《能源电化学材料》专辑序言

以电化学能量储存和转化为特点的电池、电容器等储能技术,正在信息通讯、新能源汽车、微电网、分布式发电、大型电力储能、智能电网等领域得到广泛应用,将有力推动能源互联网的快速发展. 作为储能核心技术之一的锂电池、钠电池与超级电容器,更加受到重视. 这些电化学储能装置的性能依赖于所使用的电极材料与结构等. 发展高能量密度、高功率密度和长循环寿命的低成本储能体系成为能源电化学材料研究的核心. 本专辑围绕锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等,收录了在该领域具有丰富研究经验的团队所撰写的8篇相关综述和研究论文. 其中,围绕下一代锂离子电池负极硅材料,邀请了3篇综述和研究论文;鉴于丰富的钠资源,在钠离子电池研究方面也邀请了3篇综述论文;同时在高能量密度的锂硫电池和高功率密度的超级电容器方面各邀请1篇论文. 从这些论文中,可以部分看出锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等能源电化学材料的研究进展. 希望借助此专辑的出版,能使广大读者更好地了解上述几类电池、电容器的研究现状,研究趋势和存在问题及挑战,为更深入地开展该领域研究提供参考,以推动我国能源电化学材料研究的进一步发展. 在此,对专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤劳动,表示最衷心的感谢！     

聚3-(4-氟苯基)噻吩/碳化聚丙烯腈泡沫复合电极的电化学研究

噻吩衍生物是合成导电高分子材料的单体之一,在有机电致发光器件和电能存储等方面有着广泛的应用。聚3-(4-氟苯基)噻吩(PFPT)是一类既可进行p型掺杂又可进行n型掺杂的窄能带聚合物,在导电高分子型电化学电容器方面具有很好的应用前景,聚丙烯腈微孔膜已在锂离子电池方面有了很好的应用。若将它与碳纸复合后,再进行高温碳化和CO2活化,可制得导电性好、比表面积大的片状材料,作为电化学电容器的电极材料具有一定的双电层电容量．本文在三电极电解池中以这种材料的薄片为工作电极使3-(4-氟苯基)噻吩在乙腈溶液中进行电化学聚合,制备了聚3-(4-氟苯基)噻吩／碳化聚丙烯腈泡沫复合电极并研究了电极的电化学特性。     

隔膜对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响

隔膜是双电层电容器和混合型电池-超级电容器等电化学储能器件的重要组成元件.本文采用1 mol?L-1四乙基四氟硼酸铵的丙烯碳酸酯电解液制备了基于活性炭的扣式双电层电容器,并采用1 mol?L-1六氟磷酸锂锂离子电解液制备了(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2+活性炭)/石墨体系的混合型电池-超级电容器.研究了不同类型隔膜的物理化学性能,以及其对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响.四种隔膜分别是无纺布聚丙烯毡、多孔聚丙烯薄膜、Al2O3涂层的聚丙烯薄膜和纤维素纸隔膜.进行了表面形貌、差示扫描量热、电解液吸液量和表观接触角测试表征.电化学测试表明,采用纤维素隔膜的双电层电容器具有最高的比电容和更优的倍率性能,电容器的自放电性能差别不大.而对于混合型电池-超级电容器,采用聚丙烯薄膜和无纺布聚丙烯毡隔膜器件的比容量比其它器件约高20%,且采用纤维素隔膜的器件自放电率最高.     

隔膜对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响（英文）

隔膜是双电层电容器和混合型电池-超级电容器等电化学储能器件的重要组成元件.本文采用1 mol?L-1四乙基四氟硼酸铵的丙烯碳酸酯电解液制备了基于活性炭的扣式双电层电容器,并采用1 mol?L-1六氟磷酸锂锂离子电解液制备了(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2+活性炭)/石墨体系的混合型电池-超级电容器.研究了不同类型隔膜的物理化学性能,以及其对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响.四种隔膜分别是无纺布聚丙烯毡、多孔聚丙烯薄膜、Al2O3涂层的聚丙烯薄膜和纤维素纸隔膜.进行了表面形貌、差示扫描量热、电解液吸液量和表观接触角测试表征.电化学测试表明,采用纤维素隔膜的双电层电容器具有最高的比电容和更优的倍率性能,电容器的自放电性能差别不大.而对于混合型电池-超级电容器,采用聚丙烯薄膜和无纺布聚丙烯毡隔膜器件的比容量比其它器件约高20%,且采用纤维素隔膜的器件自放电率最高.     

