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。     

氯过氧化物酶在碳纳米管修饰电极上的直接电化学研究

将氯过氧化物酶固定到单壁碳纳米管修饰玻碳电极,其循环伏安曲线出现一对准可逆氧化还原峰,说明碳纳米管能够很好地促进氯过氧化物酶在电极表面的直接电子传递.该过程与溶液pH值有关,可指认氯过氧化物酶在电极表面发生的是一电子一质子传递反应.该修饰电极制作简单,性能稳定,且对氧还原具有很好的电催化效应.     

纳米CoSe修饰氮掺杂多孔碳的可控制备及其锂硫电池多硫化物的催化转化效应

锂硫电池中较差的循环稳定性和倍率性能是实现锂硫电池商业化的技术障碍,其主要原因之一是多硫化物在硫电极内的电化学转化速率较为缓慢。为此,我们以ZIF-9为前驱体,采用先碳化,再酸化刻蚀,最后硒化的方法合成了含少量催化剂的CoSe修饰氮掺杂多孔碳(CoSe/NC)电极材料,以期提高硫电极内多硫化物的电化学转化动力学性能,并通过流动液相三电极体系对该材料进行电化学动力学表征。结果显示,相较于对比材料,CoSe/NC能够加快多硫化物的氧化还原反应速率,在0.2mA·cm-2电流密度下,多硫化物氧化还原反应在CoSe/NC电极上有最小的反应过电位;同时,在0.1 V过电位下,各氧化还原反应也有最大的响应电流。因此,将CoSe/NC作为硫宿主材料组装电池展现了优异的电化学性能：在1C(1C=1 675 mA·g^-1)下初始放电比容量为1 068 mAh·g^-1,经过500次循环后,可逆容量仍保持在693 mAh·g^-1。另外,在3C的高电流密度下,放电比容量可高达819 mAh·g-1。     

纳米CoSe修饰氮掺杂多孔碳的可控制备及其锂硫电池多硫化物的催化转化效应

锂硫电池中较差的循环稳定性和倍率性能是实现锂硫电池商业化的技术障碍,其主要原因之一是多硫化物在硫电极内的电化学转化动力学较为缓慢。为此,我们以ZIF-9为前驱体,采用先碳化,再酸化刻蚀,最后硒化的方法合成了含少量催化剂的CoSe修饰氮掺杂多孔碳(CoSe/NC)电极材料,以期提高硫电极内多硫化物的电化学转化动力学性能,并通过流动液相三电极体系对该材料进行电化学动力学表征。结果显示,相较于对比材料,CoSe/NC能够加快多硫化物的氧化还原反应速率,在 0.2mA·cm^-2电流密度下,多硫化物氧化还原反应在CoSe/NC电极上有最小的反应过电位;同时,在0.1 V过电位下,各氧化还原反应也有最大的响应电流。因此,将 CoSe/NC作为硫宿主材料组装电池展现了优异的电化学性能：在 1C(1C=1 675 mA·g^-1)下初始放电比容量为1 068 mAh·g^-1,经过500次循环后,可逆容量仍保持在693 mAh·g^-1。另外,在3C的高电流密度下,放电比容量可高达819 mAh·g^-1。     

锂离子电池高比容量负极用粘结剂

随着锂离子电池向高比能量方向发展,传统的石墨负极材料将逐渐被合金、金属氧化物等高比容量负极材料所取代。高比容量负极材料在循环过程中易产生较大的体积变化,从而导致电极循环性能衰退,限制了其实际应用。除从材料本身入手外,变换粘结剂是改善高比容量负极材料电化学性能的有效途径。本文对近十年来锂离子电池高比容量负极用粘结剂的发展进行了总结。对聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂进行改性处理,提高其黏弹性,可以显著改善电极的电化学性能。与PVDF相比,水性羧甲基纤维素(CMC)粘结剂可以明显提高Si基电极的电化学性能。CMC用作高比容量负极材料粘结剂明显优于PVDF的原因包括其利于电极浆料分散、与电解液不反应以及能够与活性物质之间形成化学键(共价键或氢键)等。同时,CMC本身的结构参数(分子量、取代度、阳离子)、CMC加入量、浆料pH值及电极孔隙率均对CMC电极的性能具有重要影响。聚丙烯酸(PAA)及海藻酸钠粘结剂由于含有更多的羧基(—COOH)基团,对高比容量负极材料具有更好的效果。其他新型粘结剂在高比容量负极性能的提升方面也具有较大潜力。     

取代基结构-活性关系对电化学降解取代苯胺的影响

以Na2SO4为支持电解质, 使用Ti/PbO2电极, 研究了带有推电子基(—CH3)和吸电子基(—NO2, —Cl)的邻或对位取代基苯胺类化合物的电催化氧化降解过程. 研究结果表明, 带有取代基苯胺类化合物的氧化降解是在羟基自由基进攻下生成氨基酚类化合物, 然后在电极表面失去电子生成苯醌继续氧化的过程. 带有推电子基团苯胺的电催化降解速度比带有吸电子基团的苯胺降解速度快, 这是因为推电子基团使苯环电子云密度提高, 有利于羟基自由基的进攻; 吸电子基团使苯环电子云密度降低, 不利于羟基自由基的进攻. 由于阴极还原反应的作用, 化学反应活性和电化学反应活性并不完全一致. 氯代苯胺在羟基自由基进攻下—Cl离去, 以Cl-离子形式进入溶液中, 被氧化生成有效氯, 加快降解反应速度. 硝基虽然是强吸电子基, 但是可以转化为对苯二胺, 进一步活化苯环, 其降解速度较快.     

