N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能

通过高温碳化聚吡咯纳米管制备了氮掺杂碳纳米管(N-CNTs), 并采用共沉淀法将镍钴层状双氢氧化物(NiCo-LDH)原位生长在N-CNTs上, 制备出具有三维互联网状结构的N-CNTs/NiCo-LDH复合材料. 研究了镍钴摩尔比对N-CNTs/NiCo-LDH复合材料形貌结构和电化学性能的影响. 结果表明, 当镍钴摩尔比为1∶2时, N-CNTs/Ni₁Co₂-LDH具有最佳的电化学性能. 在1 A/g电流密度下, 其比电容可达1311.8 F/g; 当电流密度为 10 A/g时, 电容保持率高达88.3%, 展现出优异的倍率性; 在经过2500次循环后, 电容保持率仍可达76.4%, 具有良好的循环稳定性.由N-CNTs/Ni₁Co₂-LDH与活性炭(AC)电极所构建的N-CNTs/Ni₁Co₂-LDH//AC水系混合型超级电容器, 在750 W/kg功率密度下, 具有27.19 W·h/kg的高能量密度.     

新型石墨化氮化碳/锡/氮掺杂碳复合物的制备及储钠性能

钠离子电池锡负极因具有较高的理论容量(847 mA·h/g)、 高电导率和合适的工作电位而备受关注. 但锡基负极材料在循环过程中会发生巨大的结构变化, 进而导致活性材料粉化失活和比容量的快速下降. 本文成功制备了基于石墨氮化碳(g-C₃N₄)、 聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)和Sn纳米颗粒的复合物(g-C₃N₄/Sn/NC), 其中Sn纳米颗粒包埋在石墨氮化碳和氮掺杂碳中. 在此多层分级结构中, g-C₃N₄和NC的引入可以显著加速电子/离子的传输及电池反应动力学, 从而有助于Sn和钠离子之间的合金化反应; 此外, 这种复合结构有助于保持电极材料的结构稳定性, 进而可以获得优异的储钠性能. 作为钠离子电池负极材料, g-C₃N₄/Sn/NC在0.5 A/g电流密度下经历100次循环, 可逆容量可以达到450.7 mA·h/g; 在1.0 A/g电流密度下, 比容量为388.3 mA·h/g; 此外, 在1.0 A/g电流密度下, 经过400次循环后其比容量依旧能达到363.3 mA·h/g.     

锆掺杂以提升LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的高温电化学性能

为解决LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料在高温下循环性能差的问题,本文通过固相法对材料进行锆掺杂改性,研究了不同掺杂量对LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂晶体结构和电化学性能的影响。研究表明,当锆掺杂量为1% (x)时,可以降低LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂结构中的Li⁺/Ni²⁺离子混排,有助于材料电化学性能的提高,尤其是高温循环性能。在25 ℃、3.0-4.3 V下, Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)_0.99Zr_0.01O₂在1C循环95次后容量保持率为92.13%,优于未掺杂样品(87.61%)。在55 ℃下, Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)_0.99Zr_0.01O₂在1C循环115次后容量保持率仍有82.96%,远高于未掺杂样品(67.63%)。因此,少量锆掺杂对提升LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂的高温循环性能有积极作用。     

纳米MgO掺杂改善LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料

将氢氧化物共沉淀法制备的(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)（OH）₂在500℃热处理5 h得到具有尖晶石结构、纳米尺寸的氧化物M₃O₄(M=Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3).将其与LiOH及不同量的纳米MgO混合均匀,并在850℃热处理24 h制备了Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_1/xMg_xO₂（x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05）正极村料.随着Mg掺杂量的增大,正极材料的晶胞参数增大;少量的Mg掺杂增大了锂离子的扩散系数,而过度掺杂却使锂离子扩散系数有所降低,其中Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_0.98Mg_0.02O₂的锂离子扩散系数最大,其脱出和嵌入扩散系数分别为D_Li-dein=29.20×10^-11cm²·S^-1和D_Li-in=4.760×10^-11cm²·s^-1;其以3C倍率充放电的平均放电比容量为139.3 mAh·g^-1,比未掺杂的原粉约高9.5 mAh·g^-1;另外其循环性能也得到了大幅度改善.     

