碳空心球/硫复合材料制备和电化学性能研究

采用PMMA为模板制备碳空心球材料,并以碳空心球材料为导电骨架与硫材料复合制得碳空心球/硫复合材料. SEM和TEM照片显示,硫材料能均匀地填充在碳空心球的孔道和腔体内部. 采用恒电流充放电测试碳空心球/硫复合电极的电化学性能. 结果表明,在100 mA·g^-1、500 mA·g^-1、1 A·g^-1、2 A·g^-1 和5 A·g^-1电流密度下,碳空心球/硫复合电极可逆放电容量分别为1145 mAh·g^-1、824 mAh·g^-1、702 mAh·g^-1、586 mAh·g^-1和395 mAh·g^-1,呈现出较优异的倍率循环寿命.     

PEG包覆涂层对含碳纤维导电剂的锂硫正极材料的影响

通过球磨混合及聚乙二醇（PEG）包覆处理制备含有高模量碳纤维（HMCF）的硫基复合材料.采用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,采用X-光电子扫描能谱（XPS）验证了PEG包覆在材料的表面,较系统地研究了PEG含量对含有高模量碳纤维的硫正极比容量、循环稳定性和倍率性能等性能的影响.结果表明：和常用的导电剂乙炔黑(AB)相比,HMCF导电剂具有结晶度高,接触角小,吸液性能好等优点.当PEG涂层量为1.09%时,硫正极初始放电容量为1312.5 mAh·g^-1,在电流密度为200 mA·g^-1充放电时,50次循环以后可逆容量保持为650 mAh·g^-1,和没有PEG涂层相比,循环稳定性提高了39.9%.     

ZnCl2活化玉米秸秆炭化物的制备及其储锂性能研究

以玉米秸秆为原料,经高温煅烧制备了玉米秸秆炭化物（C1）和ZnCl₂活化玉米秸秆炭化物（C2）。利用扫描电子显微镜（SEM）、N₂等温吸-脱附测试和恒电流充放电对材料进行结构、电化学性能分析。结果表明：C2具有较大的比表面积（425.06 m₂·g^-1）和丰富的孔道结构;电流密度为100 mA·g^-1时,C1和C2的首次放电和充电比容量分别为540.2 mAh·g^-1, 277.2 mAh·g^-1和1 156.0 mAh·g^-1, 517.6 mAh·g^-1; 600 mA·g^-1电流密度下循环300次后,C2的放电比容量可保持在379.8 mAh·g^-1, C2具有较高的可逆比容量和良好的循环稳定性。     

还原氧化石墨烯/TiO2复合材料在钠离子电池中的电化学性能

二氧化钛(TiO₂)作为有前景的钠离子电池负极材料, 具有良好的循环稳定性, 但由于其导电率较低, 而导致容量和倍率性能不佳限制了其实际应用. 本文采用喷雾干燥技术制备了氧化石墨烯/纳米TiO₂复合材料(GO/TiO₂), 通过热处理获得还原氧化石墨烯/TiO₂复合材料(RGO/TiO₂). 电化学测试结果表明, 还原氧化石墨烯改性的RGO/TiO₂复合材料的电化学性能得到显著提升, RGO含量为4.0%(w)的RGO/TiO₂复合材料在各种电流密度下的可逆容量分别为183.7 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 153.7 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和114.4 mAh·g^-1 (600mA·g^-1), 而纯TiO₂的比容量仅为93.6 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 69.6 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和26.5 mAh·g^-1 (600mA·g^-1). 4.0%(w) RGO/TiO₂复合材料体现了良好的循环稳定性, 在100 mA·g^-1电流密度下充放电循环350个周期后, 比容量仍然保持146.7 mAh·g^-1. 同等条件下, 纯TiO₂电极比容量只有68.8 mAh·g^-1. RGO包覆改性极大提高了TiO₂在钠离子电池中的电化学嵌钠/脱钠性能. RGO包覆改性技术在改进钠离子电池材料性能中将有很好的应用前景.     