定量的复合金属锂作为三维泡沫锂电极用于锂电池的研究

金属锂作为电池的负极材料具有极高的比容量和极低的氧化还原电位,能够显著提升电池的能量密度。然而,金属锂负极在实际应用中所面临的主要问题是锂枝晶、界面副反应和电极体积变化大的难题。在本文中,我们提出了一种通过将定量的金属锂与三维骨架进行复合形成三维泡沫锂负极的策略,并利用三维泡沫锂来抑制锂枝晶的生长和缓解电极的体积变化。因此,三维泡沫锂电极有利于金属锂负极的高效利用,并能借助其与平面锂箔相比更高的比表面积和更多的反应位点来提升电池的倍率性能。因此,通过采用三维泡沫锂,对称电池的循环寿命和倍率性能都得到了有效的提升。EIS数据结果表明,三维泡沫锂能够减小对称电池的电荷转移阻抗。而且,将三维泡沫锂作为负极组装的LTO全电池,与锂箔作为负极相比,循环1000周平均放电比容量从65 mAh·g^-1提升至121 mAh·g^-1。     

锂离子电池负极碳材料的表面改性与修饰：Ⅰ.表面的氧化,还原处理对碳…

通过各种氧化／还原体系对碳材料进行表面氧化，还原处理，研究了碳材料表面的痕量有机含氧官能团对以碳材料作为锂离子电池负极的电池性能的影响。结果表明，碳材料表面大量有机含氧官能团的存在将引起电池性能的严重恶化；相应地如对电极表面进行一定的还原处理，以减少碳表面有机官能团的含量及其氧化程度则可提高电极的容量及首次循环效率。     

锂离子电池负极碳材料的表面改性与修饰Ⅰ．表面的氧化、还原处理对碳材料电极性能的影响

通过各种氧化／还原体系对碳材料进行表面氧化、还原处理,研究了碳材料表面的痕量有机含氧官能团对以碳材料作为锂离子电池负极的电池性能的影响．结果表明,碳材料表面大量有机含氧官能团的存在将引起电池性能的严重恶化;相应地如对电极表面进行一定的还原处理、以减少碳表面有机官能团的含量及其氧化程度则可提高电极（碳材料）的容量及首次循环效率．文中还结合碳材料表面有机官能团对电解液溶剂的分解反应以及碳电极表面钝化膜形成的影响进行了解释．     

水系锂离子电池负极聚硫代苯醌的合成与电化学性能

通过硫化聚合的方法,以四氯苯醌(TCQ)为单体合成了聚硫代苯醌(PBQS)材料。本文改变S的加入量,探讨了不同摩尔比的S和Na₂S对PBQS电极电化学性能的影响。当S和Na₂S摩尔比为0.4时,形成两个氯原子被硫取代的PBQS-0.4稳定结构。PBQS-0.4电极放电比容量达到140 mAh·g^-1以上,显现出良好的循环稳定性和优异的倍率性能。而当S和Na₂S摩尔比降至0.25时,氯取代不完全、聚合程度不高; S和Na₂S摩尔比增至0.7 : 1时,聚合物中可能形成了不稳定的累积S-S键;上述两方面都导致电极性能明显下降。     

羰基化合物在新型绿色能源有机钠离子电池中的应用

有机钠离子电池是一种以有机物作为电极材料的新型二次电池。但有机物作为钠离子电池电极材料仍存在较低的氧化还原电位、高的溶解性和低的导电性等问题。解决这些问题通常采用引入吸电子基团来提高氧化还原电位,形成聚合物来降低溶解性和引入导电基底增加导电性等方法。着重关注羰基化合物作为钠离子电池电极材料,分别介绍羰基化合物/聚合物及其与导电基底形成的复合物和柔性电极在钠离子电池中的应用。     

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.     

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...     

电解液调控策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能

水系锌离子电池(ZIBs)因安全性高、成本低、环境友好,以及负极锌高的理论容量(820 mAh·g^-1)和低的氧化还原电位(-0.76 V vs.SHE)等优点而受到研究者们的广泛关注,有望应用于大规模储能领域,但循环寿命仍是限制其规模化应用的瓶颈之一。通过电解液优化调控策略,可有效抑制正极材料的溶解、结构坍塌和界面副反应等问题,从而提高水系ZIBs的电化学性能。本文综述了电解液调控策略提升水系ZIBs正极材料电化学性能的研究进展,讨论了该策略所解决的具体问题和局限性,并对电解液体系的发展方向进行了展望。     

锗钨酸盐的电化学性能及GeW11Co/P-oPD/GC电极对过氧化氢的电催化还原

研究了杂多酸-钴取代三聚Keggin结构锗钨酸盐（[Co（H2O）3（α-GeW11CoO38）3]10-）的电化学性能.实验表明,在玻碳（GC）电极上,锗钨酸盐循环伏安曲线呈现2对可逆的氧化还原峰,峰电位差分别为31 mV和35 mV,各对应于2电子4质子和2电子3质子电极反应,其过程受表面吸附控制.经过电聚合将Ge...     

