包覆纳米级二氧化锰能够有效地抑制二氧化锰的溶解,进而提升电池的倍率特性和循环稳定性。以PPy@MnO₂/CNT作为正极材料组装的水系锌锰电池在1 A·g^-1的电流密度下,比容量达到210 mAh·g^-1,循环1000圈后,电池依然具有较高的容量保持率(85.7%)。本工作的导电聚合物包覆活性物质的策略可为发展高稳定柔性储能器件提供新思路。     

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。