钠离子电池钴酸钠正极材料研究进展

钠离子电池凭借分布广泛和低成本的钠资源在大规模电化学能量存储领域受到广泛关注. 层状过渡金属氧化物作为一种重要的钠离子电池正极材料, 具有比容量高、电化学可逆性相对较好和化学组成丰富且可调的特征, 得到广泛关注. 其中钴酸钠是一种典型层状过渡金属氧化物, 自20世纪80年代就得到大量研究. 由于钴酸钠含有丰富的电化学信息, 基于其充放电过程进行的机理研究对理解钠离子电池层状氧化物体系具有重要意义. 因此在介绍钴酸钠的常见结构类型与合成相图的基础上, 本文着重综述了不同结构钴酸钠在充放电过程中结构变化和电荷补偿机理的研究进展, 同时讨论了上述机制对电化学性能的影响. 本综述旨在为深入研究并建立层状过渡金属氧化物正极材料电化学过程中的构效关系提供支持.     

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料研究进展

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料具有价格低廉、比容量相对高的特点,是未来大型储能电站等能源转型设施的重要候选者,与锂离子电池在市场中的应用场景互为补充,为能源转型提供了有力支持,钠离子电池以Na+特有的理化性质而具有极大的开发潜力。然而,层状过渡金属氧化物正极材料在充放电过程伴随着钠离子的嵌入、脱出会产生一系列不利于其电化学性能的变化,如过渡金属溶解、结构相转变、相对较低的能量密度和较差的空气稳定性与循环稳定性,因此对正极材料的结构与性能进行优化变得尤为重要。近10年来许多研究学者针对层状正极材料的失效机制进行了结构上的优化,得到了性能相对良好的正极材料,报道了当前层状过渡金属氧化物正极材料的电化学性能失效机制、改性手段的现状,对钠离子层状氧化物正极材料面临的挑战进行了总结,并对未来发展需要解决的关键问题做出了展望。     

钠离子电池先进功能材料的研究进展

钠离子电池作为一种新型的化学电源,因钠资源储量丰富、成本低廉等优势,在规模储能领域具有应用前景,近年来受到了人们的广泛关注.为了获得比能量高、循环寿命长和快速充放电能力强的先进钠离子电池,人们正致力于开发比容量高、循环性能好和倍率性能佳的储钠电极材料和离子电导率高、电化学窗口宽的功能电解液,并取得了重要进展.目前,有前景的正极材料主要有高容量的层状氧化物、高电位的氟磷酸盐和长寿命的磷酸盐;可用的负极材料主要包括循环稳定性强的钛基层状氧化物和碳材料、比容量大的金属/非金属单质和低成本的金属化合物;有效的功能电解液有酯类电解液和醚类电解液.本综述详细总结了上述几类电极材料和电解液的最新研究进展,重点介绍了它们的电化学性质、科学难题及解决策略.     

钠离子电池:储能电池的一种新选择

钠离子电池在20世纪70年代末80年代初得到关注,但因锂离子电池优异的电化学性能而没有得到广泛研究.随着电动汽车、智能电网时代的到来,锂资源短缺将成为制约其发展的重要因素.因此,亟需发展下一代综合性能优异的储能电池体系.钠和锂具有相似的物化性质,且钠资源丰富,成本低廉,是非常有发展潜力的电池体系,近年来得到了国内外研究人员的广泛关注.简要综述了近年来钠离子电池的研究成果,就层状Nax MO2(M=Co,Ni,Fe,Mn,V等)材料、聚阴离子型材料、金属氟化物等正极材料及碳基负极材料、合金和金属氧化物等负极材料的电化学性能进行了介绍,阐述了有机体系电解质和凝胶电解质在钠离子电池中的应用,并对其存在的问题以及未来发展方向作了探讨.     

金属硫化物在可充电电池中的研究进展

低成本、长寿命、高安全性、高性能且易于大规模生产的锂/钠离子电池已被证实为重要的二次储能设备。 电极材料对锂/钠电池性能与循环寿命影响极大,金属硫化物由于具有高比容量和低电势而极具潜力成为锂/钠离子电池负极材料。 在电化学循环过程中,由于金属硫化物容易产生穿梭效应和体积变化,从而电极材料结构被破坏,进一步导致电池容量衰退、稳定性降低。 本文总结了多种金属硫化物的微观结构调控策略,从三维空间构建到与其它材料的复合,增强了电极的导电性和减缓体积变化带来的负面影响,进而获得性能优异的金属硫化物负极材料。 通过对金属硫化物的结构与性能的讨论,对其研究前景进行了积极的展望。     

静电纺丝在钠离子电池中的应用研究进展

钠离子电池具有与锂离子电池相似工作机理,因其原料资源丰富,是一种极具应用前景的新一代储能设备.然而,钠离子电池面临着电极材料体积膨胀过大、钠离子传输动力学较慢和能量密度偏低等问题,阻碍了其实用化.静电纺丝技术合成的一维钠离子电池电极材料,可通过形貌调控或碳复合方式有效缓冲储钠过程中电极的体积膨胀,而且具有连续的电子传递和较短的离子传输路径,从而改善钠离子传输动力学,以提高电池倍率性能.通过电纺还可简便地制备直接用于钠离子电池的柔性纤维膜来提高电池的能量密度.综述了静电纺丝技术制备钠离子电池材料的研究进展,主要包括正极和负极材料,对今后静电纺丝在钠离子电池中的发展进行了展望.     