原位氮掺杂碳包覆CoxP复合物的制备及其锂电性能

以类沸石咪唑酯骨架化合物ZIF-67为钴源、碳源和氮源前驱体,红磷作为磷源,在800 ℃煅烧直接制备氮掺杂碳包覆的Co₂P@N-C和CoP@N-C复合物,并研究其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。 结果表明,所得复合物的组分可以通过调控ZIF-67和红磷的比例而改变。 所得复合物的结构为正十二面体,尺寸约250~400 nm,具有良好的导电性。 用作锂离子电池电极材料时,在电流密度为0.05 A/g下,Co₂P@N-C和CoP@N-C复合物首次放电容量分别达到942和1170.6 mA·h/g。 在1 A/g的电流密度下,经过500次循环容量依然可以保持在306.6和180.3 mA·h/g。 论文提供了一种绿色环保制备锂电池用磷化钴/碳复合物的简易方法。     

高性能锂离子电池用N掺杂C-Sn交联纳米纤维自支撑电极的理性设计（英文）

为了提高碳材料作为锂离子电池负极材料的比容量,将氮掺杂的碳纤维与高容量的Sn进行复合。通过静电纺丝及低温碳化制备了均匀镶嵌Sn纳米颗粒的氮掺杂碳纳米纤维(C-Sn)复合膜。该复合膜直接用作自支撑锂离子电池负极时表现出较好的电化学性能,Sn的引入显著提高了碳纳米纤维膜的电化学性能。碳均匀包覆Sn后形成的纤维结构可以促进离子电子的传导,并能有效缓冲Sn纳米粒子在循环过程中的体积变化,从而有效抑制粉化与团聚。Sn含量约为25.6%的CSn-2电极具有最高的比容量和更优异的倍率性能。电化学测试结果表明,在2A·g^-1的电流密度下,充放电循环1000圈后充电(放电)比容量为412.7(413.5)mAh·g^-1。密度泛函理论(DFT)计算结果表明,N掺杂非晶碳与锂具有良好的亲和性,有利于将合金化反应之后形成的Sn_xLi_y合金锚定在碳表面,进而缓解了充放电过程中的Sn的体积变化。本文为高性能储锂材料的设计提供了一种切实可行的策略。     

锂离子电池高镍正极材料掺铝的作用及掺铝方法的研究

为了探究铝对高镍层状氧化物在结构、形貌及性能方面的影响,本文采用两种不同的方式掺铝以制备NCA正极材料 （LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂）：一是固相法即将共沉淀合成的NC前驱体（Ni_0.84Co_0.16(OH)₂）在混锂烧结过程混入铝源（纳米Al₂O₃或Al(NO₃)₃）;二是共沉淀法即直接在合成前驱体过程中混入铝源（Al₂(SO₄)₃或NaAlO₂）即合成NCA前驱体（Ni_0.8Co_0.15Al_0.05(OH)_2.05）后再混锂烧结. 结果表明,掺铝能够降低阳离子混排程度、维持层状结构的稳定性,改善材料在充放电循环过程的放电电压及中值电压大幅下降的情况,提高其循环性能. 其中以NaAlO₂为铝源合成NCA前驱体所制备的NCA材料性能最优：在3.0 ~ 4.3 V充放电区间,0.1C倍率下首圈放电比容量达198 mAh·g^-1,首次库仑效率可达94.6%,1C倍率下循环200圈后容量保持率达70%.     

