超级电容电池

本文比较了超级电容器、锂离子电池和超级电容电池的结构、原理、研究现状和发展前景。超级电容电池的正极具有超级电容器电极的结构和双电层储能机制,负极具有类似锂离子电池负极的结构和快速电化学储能机制。超级电容器和锂离子电池的发展空间都很有限,而作为两者结合的产物的超级电容电池可兼具高比功率、高比能量、高放电电压和长循环寿命的优点,是未来储能电池的发展方向之一,但还面临缺乏具有高分解电压的电解液和高充电电压下电解液中离子枯竭的问题。     

超级电容电池

本文比较了超级电容器、锂离子电池和超级电容电池的结构、原理、研究现状和发展前景。超级电容电池的正极具有超级电容器电极的结构和双电层储能机制,负极具有类似锂离子电池负极的结构和快速电化学储能机制。超级电容器和锂离子电池的发展空间都很有限,而作为两者结合的产物的超级电容电池可兼具高比功率、高比能量、高放电电压和长循环寿命的优点,是未来储能电池的发展方向之一,但还面临缺乏具有高分解电压的电解液和高充电电压下电解液中离子枯竭的问题。     

基于钛酸锂负极和聚三苯胺正极的电池电容体系

由于高安全、高功率和超长循环寿命等优点,钛酸锂负极材料近年来得到了广泛关注,基于钛酸锂负极的高性能超级电池电容器和锂离子电池也成为近年来的研究热点. 本文采用化学氧化法制备了有机物正极材料聚三苯胺,并通过经典的电化学测试方法研究了其储能机理及相应的电极动力学过程. 研究结果表明,该有机物正极的储能机制主要是基于阴离子的吸脱附反应,并表现出85 mA·g^-1的可逆容量,且其动力学过程不受扩散控制,属于典型的赝电容行为. 将该正极与钛酸锂负极结合构成了新型的电池电容体系,并对其电化学性能进行了研究,结果表明该体系具有高功率特性,且能量密度高于传统的混合型超级电容器. 此外,本文还对该有机物正极的不足和实际应用中所面临的挑战做了初步分析.     

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.     

《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！     

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.     

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.     

提高电容性电化学储能装置能量容量的一些尝试（英文）

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.活性碳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.     

新型聚阴离子型正极材料的合成、结构表征及电化学性能

寻求廉价、安全、环境友好并具有高比能量的可充锂电池正极材料成为目前锂离子电池材料研究的热点之一。聚阴离子型正极材料（如：橄榄石型LiFePO4材料）作为新一代锂离子电池正极材料引起了人们的广泛关注，给锂离子电池正极材料带来了安全、廉价、环境友好的希望，为动力及储能电池的发展提供一个很好的材料体系选择。硅酸盐材料（Li2MSiO4，M为金属元素）理论上可以允许可逆的嵌脱两个锂，因而具有较高的理论容量，     

锂-硫二次电池界面反应的特殊性与对策分析

锂-硫电池是在现有锂离子电池基础上最可能实现储能密度大幅提升的实用二次电池体系. 然而,这一电池体系的电化学利用率与循环稳定性仍然难以满足应用要求. 造成锂-硫电池性能不稳定的原因在于硫正极和锂负极的材料结构和反应环境始终处于变化之中,如在充放电过程中,硫-碳反应界面的电化学阻塞、中间产物的溶解流失、正负极之间的穿梭效应等副反应导致正极与负极均难形成稳定的电化学反应界面。针对这些特殊问题,本文简要分析了影响能量利用率和循环稳定性的化学与电化学机制,并提出了构建稳定锂负极与高效硫正极的若干可行性技术.     

Challenges Facing Lithium Batteries and Electrical Double‐Layer Capacitors

Energy‐storage technologies, including electrical double‐layer capacitors and rechargeable batteries, have attracted significant attention for applications in portable electronic devices, electric vehicles, bulk electricity storage at power stations, and “load leveling” of renewable sources, such as solar energy and wind power. Transforming lithium batteries and electric double‐layer capacitors requires a step change in the science underpinning these devices, including the discovery of new materials, new electrochemistry, and an increased understanding of the processes on which the devices depend. The Review will consider some of the current scientific issues underpinning lithium batteries and electric double‐layer capacitors.     

高能量密度锂二次电池电极材料研究进展

锂离子电池是目前广泛应用的高能量密度小型二次电池,但随着其应用领域突飞猛进的发展,迫切需要进一步提高其能量密度.本文介绍了近年来高能量密度锂离子电池正、负极材料及新型高能量密度锂二次电池体系方面的研究进展;结合本实验室的研究工作,着重介绍了高容量正、负极材料的选择、微纳结构设计、表面包覆和合成策略;讨论了锂硫电池、锂空气电池等高比能金属锂二次电池的未来发展方向.     

