碳纳米管/氧化石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能

以碳纳米管和氧化石墨烯(CNTs/GO)为主体材料, 通过化学还原法制备了CNTs/GO 负载硫的复合正极材料CNTs/GO/S. 扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)测试表明, CNTs 均匀插层在GO片间, 从而形成三维多孔结构, 有利于电解液的浸润; 活性物质硫均匀地负载在CNTs/GO 表面. 电化学测试表明,CNTs/GO/S复合材料具有高的比容量和良好的循环稳定性: 在1C倍率电流密度下, 复合材料首次放电比容量高达904 mAh·g^-1, 经过50圈循环之后, 复合材料的比容量仍保持在578 mAh·g^-1.     

百香果皮基原位氮掺杂多孔碳/硫复合正极的制备及储锂性能

以生物质百香果皮为碳源,KHCO₃为活化剂,采用同步活化碳化方法制备原位氮掺杂的分级多孔碳材料,将其与单质硫复合制得多孔碳/硫正极材料。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征技术对制备材料的物相组成、微观形貌、比表面积及孔结构进行研究分析。同时,利用紫外可见吸收光谱研究了多孔碳对多硫化物的吸附作用,用恒电流充放电测试了不同硫含量（60%~80%）的多孔碳/硫复合正极材料的电化学性能。结果表明,制得的多孔碳材料为无定型,具有1 093 m²·g^-1的高比表面积和0.63 cm³·g^-1的孔容;丰富的多孔结构和原位氮掺杂对多硫化物的物理化学协同吸附作用,有效降低了锂硫电池的“穿梭效应”,提高了电池的放电比容量和循环性能。硫含量为60%的多孔碳/硫复合材料,在0.05C和0.2C倍率下可释放1 057.7和763.4 mAh·g^-1的高初始放电比容量,在1C的高倍率下循环300次后的保持率为75%。     

高性能锂-硫电池用复合正极的构造与粘结剂

采用球磨混合及热处理方法制备了含有多壁碳纳米管(MCNTs)的硫基复合正极材料,利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测定材料的结构和形貌,较系统地研究了MCNTs含量和粘结剂种类对硫基复合正极容量、循环稳定性和自放电行为等的影响.结果表明:MCNTs的合适含量为5%-8%(w,质量分数),以水性粘结剂环糊精制备的硫基复合正极电化学性能最佳.锂-硫电池在常温和半充电状态下放置30天几乎没有自放电;当电流倍率为0.1C时,β-环糊精为粘结剂的正极初始充电容量为687.7mAh.g-1,100次循环以后可逆容量为623.8mAh.g-1,容量保持率达90.7%.     

用于锂硫电池高效硫载体的Co-N-C@KB复合材料的规模化制备策略

硫正极较差的性能严重阻碍了锂硫电池的商业化进程,这些因素包括较低的导电能力以及在促进多硫化物转化方面较差的催化活性。我们开发了一种基于配体调控合成和低温热解的规模化策略来制备高效的正极复合材料（Co-N-C@KB）,这种材料由富含Co-N-C活性位点的科琴黑（KB）组成。原子级分散的Co-N-C活性位点被证明有利于多硫化物在正极的转化,因而可以提高锂硫电池的容量和循环寿命。基于此,Co-N-C@KB作为正极可以使锂硫电池获得高达1 442 mAh·g^-1的初始放电容量,并且该电池在长时间的稳定性测试中具有出色的容量保持能力。     

硫/水热碳球复合材料的制备及对锂硫电池倍率性能的影响

在锂硫电池正极材料的研究中,碳材料可以有效改善电池倍率及循环性能.为了提高锂硫电池的高倍率放电性能,通过水热合成的方法,制备了由非均匀粒径碳球组成的碳材料.与硫热合成后,硫均匀分布在碳材料表面及周围,复合材料含硫量为52wt%.0.2C放电电流下,首次放电比容量为1174mAh·g^-1,100次循环后放电比容量为788mAh·g^-1.在4C的放电电流下,放电比容量稳定维持在600mAh·g^-1,循环过程中,库伦效率高于90%.该碳材料有良好的导电网络,且制备方便,成本低廉,对于穿梭效应和放电过程中的膨胀效应有一定的抑制作用,是一种优秀的正极材料.     