三维多孔集流体改善NiO电极的储锂特性

三维多孔金属不仅可容纳电极在储锂过程中的体积变化,且为锂离子提供快速传输通道,因此被广泛用做锂离子电池集流体,以提升其循环稳定性和高倍率容量.NiO作为锂离子电池负极具有高理论比容量而备受关注,但其电子导电性差和充放电过程中的巨大体积变化造成其循环寿命短和高倍率容量低.此外,NiO首次放电（嵌锂）产物Ni⁰和Li₂O不能在充电（脱锂）过程中完全反应造成首次不可逆容量大,阻碍了其商业化应用.本工作采用简单、易规模化的化学镀法制备出具有三维贯穿孔的多孔铜（孔径≈5 μm）,并在其孔壁电沉积获得NiO@三维多孔铜电极.由于三维多孔铜集流体可容纳NiO储锂过程中的体积变化;为锂离子提供快速传输通道,同时其高比表面积增大了Ni⁰和Li₂O的反应活性点,因此该电极显示出优异的高倍率容量和高首次库伦效率.该电极在200 mA·g^-1电流密度下,首次放电（嵌锂）和充电（脱锂）容量分别为1522.3和1230.2 mAh·g^-1,首次库伦效率达到80.8%;在高电流密度20 A·g^-1下显示578.1 mAh·g^-1容量.以NiO@三维多孔铜为负极,LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂为正极组装成全电池,首次充电和放电容量分别为1514和1060 mAh·g^-1（基于NiO电极,电流密度0.2 A·g^-1）,首次库伦效率为70%;1.0 A·g^-1电流密度下,首次放电比容量为873 mAh·g^-1,100次循环后保持709 mAh·g^-1,保持率为81%;10 A·g^-1电流密度下容量保持530.6 mAh·g^-1.该工作将为过渡金属氧化物储锂性能提升提供新途径.     

共轭微孔聚合物多孔硬炭的KOH活化碳化与储锂性能

以1,3,5-三乙炔基苯为单体自聚合成了共轭微孔聚合物（CMP）,经直接碳化、KOH活化碳化分别制备了多孔硬炭（PHC）和KOH活化多孔硬炭（K-PHC）。用SEM、N₂吸附-脱附测试对K-PHC和PHC形貌结构进行了分析。K-PHC具有丰富的孔结构和较大的比表面积（1234.5 m²·g^-1）。恒流充放电测试表明：K-PHC的首次充放电比容量为972.1和2438.2 mAh·g^-1; 0.6 A·g^-1电流密度下循环300次,仍可达到627.2 mAh·g^-1的高比容量。      

球形Sn-SnSb合金纳米粒子制备及其储锂性能

锂离子电池Sn负极材料有较高的比容量,但其容量随周期循环急剧衰减. 若Sn与Sb形成SnSb合金可以改善其循环性能. 本文采用有机液相还原方法制备了球形Sn-SnSb合金纳米粒子,其首周期循环充电容量1235.9 mAh·g^-1,放电容量为785.9 mAh·g^-1,经过50周的循环之后其放电容量保持在409.2 mAh·g^-1,表现出较好的循环性能.     

石墨烯包覆富锂层状材料的制备及其电化学性能

应用共沉淀结合固相烧结合成了富锂层状氧化物（Li-rich layered oxide,LLO）Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂. 对制备的富锂材料用氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）包覆后,再经300 ^oC空气中煅烧,制备了石墨烯（Graphene,Gra）卷绕包覆的复合材料（LLO/Gra）. 使用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）及电化学方法表征所得样品. 结果表明,富锂层状氧化物均匀地卷绕在石墨烯中. 与原始富锂材料相比,石墨烯包覆后的复合材料表现出更加优异的电化学性能. 尤其是石墨烯卷绕可以改善富锂材料的导电性,提高材料的放电倍率性能,在2.0至4.8 V电压范围内,0.1C（20 mA·g^-1）电流充放电下,容量达270 mAh·g^-1,1C倍率下复合物的放电容量接近200 mAh·g^-1,比原始LLO材料170 mAh·g^-1提高了15%.     

石墨烯包覆的硫填充碳纳米笼自支撑整体材料的制备及其锂硫电池性能研究

锂硫电池具有理论能量密度高、活性物质价廉、毒性低等优点,是最具发展潜力的高能量二次电池之一,其应用仍存在硫面载量小、循环寿命短和库伦效率低等难题.制备了石墨烯包覆的硫填充碳纳米笼自支撑整体材料,可直接用作锂硫电池正极,避免使用粘结剂、导电剂和集流体,当硫的面载量为3.8 mg·cm^-2时,锂硫电池展现出高的可逆比容量（1104 mAh·g^-1）、优异的循环稳定性（每圈容量衰减率仅为0.049%@1.0 A·g^-1）和>99.9%的库伦效率,其面积比容量（3.7 mAh·cm^-2）处于锂硫电池的先进水平.该电极的优异性能可归因于以下因素的协同作用：碳纳米笼的物理限域作用及石墨烯中含氧官能团的化学吸附作用有效抑制了活性物质的流失,微孔-介孔-大孔共存的分级孔结构和高导电性利于离子和电子的传输,纳米笼空腔填充有利于缓解体积膨胀造成的影响,整体材料的自支撑稳定结构有利于增加硫载量且维持电化学性能.本研究还提供了一种工艺简单、能有效提高面积比容量的硫正极制备方法.     