基于有机磷酸类MOFs前驱体制备Ni2P/C复合材料

以镍为金属中心、 对二甲苯二磷酸为有机配体, 构筑了一种有机磷酸类Ni-MOF前驱体, 再经过一步碳化, 原位制备出多孔碳包覆Ni₂P纳米颗粒的复合材料. 该复合材料保留了前驱体的片状形貌, 比表面积可达202 m²/g, 复合材料中的Ni₂P纳米颗粒具有良好的结晶度, 颗粒均匀且无团聚现象. 在锂离子电池性能测试中, 该Ni₂P/C复合结构在缓解材料体积膨胀的同时提高了材料的电子和离子电导率, 进而提高了材料的电化学性能. 在0.2 C的电流密度下, 材料首次充、 放电比容量分别为247和226 mA·h·g^-1, 库仑效率可达91.7%, 循环200圈后, 库仑效率接近100%.     

ZrO2包覆高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料提高其循环稳定性的作用机理

高镍三元材料作为一种锂离子电池正极材料,因其较高的放电比容量而得到科学界和工业界的广泛关注。研究表明,高镍三元材料的比容量与材料中的Ni含量呈正相关,但Ni含量的增加也会加剧循环过程中的界面副反应,材料表面释氧以及结构转变等问题。本文采用ZrO₂包覆LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料,利用X射线衍射证明,在高温处理下ZrO₂包覆物中的Zr⁴⁺会掺杂进LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料表面晶格中,使得X射线衍射谱中的(003)衍射峰左移。电化学测试证明在4.3和4.5 V的截止电压下,改性最优的材料在1C循环100周后容量保持率分别从84.89%和75.60%提高到97.61%和81.37%,同时发现循环稳定性的提升主要来自材料表面的Zr⁴⁺掺杂。X射线光电子能谱证明Zr⁴⁺表层掺杂后材料的Ni化合价由Ni3+向Ni²⁺转变,透射电子显微镜观察到Zr⁴⁺的表层掺杂使得材料表面的层状结构发生重构,从而稳定了材料体相结构,提高了材料整体的循环稳定性。     

非水体系锂/钠离子电容器研究进展

将超级电容器和锂/钠离子电池进行"内部交叉",即在双电层电容器中加入锂/钠离子电池材料,或在锂/钠离子电池中添加以双电层储能的活性炭电极材料,将两者的优点有机结合于一体,构筑锂/钠离子混合电容器,已引起了广泛的研究和开发.本文对锂/钠离子电容器的工作原理、发展状况、瓶颈问题和改进方法进行了简要介绍,结合近几年的文献报道,按照电极材料的类别,重点对比评述了同一类电极材料的储锂/钠性能及对应的锂/钠离子电容器的主要研究结果.钠离子的半径较大,导致同一电极材料在有机钠盐电解液中的初始比容量和倍率性能低于其在有机锂盐电解液中的性能.通过开发具有大层间距、分级多孔、表面掺杂、3D结构或多组分复合结构来提高电容型多孔炭材料的比容量,以及构筑特殊形貌(纳米片/棒、同轴纳米电缆、核壳、海胆、中空等)、金属掺杂、二元或三元复合结构来提高储锂/钠电极材料的动力学特性,可弥补正负电极储能容量和动力学的差异,从而实现高的能量密度、功率密度和长循环稳定性.最后,本文还对锂/钠离子电容器的发展进行了总结和展望.     

Ni3S2@碳纳米管复合材料的制备及其储钠性能

采用一步固相煅烧工艺制备了碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒（Ni₃S₂@CNT）,并研究了其作为钠离子电池（SIBs）负极材料的电化学性能. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、循环伏安测试、恒流充放电以及交流阻抗等研究了Ni₃S₂@CNT的物相结构、形貌特征以及电化学性能. 电化学测试表明,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,放电容量可以达到541.6 mAh·g ^-1,甚至在2000 mA·g ^-1的大电流密度下其放电比容量也可以维持在274.5 mAh·g ^-1. 另外,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,经过120周充放电循环后其放电和充电比容量仍然可以保持在374.5 mAh·g ^-1和359.3 mAh·g ^-1,说明其具有良好倍率性能和循环稳定性能. 良好的电化学性能归因于这种独特的碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒结构. 碳纳米管不但可以提高复合材料的导电性,也可以缓冲Ni₃S₂纳米颗粒在反复充放电过程中产生的体积膨胀效应,明显改善了Ni₃S₂@CNT负极复合材料的电化学性能.     