Mg、Ti离子复合掺杂改性磷酸铁锂正极材料及其电池性能

在氮气气氛下采用高温固相方法, 合成了Mg、Ti 离子复合掺杂改性的锂离子电池正极材料(Li_0.98Mg_0.01)(Fe_0.98Ti_0.01)PO₄/C, 并通过粉末X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和充放电循环对材料进行性能表征. 测试结果表明, 复合离子掺杂可显著改善材料的电化学性能, 模拟电池在0.2C和1C倍率下的放电比容量分别为154.7 和146.9 mAh·g^-1. 以此复合掺杂样品为正极材料组装60 Ah动力电池, 其3C倍率放电容量仍保持为1C倍率放电容量的100%; 低温0 和-20 °C测试条件下, 动力电池放电容量分别保持为常温初始放电容量的89.7%和63.1%; 在常温1C/1C充放电条件下, 经过2000次循环后, 电池容量依然保持为初始放电容量的89%, 显示出优良的倍率放电性能和循环性能. 研究结果表明, Mg、Ti 离子复合掺杂改性的磷酸铁锂正极材料及其电池具有优良的放电性能和循环稳定性, 可广泛应用于电动(或混合动力)汽车和储能电池系统.     

锂硫电池正极材料的制备及工艺优化

锂硫电池具有能量密度高、价格低等优势,有希望应用于下一代储能领域. 但锂硫电池仍然存在一些问题,如多硫化物穿梭效应、缺乏有效的锂硫电池规模制备工艺等. 为了解决这些问题,作者以不同商用碳材料（乙炔黑、科琴黑与碳纳米管）和单质硫复合作为正极材料,探究正极制备工艺对多硫化物穿梭效应抑制效果及锂硫电池性能的影响. 通过研究,作者得出以下结论：科琴黑作为单质硫的载体,与单质硫球磨8 h后,匹配粘结剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制备的正极浆料可实现在涂布和辊压后极片的厚度达到500 μm、压实密度达到991.65 mg·cm ^-3. 作者将最终得到的正极极片应用于高硫载量锂硫软包电池,电池首圈放电容量为137.4 mA·h,经过10圈循环后,放电容量为115.5 mA·h,表现出优异的电化学性能. 该碳硫复合正极材料制备工艺有望在锂硫电池的宏量制备中获得应用.     

锂硫电池复合正极研究进展

锂硫电池因其超高的理论能量密度被视为极具前景的下一代电化学储能体系,其中高比容量的硫正极提供了锂硫电池的能量密度优势并直接决定了电池的实际性能。经过数十年的发展,最具前景的硫正极体系分别是硫碳复合（S/C）正极和硫化聚丙烯腈（SPAN）正极。本文系统综述了S/C正极和SPAN正极的最新研究进展。首先,简要介绍了两种正极的工作原理并进行了比较。S/C正极发生固-液-固多相转化反应,充放电表现为双平台特征。与之相比,SPAN正极发生固-固反应,充放电曲线为单平台。然后,对两种正极所面临的挑战和目前报道的优化策略进行了系统的分析与讨论。对于S/C正极,主要调控策略包括电极结构修饰、电催化剂设计与辅助氧化还原介体调控;对于SPAN正极,主要调控策略包括电极结构设计、电极形貌调控、杂原子掺杂和外源性氧化还原介体调控。最后,在电池尺度上对S/C正极和SPAN正极进行了综合比较,并对基于S/C正极和SPAN正极的锂硫电池在未来所面对的机遇与挑战进行了展望。     

用于高性能锂硫电池的二维氮硫共掺杂多孔碳纳米片的快速合成

本工作基于工业炼油产品沥青,开发了一种无金属、氮和硫共掺杂多孔碳纳米片（NSPC）的合成方法。获得的多孔碳纳米片具有高比表面积（339 m²·g^-1）和优异的固硫能力。同时,高含量氮、硫共掺杂可以有效增强碳材料的导电性,同时促进多硫化物的高效催化转化。通过熔融法固硫后,制备得到的NSPC/S电极具有较高的比容量和优异的循环稳定性（在0.6C电流密度下,200次循环后容量为762 mAh·g^-1）,实现了高含量氮和硫共掺杂的二维多孔碳材料的快速批量生产并用于高性能锂硫电池正极材料。     