二维MXene材料的制备与电化学储能应用

将MAX相陶瓷通过液相刻蚀等方法移除A原子层可得到与石墨烯（Graphene）类似二维结构的过渡金属碳或氮化物（MXene）,是近年来二维材料领域出现的新成员。独特的二维结构与丰富可调的组分使得MXene具有优异的导电与机械性能、高亲水表面与离子传输性能,受到越来越广泛的关注。目前已成功制备出的MXene材料有20余种,研究发现MXene应用于锂离子、非锂离子（如Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Al³⁺）二次电池和电化学超级电容器均表现出优异的性能,是一种很有潜力的电极材料。本文总结对比了MXene材料制备方法,简要概述了MXene材料的电子、电磁与机械性能,重点介绍了MXene在电化学电池与超级电容器储能方面的应用,最后对MXene材料目前存在的主要问题及未来研究与应用前景进行了展望。     

锑基钠离子电池负极材料的研究进展

钠离子电池由于具有能量密度高和钠资源丰富等优点而被认为是锂离子电池最有希望的替代品之一。合金型材料锑的理论容量高,氧化还原电位合适,是近年来钠离子电池负极材料的研究热点之一。本文主要介绍了锑单质、锑/碳复合材料、锑合金、锑的氧化物、锑的硫化物以及锑的其他复合物等锑基钠离子电池负极材料的研究现状。     

钠离子电池电极材料研究进展

室温钠离子电池由于原料丰富,分布广泛,价格低廉,引起了人们的研究兴趣。然而,由于钠离子相对于锂离子较重且半径较大,这会限制钠离子在电极材料中的可逆脱嵌过程,从而影响电池的电化学性能。因此研发先进的电极材料成为钠离子电池实用化的关键。本文中我们主要介绍了几种典型的钠离子电池电极材料,并对其最新的研究进展进行了简要综述,将为钠离子电池新型电极材料的研究提供基础。     

钠离子电池电极材料研究进展

室温钠离子电池由于原料丰富,分布广泛,价格低廉,引起了人们的研究兴趣。然而,由于钠离子相对于锂离子较重且半径较大,这会限制钠离子在电极材料中的可逆脱嵌过程,从而影响电池的电化学性能。因此研发先进的电极材料成为钠离子电池实用化的关键。本文中我们主要介绍了几种典型的钠离子电池电极材料,并对其最新的研究进展进行了简要综述,将为钠离子电池新型电极材料的研究提供基础。     

电化学转换反应及其在二次电池中的应用

电化学转换反应作为一种新的电极反应机制,近年来受到相当多的关注. 转换反应不仅能够利用金属化合物的多价态氧化还原,大幅度提高电化学容量利用率,而且对于主体晶格的结构、嵌脱阳离子的尺寸并无特殊要求,可以应用于众多不同种类的金属化合物,针对不同的金属离子设计高容量正负极活性材料. 因此,基于转换反应构建高容量电极材料正成为二次电池发展的一个新方向. 本文简要分析了电化学转换反应的基本原理和实现条件,并结合作者课题组近年来的研究工作探讨了这类反应在锂离子及钠离子电池中的潜在应用.     

VOCl as a Cathode for Rechargeable Chloride Ion Batteries

A novel room temperature rechargeable battery with VOCl cathode, lithium anode, and chloride ion transporting liquid electrolyte is described. The cell is based on the reversible transfer of chloride ions between the two electrodes. The VOCl cathode delivered an initial discharge capacity of 189 mAh g^?1. A reversible capacity of 113 mAh g^?1 was retained even after 100 cycles when cycled at a high current density of 522 mA g^?1. Such high cycling stability was achieved in chloride ion batteries for the first time, demonstrating the practicality of the system beyond a proof of concept model. The electrochemical reaction mechanism of the VOCl electrode in the chloride ion cell was investigated in detail by ex situ X‐ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM), and X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results confirm reversible deintercalation–intercalation of chloride ions in the VOCl electrode.     