水系锌二次电池MnO2正极的晶体结构、反应机理及其改性策略

水系锌二次电池凭借其安全性高、环境友好、成本低廉、能量密度较高等诸多优势,有望应用于下一代大规模储能系统。电池的发展依赖于电极材料,二氧化锰由于其高丰度、低成本、毒性小等优势,在水系锌二次电池领域得到广泛应用。本文将从二氧化锰的晶体结构、反应机理及电化学性能出发,对其在水系锌二次电池中的研究进展进行系统综述。特别地,针对其容量低、循环稳定性差等问题,本文从储能机理(包括嵌入-脱嵌机制和溶解-沉积机制)角度出发,总结相对应的优化策略,为先进水系锌锰二次电池的设计开发提供参考。     

磷酸钒锂/石墨烯复合正极材料的制备及表征

通过三聚氰胺甲醛树脂(MR)中的羟基与石墨烯氧化物(GO)中的羧基发生的沉淀反应来制备功能化的氧化石墨烯前驱体,然后利用溶胶-凝胶及高温热处理方法制备磷酸钒锂/石墨烯复合材料,利用此材料制备了电池电极,并对电极材料进行了结构和电化学表征。结果表明,所得磷酸钒锂为单斜晶系结构,石墨烯堆叠程度显著降低,也有效避免了磷酸钒锂颗粒的团聚,提高了材料的电化学性能。电池的充放电曲线极化较小,在3.0~4.3 V的区间内20 C倍率仍有86 mA·h/g的可逆容量。0.1 C循环100次后容量为119.7 mA·h/g,容量保持率94%。在3.0~4.8 V的高电压区间,10 C倍率下可逆容量80 mA·h/g,0.1 C循环100次后仍有145.6 mA·h/g的可逆容量。优异的循环和倍率性能以及较低的碳含量符合锂离子正极材料实用的要求。     

新型超级电容器的研发进展

传统超级电容器受低能量密度的限制,在当今器件研发中需更加关注电极材料结构-组成-性能研究。 本文总结了新型赝电容器的发展历程及其研发过程中存在的挑战与解决措施,着重从胶体离子超级电容器电极材料等新型的电极材料和氧化还原电解质两个方面进行综述。 原位合成的胶体离子超级电容器电极材料比非原位合成的电极材料具有更高的反应活性,并且以近似离子的状态存在,有效增加了电极材料的比容量。 氧化还原电解质的使用在不改变电极材料的前提下,进一步提高了超级电容器的能量密度。 初步介绍了新型锂离子电容器。 锂离子电容器同时使用电池型材料和电容型材料,可提高其能量密度。 依据当前超级电容器的研发现状,未来有望将电池材料和电容器材料结合使用,进而形成电池电容器或电容电池,使其同时具有高的能量密度和功率密度。     

聚吡咯-过渡金属-氧配合物储锂材料的结构与性能研究

目前锂离子电池电极材料主要使用无机材料. 近年来有机物电极材料虽有报道,但这些材料大都比容量低、倍率性能差. 本文介绍一类新型有机金属配合物聚吡咯-过渡金属-氧储锂材料的合成、结构及电化学性能. 结合扩展X-射线吸收精细结构谱分析和密度泛函理论计算,发现这类材料呈现多层结构特征,层内稳定的过渡金属-吡咯N的配位作用及循环过程中层间过渡金属-氧键的可逆断裂和结合使该类材料具有很高的储锂容量和循环稳定性,且聚吡咯导电网络使得该材料具有良好的倍率性能. 这类新材料将有望成为锂离子电池的高比容量负极材料.     

客体预嵌策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能

随着人们对电子通讯器件、新能源汽车以及电网级储能技术的需求日益增长,开发安全、高效且兼具环保、低成本等优点的二次电池显得至关重要。近年来,水系锌离子电池因其高安全性、高容量、低成本以及环境友好等优点受到了广泛关注。在与锌负极相匹配的众多正极材料中,具有多电子转移特性的钒基和锰基材料表现出了广阔的应用前景。然而这些正极材料在电池循环过程通常面临着结构坍塌、组分溶解、衍生副反应、反应动力学缓慢等问题,严重制约了其商业化进程。近年来,大量研究表明,客体离子或分子预嵌正极宿主结构可以有效缓解上述问题,提升水系锌离子电池正极材料的电化学性能。本文综述了客体预嵌策略应用于水系锌离子电池钒、锰基正极材料的研究进展,对该策略所解决的问题以及其局限性进行了讨论和总结,并对未来水系锌离子电池钒基和锰基正极材料的研究发展方向进行了展望。