锂硫电池正极用硫/介孔碳复合材料的制备及电化学性能

制备了以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的介孔碳,并将介孔碳和单质硫采用熔融渗透法复合制得硫/介孔碳复合材料。SEM、TEM和BET结果显示介孔碳成直径约为500 nm的大小均一的球体,存在孔径为2 nm的微孔;单质硫充分填充在介孔碳的微孔中。以硫/介孔碳复合物作为锂硫电池正极材料时显示出高的电化学性能。初始放电容量高达1519 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下充放电200个循环后依然能保持在835 mAh·g^-1。硫/介孔碳复合材料的高倍率性能和优异的循环稳定性,源于介孔碳良好的导电性及其孔结构的固硫作用。     

Interconnected nitrogen-doped carbon nanofibers derived from polypyrrole for high-performance Li/S batteries

Interconnected nitrogen-doped carbon nanofibers (INC) prepared through the carbonization of polypyrrole (PPy) precursor is designed as scaffold to load sulfur. The BET measurement showed that INC possessed abundant mesopores with a relatively high specific surface area and a large total pore volume. The sulfur/INC (S/INC) composite was synthesized by a melt-diffusion of sulfur nanoparticle into INC network. Transmission electron microscopy showed the formation of a nanofiber structure with uniform sulfur coating on the surface of INCs. When tested as cathodes for Li/S batteries, a high initial discharge capacity of 1173 mAh g^–1 and a reversible capacity of 702 mAh g^–1 after 50 cycles at 0.1 C are achieved, which ascribe to the chemical and physical adsorption properties of mesoporous and nitrogen-doped INC.     

果胶粘结剂在锂硫电池中的应用研究

锂硫电池由于其超高理论能量密度(2567 Wh·kg^?1),较低的成本,以及环境友好性,被视为下一代储能设备的有力竞争者之一.鉴于粘结剂在稳定硫正极结构和抑制多硫化物穿梭方面可发挥重要作用,发展高性能硫正极粘结剂是改善锂硫电池性能的有效途径之一.本文研究了以果胶作为锂硫电池正极粘结剂的可行性.研究表明,采用果胶作为粘结剂的锂硫电池在电化学循环测试中首次放电比容量可达1210.6 mAh·g^?1,并且在200次循环后仍有837.4 mAh·g^?1的放电比容量,明显优于羧甲基纤维素钠-丁苯橡胶复合粘结剂的电池性能.经研究证实果胶粘结剂性能优良的原因在于其可以有效确保多壁碳纳米管/硫复合正极的结构稳定性并抑制多硫化物的穿梭.     

Accurate Control of Initial Coulombic Efficiency for Lithium-rich Manganese-based Layered Oxides by Surface Multicomponent Integration

Low initial Coulombic efficiency (ICE) is an obstacle for practical application of Li-rich Mn-based layered oxides (LLOs), which is closely related with the irreversible oxygen evolution owing to the overoxidized reaction of surface labile oxygen. Here we report a NH₄F-assisted surface multicomponent integration technology to accurately control the ICE, by which oxygen vacancies, spinel-layered coherent structure, and F-doping are skillfully integrated on the surface of treated LLOs microspheres. Though the regulation on the removed amount of labile oxygen by surface integrated structure, the ICE of LLOs cathodes can adjust from starting value to 100 %. X-ray absorption spectroscopy, refined X-ray diffraction, and scanning transmission electron microscopy show that the removed labile oxygen mainly comes from Li₂MnO₃-like structure. Even operating at a high cut-off voltage of 5 V, the capacity retention of integrated sample at 200 mA g⁻¹ is still larger than 98 % after 100 cycles.     

Effects of Conjugated Structure on the Magnesium Storage Performance of Dianhydrides

Inorganic cathodes of rechargeable Mg batteries suffer from limited selections, while organic materials provide more options. Herein, three conjugated dianhydrides, pyromellitic dianhydride, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride and 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride are comparatively investigated to elucidate the effects of conjugated structure on the Mg²⁺ storage performances. It is observed that the reversible Mg²⁺ storage capacity is more dependent on the conjugated structure than carbonyl numbers. Ex-situ mechanism study illustrates that the extended conjugated structure delocalizes the electron density, hence enhancing carbonyl enolization and increasing the Mg²⁺ storage capacity. Furthermore, the largely conjugated structure buffers the charge density change during repeated magnesiation/demagnesiation resulting in better cyclability. Prominently, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride shows a high Mg²⁺ storage capacity (160 mAh g⁻¹) and a good cycling stability (80 % capacity retention after 100 cycles) with the largest conjugated structure. This work provides a low-cost cathode for rechargeable Mg batteries that can be utilized for designing high-performance organic Mg battery cathodes.     