新型碳材料——石墨烯的制备及其在电化学中的应用

作为单原子厚度的二维碳原子材料,石墨烯由于其特殊的结构和物化性能而成为目前碳基材料中的一个研究热点.本文主要介绍了石墨烯及其复合纳米材料制备的一些新方法.结合石墨烯优良的导电性和生物相容性,论述了石墨烯在电化学分析领域,以及电催化、超级电容器和电化学电池等方面的应用.     

无机插层材料在电化学能量存储与转换领域的研究进展

由于全球能源和环境危机的不断加剧,清洁高效能源的研究和应用引起了人们的极大关注.层状双金属氢氧化物LDHs是一类典型的阴离子黏土材料,由于其电化学活性高、稳定、价廉,近年来被广泛用于电化学传感器、超级电容器、锂离子电池和燃料电池等领域.本文详细介绍了插层材料LDHs的材料设计、可控制备及其在电化学能量存储与转换领域的研究进展,并进一步讨论了LDHs材料在该领域面临的挑战和发展趋势.     

碳材料在电化学储能中的应用

电化学储能材料是电化学储能器件发展及性能提高的关键之一. 碳材料在各种电化学储能体系中都起到了极为重要的作用,特别是近期出现的各类新型碳材料为电化学储能的发展带来了新动力,并展现了广阔的应用前景. 本文综述了碳材料,特别是以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料,在典型电化学储能器件（锂离子/钠离子电池、超级电容器和锂硫电池等）、柔性电化学储能和电化学催化等领域的研究进展,并对碳材料在这些领域的应用前景进行了展望.     

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼有锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景. 但其产业化仍存在一系列的基础及工艺方面的问题,具体包括器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等. 本文结合作者课题组的研究工作介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.     

CVD 法制备三维石墨烯的电化学储能性能

维石墨烯是由二维石墨烯构成的三维网络结构,多孔的网络结构赋予了三维石墨烯超大的比表面积、超高的机械强度以及优异的电子传输通道. 因其优异的性能,三维石墨烯及其复合材料已经广泛地应用于能源、化学和生物等研究领域. 在三维石墨烯的合成方法中,化学气相沉积法由于制备的三维石墨烯具有高纯度、良好结晶性和优异的机械性能而备受推崇. 本文结合当前研究热点,综述了化学气相沉积法制备三维石墨烯及其复合材料在电化学储能领域（铝电池、锂离子电池、锂-硫电池、钠离子电池、金属-空气电池、超级电容器）中的应用,并简要评述当前化学气相沉积法制备三维石墨烯在应用中所面临的挑战及发展前景.     

提高电容性电化学储能装置能量容量的一些尝试

本文从作者所在的课题组在超级电容器和超级电容电池方向的研究内容为基础,在电极材料和装置层面综述了电容性电化学储能装置的发展. 导电聚合物和过渡金属氧化物分别与碳纳米管复合后的复合物能显著提高前两者作为电容性法拉第储能电极的电容性能. 活性炭和碳黑等一类碳材料则可作为非法拉第储能的电极材料. 通过对超级电容器正负极电容做相应的匹配调整可以提高超级电容器的最大充电电压,从而提高超级电容器的能量容量. 此外,为了与实际设备相匹配,超级电容可以以双极板的方式串联堆积,满足高电压的需求. 超级电容电池作为新一代的电容性电化学储能装置,分别由具有电容性和法拉第电荷储存原理的电极组成,具有高比功率和高比能量的特点,也是近年来的研究热点.     

低热固相法制备纳米MnO2/CNT超电容复合电极的循环稳定性

为了改善纳米MnO2超级电容器电极的充放电循环稳定性,以Mn(OAc)2·4H2O、NH4HCO3和碳纳米管(CNT)为原料,采用低热固相反应得到前驱体,再经焙烧和酸处理,制备了一系列CNT含量不同的纳米MnO2/CNT复合电极材料,并用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积测定方法对其进行了表征.XRD分析结果表明,复合材料中的MnO2为纳米γ-MnO2.研究了复合电极在1 mol·L-1 LiOH电解质中的电化学性能,并与不含CNT的纯纳米MnO2电极进行了比较.结果表明,含CNTs为10%(w,质最分数,下同)和20%的MnO2/CNT复合电极的循环稳定性远优于纯纳米MnO2电极的循环稳定性,其中含10%CNTs的MnO2/CNT复合电极不仪具有良好的循环稳定性,而且在1000 mA·g-1高倍率充放电条件下仍具有200 F·g-1的高比电容.     