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。     

酸浸蚀Al-Si合金制备锂离子电池高性能多孔硅负极材料

本文首次提出利用酸浸蚀Si-Al（含Al 80%）合金粉末的方法制备多孔硅材料. 分析表明制得的多孔硅材料为晶体,并具有由纳米颗粒结集成的海绵状多孔结构,其粒径约20 μm,比表面102.7 m²·g^-1. 多孔硅电极按多孔硅:导电碳:粘结剂 = 1:1:1（by mass）涂成. 在添加15%氟化碳酸乙烯酯（FEC）的1 mol·L^-1 LiPF₆/EC + DMC（1:1,by volume）电解液,在100 mA·g^-1电流密度充放电,多孔硅电极的首次放电比容量2072 mAh·g^-1 Si. 经237次充放电循环后,其放电容量仍可保持在1431 mAh·g^-1 Si,显示了相当高的充放电稳定性. 这归因于其海绵状多孔结构有足够的微空间以承受充电过程中硅的急剧膨胀. 硅微粒的纳米尺寸有利于锂在Li-Si合金中的扩散. 纳米硅微粒可牢固地联成一整体,不易因膨胀、收缩而粉化断裂. 这种构筑多孔硅负极材料的新方法操作简便、成本低廉,有着很好的应用前景.     

等离子体辅助球磨Si-C复合负极材料及其电化学性能研究

首次采用介质阻挡放电等离子体辅助高能两次球磨制得Si-C复合材料,其结构为微纳尺度硅颗粒均匀分散于微米级碳基体上. Si-C复合电极首周期循环放电容量为1259 mAh·g^-1,20和100周期循环的容量分别为474和396 mAh·g^-1. 该电极充放电曲线和交流阻抗测试的结果表明,复合材料中的硅和碳均参与锂离子嵌/脱反应,且其电荷传导阻抗明显低于纯Si.     

三维多孔还原氧化石墨烯气凝胶的制备及其在锂离子电池中的应用

以天然鳞片石墨为原料,采用改良的Hummers方法,制备了高纯度的薄层或单层氧化石墨(GO);并以抗坏血酸为还原剂,通过自组装还原的方式成功制备了具有三维多孔独巨石结构的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶,其形貌和结构经FT-IR, SEM, TEM, XRD和XPS表征。并对其作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行了测试。结果表明：rGO气凝胶独特的形貌和结构提高了其比容量和循环性能,在100 mA·g^-1电流密度下首周放电比容量可达1 700 mAh·g^-1,首周充电比容量达710 mAh·g^-1,经过100周循环后放电比容量仍可保持在450 mAh·g^-1,库伦效率保持在98%。     

均匀负载氧化镍纳米颗粒多孔硬碳球的制备及其高性能锂离子电池负极材料应用

利用水热法制备了粒径为90-130 nm的多孔硬碳球, 并通过浸渍与煅烧的方法制备了硬碳球均匀负载纳米氧化镍颗粒(~10 nm)复合材料. 硬碳球的表面官能团和内部的微孔保证了氧化镍颗粒在硬碳上的均匀分布. 在100 mA·g^-1的电流密度下, 复合材料电极首次充电比容量高达764 mAh·g^-1; 在100 mA·g^-1的电流密度下循环100 个周期后电极充电比容量保持在777 mAh·g^-1, 容量保持率为101%; 800 mA·g^-1电流密度下电极的充电比容量达380 mAh·g^-1, 显示复合材料电极具有优异的循环性能和倍率性能. 硬碳的表面官能团和内部微孔为氧化镍提供了优先形核位点, 保证了二者的牢固结合, 使复合材料获得了“协同效应”, 从而使复合电极具备更短的锂离子扩散路径、更高的电导率和更多的锂离子脱嵌位点. 这种方法还可用于制备硬碳/其他金属氧化物复合材料.     

高性能LiFePO4/碳纳米笼锂离子电池正极材料

以具有高比表面积、分级孔结构和优良导电性的碳纳米笼（CNCs）为载体,制得了粒子尺寸为10～25 nm且高度分散的LiFePO₄/CNCs复合物.以LiFePO₄/CNCs复合物作为锂离子电池的正极材料,在0.1 C倍率下首次放电比容量达到163 mAh·g^-1,15 C和30 C倍率下的放电比容量可达96和75 mAh·g^-1;在15 C倍率下循环200圈后,其放电比容量仍保持在92 mAh·g^-1,显著优于LiFePO₄/CNTs复合物.这些结果表明,LiFePO₄/CNCs复合物具有优异的倍率性能和循环稳定性,是一种性能优良的锂离子电池正极材料,其性能源自CNCs载体的高比表面积、分级孔结构和优异导电性以及LiFePO₄颗粒的纳米化和高结晶度.     