NMAP夹层抑制锂硫电池穿梭效应

利用水热合成法制备纳米NiO与多壁碳纳米管(MWCNTs)以及芳纶纸(AP)制备出一种新型复合夹层(NMAP)。NMAP夹层具有三维多孔结构,不但减小了活性物质的损失,还可以捕获可溶性多硫化物;NMAP夹层具有较强的化学吸附聚硫化物的能力。利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等对复合夹层进行结构和性能的表征。电化学测试结果表明,NMAP夹层高性能锂硫电池在0.05C倍率下首次放电比容量达到1437 mAh·g^-1,活性物质的利用率高达85.8%;在4C大倍率下放电比容量仍然达到668 mAh·g^-1,且库伦效率仍然保持在99.1%;显示出良好的倍率和循环性能。     

用于锂离子电池正极材料的分级孔碳/2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑/聚噻吩三元复合物

采用酚醛树脂为碳源, 纳米碳酸钙为二次成孔剂, 通过煅烧、刻蚀、KOH活化等工艺制备出活化分级孔碳(aHPC). 在此基础上, 以aHPC为模板, 通过溶液浸渍制得活化分级孔碳/2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑(aHPC/DMcT)复合物, 然后运用氧化聚合法将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)—聚苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)包覆在其表面制备出aHPC/DMcT/PEDOT-PSS复合物. 并运用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)和电化学测试等手段对所得复合材料的结构、形貌及电化学性能进行表征. 结果显示, KOH活化后, aHPC孔道内的官能基团含量增加了, 使得DMcT的负载量增大(52%), 且DMcT几乎全部进入到aHPC孔道内. aHPC/DMcT复合物的首次放电容量为236 mAh·g^-1, 循环20次后放电比容量仅为65mAh·g^-1. 而aHPC/DMcT/PEDOT-PSS复合物的表面包覆一层PEDOT-PSS导电薄膜, 其首次放电容量高达281 mAh·g^-1, 20次后的放电比容量为138 mAh·g^-1,容量保持率达49.1%.     

可充镁电池正极材料PTMA/石墨烯

本文制备了聚4-甲基丙烯酸-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氮氧自由基酯(PTMA)/石墨烯纳米复合材料,并报道了其作为可充镁电池正极材料的电化学性能.通过傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)表征复合材料的结构和形貌;循环伏安和恒电流充放电测试其电化学性能.粒径10 nm左右的PTMA颗粒分散在具有导电作用的石墨烯表面;在"一代"电解液Mg(AlCl2BuEt)2/四氢呋喃(THF)(0.25 mol L-1)中,22.8mA g-1充放电电流密度下,PTMA/石墨烯复合材料的起始放电容量可达到81.2 mAh g-1.研究结果表明,含有自由基的有机化合物可以作为可充镁电池的一类新型正极材料,可以进一步通过使用具有高氧化分解电压的电解液来提高其放电容量.     

Enhanced Adsorption of Polysulfides on Carbon Nanotubes/Boron Nitride Fibers for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries

Lithium-sulfur (Li-S) batteries are one of the most promising high-energy-density storage systems. However, serious capacity attenuation and poor cycling stability induced by the shuttle effect of polysulfide intermediates can impede the practical application of Li-S batteries. Herein we report a novel sulfur cathode by intertwining multi-walled carbon nanotubes (CNTs) and porous boron nitride fibers (BNFs) for the subsequent loading of sulfur. This structural design enables trapping of active sulfur and serves to localize the soluble polysulfide within the cathode region, leading to low active material loss. Compared with CNTs/S, CNTs/BNFs/S cathodes deliver a high initial capacity of 1222 mAh g⁻¹ at 0.1 C. Upon increasing the current density to 4 C, the cell retained a capacity of 482 mAh g⁻¹ after 500 cycles with a capacity decay of only 0.044 % per cycle. The design of CNTs/BNFs/S gives new insight on how to optimize cathodes for Li-S batteries.