Electrochemical Properties of Carbon Black AD-100 and AD-100 Promoted with Pyropolymer of Cobalt Tetra(p-methoxyphenyl)porphyrin

Carbon black AD-100: initial, activated, and promoted with pyropolymer of cobalt tetra(p-methoxyphenyl)porphyrin is characterized by a complex of electrochemical (floating electrode, rotating disk electrode, rotating ring-disk electrode, electrochemical impedance) and structural (standard porosimetry, BET) methods of investigation. Procedures for the AD-100 activation and promotion and the preparation of thin layers of the material to be studied and deposited on disk electrodes are described. The effect of the activation and promotion of carbon black on the surface and electrocatalytic activity of materials under study in the reduction of oxygen and hydrogen peroxide is shown. The ratio of constants of oxygen reduction directly to water and through intermediate formation of hydrogen peroxide is determined. A path for the oxygen reduction is discussed.     

Nickel Coated Graphite Microparticle Based Electrodes for Carbon Dioxide Reduction in MonoethanolamineMedium

A composite electrode that contains home-made nickel coated carbon micro-particles as active materials and epoxy binder has been prepared. The surface morphology, elemental composition and size distribution of microparticles were investigated using SEM, EDS, AAS, micro Raman spectroscopy and appropriate seizer apparatus. The prepared micro-particles appeared monodispers with 33 μm most numerous particle size diameter and with 10.1 w/w % Ni content. Conventional electrochemical methods like impedance spectroscopy and voltammetry as well as scanning electrochemical microscopy (SECM) were used for investigation the properties of the composite electrodes. It has been proved that the electrode can be well used for electro-catalytic reduction of CO₂ directly in aqueous mono-ethanol amine (MEA) solution that frequently are applied for capturing it from power plant flue gases. SECM measurements showed that presence of dissolved CO₂ hinders the hydrogen evolution in aqueous MEA solution.     

纳米碳管电极的制备与电化学检测性能研究

纳米碳管由于其独特的物理和化学性能及广阔的应用前景而备受关注,其相关研究涉及到众多领域[1￣3]。在电化学分析领域,与其它碳电极材料相比,纳米碳管电极具有较大的电极表面积和较高的电子传递速率,其使用能增大响应电流、降低检出限,是目前电化学分析电极中一个十分引人注目     

Scalable activated carbon/graphene based supercapacitors with improved capacitance retention at high current densities

Scalable, highly stable supercapacitor electrodes were developed from the mixture of a tea factory waste based activated carbon (AC) and a low-cost electrochemical exfoliated graphene (EEG). The hybrid electrodes showed notably enhanced stability at high current densities. The AC sample was prepared by chemical method and exposed to a further heat treatment to enhance electrochemical performance. Graphene used in the preparation of hybrid electrodes was obtained by direct electrochemical exfoliation of graphite in an aqueous solution. Detailed structural characterization of AC, EEG, and hybrid material was performed. The original electrochemical performances of AC and EEG were examined in button size cells using an aqueous electrolyte. The hybrid materials were prepared by mixing AC and EEG at different mass percentage ratios, and tested as supercapacitor electrodes under the same conditions. Capacitance stability of the electrodes developed from AC:EEG (70:30) at high currents increased by about 45% compared to the original AC. The highest gravimetric capacitance (110 F/g) was achieved by this hybrid electrode. The hybrid electrode was scaled up to the pouch size and tested using an organic electrolyte. The organic electrolyte was preferred for scaling up due to its wider voltage ranges. The pouch cell had a gravimetric capacitance of 85 F/g and exhibited as good performance as the coin cell in the organic electrolyte.     