Metal-organic frameworks derived carbon-coated ZnSe/Co0.85Se@N-doped carbon microcuboid as an advanced anode material for sodium-ion batteries

Transition metal selenides attract significant attention as advanced anode materials for sodium-ion batteries（SIBs） in recent years due to their appropriate working potential and high theoretic capacity. However, the poor structural stability and rate capability limit their further practical applications. Herein,zeolite imidazole framework-8/zeolite imidazole framework-67 is used as a template to prepare Co_0.85Se and Zn Se nanoparticles embed in N-doped carbon matrix successfully, and...     

Synthesis and Electrochemical Investigation of O3-Type High-nickel NCM Cathodes for Sodium-ion Batteries

Sodium ion batteries(SIBs)are promising energy storage devices for smart grid applications due to their low cost and the high abundance of sodium,but few cathode materials of SIBs with high energy density are available for practical applications.Herein,a series of NaNCM ternary materials(NCM=nickel-cobalt-manganese)is obtained by solid-phase reaction with well-regulated temperature and other reaction conditions.XRD results show that impure NiO phase is more likely to occur under high nickel content.The cross-section SEM indicates that the primary particles in the electrode materials are radially distributed along the radial direction,and the internal porous structure is conducive to the infiltration of electrolyte.The initial specific capacities of Na[Ni0.68Co0.10Mn0.22]O2(NaNCM712),Na[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2(NaNCM622)and Na[Ni0.4Co0.3Mn0.3]O2(NaNCM433)at 0.2 C are 165.5,153.1 and 146.8 mA·h/g,and the corresponding capacity retention rates are 63.2%,78.5%and 71.7%after 100 cycles.NaNCM712 possesses the highest initial specific capacity,and NaNCM433 delivers the best rate capability.The rate capabilities of high-nickel and low-cobalt NaNCM cathodes need to be further improved.Moreover,ex-situ XRD pattern reveals the structure evolution(from O3 type to P2 type)during a long cycling charge and discharge process.     

石墨负极表面聚合物功能保护膜对 锂离子电池存储寿命的提升

采用溶液浸渍法制备了聚乙烯醇(PVA)均匀包覆的石墨并研究了其微观形貌及电化学性能. 以LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)为正极材料、 PVA包覆石墨为负极材料组装成软包电池和钢壳电池, 研究了PVA功能保护膜对全电池的电化学性能和存储寿命的影响. 结果表明, 存储过程中PVA功能保护膜可以有效抑制电解液和石墨内嵌锂反应的发生, 延长电池的存储寿命.     

磷化镍/氮磷共掺杂碳负极材料的制备及其电化学性能研究

以离子液体为碳源和氮源、次亚磷酸钠为磷源、乙酸镍为镍源,一步法制备了磷化镍/氮磷共掺杂碳(Ni₂P/NPC)复合材料。SEM、TEM等检测结果表明Ni₂P纳米颗粒在N、P共掺杂碳骨架上均匀分布。将所制备Ni₂P/NPC作为锂离子电池负极材料时,Ni₂P/NPC电极在0.1、0.5、1、3和5 A·g^-1电流密度下的放电比容量分别为377.7、 294.1、 265.4、211.7和187.5 mAh·g^-1。当电流密度重新回到0.1 A·g^-1,放电比容量为368.1 mAh·g^-1。电极结构在大倍率下可以保持稳定,表现出优异的倍率性能。在0.5 A·g^-1的电流密度下经200次循环后放电比容量维持在301.8 mAh·g^-1,容量保持率为80.7%,CV曲线证实Ni₂P/NPC在储锂过程中是由扩散过程和电容行为共同控制。     