芘基共轭微孔聚合物用于锂离子电池电极材料性能研究

共轭微孔聚合物由于其高的比表面积、优良的物理化学稳定性以及沿分子链延伸的共轭结构等特点,使其在锂离子电池电极材料方面具有巨大的应用前景.本工作以四溴芘和对苯二硼酸为构建单元,通过Suzuki偶联反应合成了具有高比表面积的芘基共轭微孔聚合物PyDB,并研究了其作为锂离子电池电极材料的电化学性能.当PyDB用作锂离子电池正极材料时,在50 mA·g^-1的电流密度下,放电容量达到163 mAh·g^-1,即使在3000 mA·g^-1的电流密度下仍具有62 mAh·g^-1的可逆容量,在100 mA·g^-1的电流密度下循环300次仍具有167 mAh·g^-1的容量.当该聚合物用作负极材料时,在50 mA·g^-1电流密度下的放电容量达到495 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下循环300次,仍具有245 mAh·g^-1的容量.PyDB优异的电化学性能主要归因于其延伸的共轭结构和高比表面积的多孔结构,大的共轭结构有利于分子链的掺杂反应和电子传导,高比表面积的多孔结构有利于提供大量的活性位点并促进离子的迁移.     

锂离子电池碳包覆锡负极性能研究

应用水热法分解葡萄糖制作锂离子电池碳包覆锡负极. 充放电测试表明,添加5%（by mass）乙炔黑导电剂的该电极初始放电比容量达967 mAh.g^-1,经50周循环其放电比容量仍保持362 mAh.g^-1,远高于锡电极的比容量（50周循环166 mAh.g^-1）. 碳包覆可防止锡粉团聚,降低锡的不可逆容量损失. 而添加乙炔黑可降低碳包覆电极与电解液间的交流阻抗,改善电极内部锂离子及电子的传导通道,从而也提高了该电极的初始放电比容量.     

碳包覆纳米SnO2中空纤维的制备及电容性能

采用同轴静电纺丝法制备了碳包覆纳米SnO₂中空纤维超级电容器电极材料.利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和比表面积分析仪(BET)对材料进行表征.结果表明,纤维呈现中空形貌,平均直径为1 μm; SnO₂颗粒均匀分布于碳壳结构中,平均粒径为3-15 nm.材料的比表面积为565 m²·g^-1.在三电极体系中,当电流密度为0.25 A·g^-1时,电极材料的比容量达397.5 F·g^-1;在1.0A·g^-1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的88%.在对称型双电极体系中,电流密度为0.25 A·g^-1时,电极材料的比容量达162.0 F·g^-1,在1.0 A·g^-1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的84%.     

Ni/Mn3O4/NiMn2O4@RGO空心微球负极的制备及其储钠性能

采用溶剂热法制备前驱体,后经350 °C热处理,首次合成了空心结构的NiMn₂O₄微球以及不同含量氧化石墨烯包覆的Ni/Mn₃O₄/NiMn₂O₄@RGO复合材料. 电化学性能测试表明,复合负极材料中,含25wt%还原氧化石墨烯的材料储钠性能最佳,其在50 mA·g^-1电流密度下,100次循环后放电比容量保持在187.8 mAh·g^-1,且800 mA·g^-1电流密度下的可逆容量高达149.9 mAh·g^-1,明显优于NiMn₂O₄及其他石墨烯基复合材料. 研究指出,复合材料性能的提升得益于空心微球和还原的氧化石墨烯构成的特殊结构,一方面缩短了电子/离子传输距离,缓解了体积效应,另一方面高导电网络有效增强了活性物质利用率.     

氮硫共掺杂多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因其较高的理论容量和对环境友好等优势被视为极具发展潜力的储能装置,但是多硫化物的穿梭效应极大地限制了锂硫电池的实际应用。本文以葡萄糖为碳源,离子液体为氮源和硫源,KCl和ZnCl₂为模板剂,KOH为活化剂,通过热解工艺合成了氮硫共掺杂多孔碳（NSPC）。XPS和极性吸附实验表明N、S杂原子成功引入并且提高了碳材料对多硫化物的吸附能力,有效缓解多硫化物的穿梭效应,而较高的比表面积（1290.67 m²·g^-1）有助于提高硫负载量。负载70.1wt.%的硫后（S@NSPC）作为锂硫电池的正极材料表现出了良好的电化学性能。在167.5 mA·g^-1的电流密度下S@NSPC的首次放电容量为1229.2 mAh·g^-1,远高于S@PC的861.6 mAh·g^-1,且S@NSPC循环500圈后容量为328.1 mAh·g^-1。当电流密度从3350 mA·g^-1恢复至167.5 mA·g^-1时,可逆容量达到首圈放电比容量的80%,几乎恢复至其初始值。