Effect of Various Deposition Techniques,Electrode Materials and Posttreatment with Tetrabutylammonium and Tetrabutylphosphonium Salts on the Electrochemical Behavior and Stability of Various Prussian Blue Modified Electrodes

The effect of various deposition techniques, electrode materials and posttreatment with tetrabutylammonium and tetrabutylphosphonium salts on the electrochemical behavior and stability of various Prussian blue (PB) modified electrodes, namely PB modified glassy carbon electrodes, silicate‐film supported PB modified glassy carbon electrodes, PB‐doped silicate glassy carbon electrodes, PB modified carbon ceramic electrodes using electrochemical deposition and PB modified carbon ceramic electrodes using chemical deposition is reported. Cyclic voltammetry and amperometric measurements of hydrogen peroxide were performed in a flow injection system while the carrier phosphate buffer (pH 7.0) with a flow rate of 0.8 mL min^?1 was propelled into the electrochemical flow through cell housing the PB modified working electrode as well as an Ag|AgCl|0.1 M KCl reference and a Pt auxiliary electrode. The results showed that the deposition procedure, electrode material and posttreatment with additional chemicals can significantly alter the stability and electrochemical behavior of the PB film. Among the studied PB modified electrodes, those based on carbon ceramic electrodes modified with a film of electropolymerized PB showed the best electrochemical stability.     

焦粉活性炭/Al-Ni(OH)2复合电极材料的制备及其超级容器性能

以焦粉为原料,用HNO3预处理除灰,采用KOH浸渍-煅烧活化法制备焦粉活性炭(CPAC),通过场发射扫描电子显微镜、X射线衍射等表征其形貌,采用BET测试其比表面积、孔结构及孔径分布。初步考察了活化温度、活化时间等对焦粉活性炭电极材料电化学性能的影响。采用共沉淀法制备CPAC/Al-Ni(OH)2复合电极材料,通过恒电流充放电测试及循环伏安测试表征CPAC/Al-Ni(OH)2复合电极材料的电化学性能。结果表明,当活化温度为800℃、活化时间为3 h制得的焦粉活性炭电极材料的电化学性能最佳,比电容达到211 F/g。CPAC-800℃-3 h/Al-Ni(OH)2复合电极材料随Al掺杂量的增大呈现先增大后减小的趋势。在固定Al质量掺杂量为4%,炭镍质量比为1∶1时所得复合材料的比电容量最大:1173.6 F/g。恒电流充放电及循环伏安测试表明Al掺杂量为4%、炭镍比为1∶1的复合材料具有较好的电化学性能。     

复合金属氧化物Sn-Sb-Mn/陶瓷粒子电极体系的电催化性能

通过热分解法制备了复合金属氧化物Sn-Sb-Mn/陶瓷粒子电极, 分别采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X 射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)和N2吸附-脱附等技术对电极的形貌、晶相组成、比表面积和孔径分布进行了表征. 考察了该三维粒子电极系统的析氧特性, 采用循环伏安法分析了三维系统的电催化性能, 并且进行了电化学催化降解苯酚的试验. 结果表明, 制备的陶瓷粒子电极涂层比表面较大、孔结构发达, 有利于电催化反应; 电催化降解主要发生在电化学析氧区; 粒子电极系统对苯酚降解作用显著, 明显高于二维电极系统, 苯酚的去除率为92.3%, 总有机碳(TOC)的去除率为66.7%. 研究结果表明, 该三维粒子电极系统具有优良的电催化性能.     

氮气热处理对CNTs-LaNi5电极电化学性能的影响

研究了碳纳米管(CNTs)氮气热处理后结构的变化, 以及热处理温度对CNTs-LaNi5电极电化学性能的影响. CNTs热处理后, 管壁变薄, 层数变少, 管的外径减小, 更有利于氢气的吸附和脱附. 将碳纳米管与LaNi5储氢合金按质量比1:10混合, 制作成CNTs-LaNi5电极. 800 ℃时CNTs-LaNi5电极的储氢性能最好, 最大容量为519.1 mAh•g-1, 相应的平台电压高达1.19 V. 在500～600 ℃范围内, 随着温度升高, 放电容量有较大幅度的增加; 在600～800 ℃范围内, 随着温度升高, 放电容量有较小幅度的增加; 但到900 ℃时, 放电容量反而下降. 由此可见, CNTs的热处理温度对CNTs-LaNi5电极的电化学储氢性能有着较大的影响. 纯LaNi5电极的放电容量仅为265.6 mAh•g-1, 平台电压仅为0.83 V. 添加了碳纳米管的CNTs-LaNi5电极的电化学活性高于纯LaNi5电极.