碳布负载的缺氧型Na2Ti3O7纳米带阵列作为高性能柔性钠离子电池负极材料

作为锂离子电池的理想替代品,钠离子电池因具有能源储备丰富、成本低廉等优点而受到人们的广泛关注。柔性便携式电子产品的发展亟需柔性储能器件的研制。因此,发展一种廉价、高性能的柔性钠离子电池负极材料成了科研工作者的共同目标。在此项工作中,我们通过简单的水热合成和热还原法发展了一种以柔性碳布为基底,与缺氧型的Na₂Ti₃O₇纳米带(NTO)构成三维阵列结构的新型柔性钠离子电池负极材料。复合材料(R-NTO/CC)的导电性和活性位点得到提高,电化学性能也大幅提升,在200 mA·cm^-2的电流密度下,实现100 mAh·cm^-2的面积比容量,且经过200次循环后仍保留最初电容值的80%。此外,这种电极还具有优良的倍率性能,当电流密度提高到400 mA·cm^-2时,仍保持69.7 mAh·cm^-2的面积比容量,是未引入氧空位材料的三倍之多。这种三维缺氧的电极材料可有效提高载流子浓度,缩短离子传输通道,从而大幅提升电极的电化学性能。此工作为设计合成高储钠性能的新型的负极材料提供了一种实用有效的策略。     

NiSe2 nanoparticles encapsulated in CNTs covered and N-doped TiN/carbon nanofibers as a binder-free anode for advanced sodium-ion batteries

Metal selenides are promising anodes for sodium-ion batteries (SIBs) due to the high theoretical capacity through conversion reaction mechanism. However, developing metal selenides with superior electrochemical sodium-ion storage performance is still a great challenge. In this work, a novel composite material of free-standing NiSe₂ nanoparticles encapsulated in N-doped TiN/carbon composite nanofibers with carbon nanotubes (CNTs) in-situ grown on the surface (NiSe₂@N-TCF/CNTs) is prepared by electrospinning and pyrolysis technique. In this composite materials, NiSe₂ nanoparticles on the surface of carbon nanofibers were encapsulated into CNTs, thus avoiding aggregation. The in-situ grown CNTs not only improve the conductivity but also act as a buffer to accommodate the volume expansion. TiN inside the nanofibers further enhances the conductivity and structural stability of carbon-based nanofibers. When directly used as anode for SIBs, the NiSe₂@N-TCF/CNT electrode delivered a reversible capacity of 392.1 mAh/g after 1000 cycles and still maintained 334.4 mAh/g even at a high rate of 2 A/g. The excellent sodium-ion storage performance can be attributed to the fast Na⁺ diffusion and transfer rate and the pseudocapacitance dominated charge storage mechanism, as is evidenced by kinetic analysis. The work provides a novel approach to the fabrication of high-performance anode materials for other batteries.     

Multiple Active Sites of Carbon for High‐Rate Surface‐Capacitive Sodium‐Ion Storage

Although sodium ion batteries (SIBs) possess many beneficial features, their rate performance, cycling stability, and safety need improvement for commercial applications. Based on the mechanisms of the sodium ions storage in carbon materials, herein we present a multiple active sites decorated amorphous carbon (MAC) with rich structural defects and heteroatom doping as an anode material for SIBs. The full utilization of fast bonding–debonding processes between the active sites and sodium ions could bring a capacitive strategy to achieve superior sodium storage properties. Consequently, after materials characterization and electrochemical evaluation, the as‐prepared electrode could deliver high rate and long‐life performance. This active‐site‐related design could be extended to other types of electrode materials, thereby contributing to future practical SIB applications.