Electrospun Cu/Sn/C Nanocomposite Fiber Anodes with Superior Usable Lifetime for Lithium‐ and Sodium‐Ion Batteries

Cu/Sn/C composite nanofibers were synthesized by using dual‐nozzle electrospinning and subsequent carbonization. The composite nanofibers are a homogeneous amorphous matrix comprised of Cu, Sn, and C with a trace of crystalline Sn. The Li‐ and Na‐ion storage performance of the Cu/Sn/C fiber electrodes were investigated by using cyclic voltammetry, galvanostatic cycling, and electrochemical impedance spectroscopy. Excellent, stable cycling performance indicates capacities of 490 and 220 mA h g^?1 for Li‐ion (600 cycles) and Na‐ion (200 cycles) batteries, respectively. This is a significant improvement over other reported Sn/C nanocomposite devices. These superior electrochemical properties could be attributed to the advantages of incorporating one‐dimensional nanostructures into the electrodes, such as short electron diffusion lengths, large specific surface areas, ideal homogeneous structures for buffering volume changes, and better electronic conductivity that results from the amorphous copper and carbon matrix.     

锂/钠离子电池材料的固体核磁共振研究进展

固体核磁共振技术是一种定量分析固体材料结构与组成的强有力手段,结合固体核磁共振和常规x-射线衍射(XRD)、 x-射线吸收谱(XAS)等表征方法可对锂/钠离子电池材料在电化学反应中的结构演化过程进行全面的分析. 例如通过固体核磁共振研究, 可获得不同合成与修饰条件下, 锂/钠离子电池电极和电解质材料体相以及电极/电解质界面层的化学组成、局域结构和离子扩散动力学等信息,为高性能电池材料的设计和研发提供重要的基础数据. 本文结合本课题组的研究工作,综述了近三年来国内外固体核磁共振技术在锂/钠离子电池电极、电解质材料以及固体电解质界面膜（SEI）研究中的应用和进展.     

Hydrothermal exfoliated molybdenum disulfide nanosheets as anode material for lithium ion batteries

Ultrathin MoS2nanosheets were prepared in high yield using a facile and effective hydrothermal intercalation and exfoliation route. The products were characterized in detail using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and Raman spectroscopy. The results show that the high yield of MoS2nanosheets with good quality was successfully achieved and the dimensions of the immense nanosheets reached 1 μm–2 μm. As anode material for Li-ion batteries, the as-prepared MoS2nanosheets electrodes exhibited a good initial capacity of 1190 mAh g-1and excellent cyclic stability at constant current density of 50 mA g-1. After 50 cycles, it still delivered reversibly sustained high capacities of 750 mAh g-1.     

锂离子二次电池锰系正极材料

综述了锂离子二次电池锰系正极材料的研究进展，侧重于阐述尖晶石型及层状锰酸锂的制备、结构与电化学性能之间的关系。     

层状钛硅酸盐化合物作为锂离子电池负极储能材料

锂离子二次电池是手提设备的重要电力来源。近年来,人们为了寻找更新颖更好的锂离子电极材料,开始研究晶形离子交换材料,这种材料具有开放孔道,能够让离子在多孔框架里自由的进出。一种具有层状结构的钛硅酸盐Na-JDF-L1(Na₄Ti₂Si₈O₂₂·4H₂O)经过离子交换后被用作锂离子负极材料。它在循环200次后放电容量保持在364 mAh·g^-1,并且库伦效率约为100%。通过将TiO₂引入Li(Na)-JDF-L1中,有效的提高了材料的首次库伦效率和倍率放电性能。     

基于有机物电极的电化学能量存储与转化

由于高安全的特性,水系二次电池被认为是未来大型储能的有效解决方案之一. 然而,现有水系电池主要以含金属元素的无机化合物为电极活性材料,其在大型储能中的实际应用仍受到循环寿命、环境问题、原料成本或金属元素丰度的限制. 相较于无机电极材料,部分有机电极材料具有原料丰富、结构丰富、可持续及环境友好等优点. 此外,有机物材料分子内空间大,能够存储不同价态电荷,因此近年来被广泛关注. 本文综述了课题组近期在有机物电极方面的研究进展,内容聚焦含羰基有机物通过C=O/C-O-的可逆转化存储单价金属阳离子(Li⁺, Na⁺)、双价金属阳离子(Zn²⁺)、质子(H⁺)所涉及的电化学过程,及其在水系锂、钠离子电池、水系锌离子电池、质子电池以及分步电解水中的应用.     

A Universal Organic Cathode for Ultrafast Lithium and Multivalent Metal Batteries

Low‐cost multivalent battery chemistries (Mg²⁺, Al³⁺) have been extensively investigated for large‐scale energy storage applications. However, their commercialization is plagued by the poor power density and cycle life of cathodes. A universal polyimides@CNT (PI@CNT) cathode is now presented that can reversibly store various cations with different valences (Li⁺, Mg²⁺, Al³⁺) at an extremely fast rate. The ion‐coordination charge storage mechanism of PI@CNT is systemically investigated. Full cells using PI@CNT cathodes and corresponding metal anodes exhibit long cycle life (>10000 cycles), fast kinetics (>20 C), and wide operating temperature range (?40 to 50 °C), making the low‐cost industrial polyimides universal cathodes for different multivalent metal batteries. The stable ion‐coordinated mechanism opens a new foundation for the development of high‐energy and high‐power multivalent batteries.