回收废锂离子电池中贵金属元素的研究进展

随着电力储能需求的激增,大量投入市场的锂离子电池在废弃时面临回收率低下的问题。废弃锂电池中锂、钴等贵金属作为战略性资源,存在短缺风险,对其提取并回收在减少环境污染的同时具有显著经济意义。湿法冶金工艺因其低能耗污染等优势,在回收锂电池贵金属的研究中应用广泛。本文在阐述锂电池结构的基础上,从浸出液、预处理等方面对工艺与机制进行深入分析,并简述以生物浸出液为主的生物湿法冶金作用机制与影响因素。此外,火法冶金技术在锂电池回收方面发展势头迅猛,文章归纳近期新兴工艺与回收机理。最后,总结现阶段工艺回收废锂离子电池中贵金属的局限,对未来技术升级进行展望,旨在促进贵金属回收进程,助力实现国家“双碳”目标。     

Lithium‐Ionen‐Technologie und was danach kommen könnte

The efficient and effective storage of electrical energy with batteries is key for sustainable energy supply and emission free mobility. At present, lithium ion technology is the “best” high energy density battery and the first choice for use in electric vehicle applications, whereas for stationary storage of electricity a large number of battery technologies, including lithium ion batteries (LIB) , are in competition to each other. Even though the LIB is one step ahead of other battery technologies at the moment, this race is still open. Several new battery chemistries, such as lithium/sulfur, metal/air, sodium, magnesium and dual ion battery technologies are discussed as replacement or complementary technologies to lithium ion. The hope for improved and better battery technologies of the future is still high.     

“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计、调控及在锂硫电池正极中的应用研究

锂硫电池具有理论能量密度高等优势,被认为是最有前景的一类新型二次电池.硫正极存在硫和硫化锂的导电性差、可溶性多硫化物的扩散/穿梭、循环过程中硫的体积膨胀以及氧化还原过程慢等问题,严重制约着电池的活性和循环稳定性.设计“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器应用于锂硫电池正极,可通过调控其“蛋黄”、“蛋壳”和“空腔”结构缓解充放电过程中电极的体积变化,为离子/电子输运提供快速通道,强化对多硫化物的吸附和催化转换作用等,进而提高电极的活性和循环性能,有利于推进锂硫电池的商业化进程.本文总结了“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计和调控策略,包括单核-单壳、单核-多壳、多核-单壳以及多核-多壳等,并结合锂硫电池的工作特点和目前应用存在的问题,对未来发展前景进行了展望.     

Design principles of lead-carbon additives toward better lead-carbon batteries

In the last 20 years, lead-acid battery has experienced a paradigm transition to lead-carbon batteries due to the huge demand for renewable energy storage and start-stop hybrid electric vehicles. Carbon additives show a positive effect for retarding the sulfation of Pb negative electrode toward the partial state of charge operation. Lead-carbon composite additive could synergistically solve the problem of sulfation while inhibiting parasitic hydrogen evolution reaction of carbon. The design principles of lead-carbon additives toward future lead-carbon batteries are discussed in this paper.     

锂离子电池快充石墨负极研究与应用

Driven by the excessive environmental pollution caused by the over-use of non-renewable fossil-derived energy, renewable energy and electrochemical energy storage devices have made great progress in the past decades. Electrochemical energy storage devices, such as lithium-ion batteries, have the advantages of high capacity, long life cycle, and good safety performance; therefore, they have been used in various applications. For example, economical and environment-friendly electric vehicles have recently taken up increasing market share. However, when compared with vehicles propelled using fossil-derived energy, the slow charging speed of electric vehicles has always restricted their further promotion. The realization of rapid charging for electric vehicles can alleviate the high-pressure usage of charging piles as well as increase the application and market share of electric vehicles. Therefore, it is important to develop high-performance lithium-ion batteries with rapid charge and discharge capacities. The fast-charging capacity of lithium-ion batteries is limited by the slow migration of lithium ions in the electrode and the electrode/electrolyte interface. Therefore, the key to developing fast-charging lithium-ion batteries lies in the successful design of suitable electrode materials. Because of its low cost and excellent electrochemical performance, graphite has been widely used to develop the cathode of lithium-ion batteries. However, the migration of lithium ions in graphite is slow, resulting in large polarization during the high-current charge and discharge processes. In addition, the low lithium intercalation potential of graphite leads to lithium precipitation during fast charging, which can decrease the electrochemical performance and cause potential safety hazards. Therefore, graphite must be improved to meet the needs of such fast-charging devices. In this article, we systematically introduce the research progress made in recent years within the scope of rapid-charging improvement of graphite(-based) cathodes and then highlight the modification strategies for graphite with the goal of achieving functional coating, desired morphological and structural design, optimized electrolyte properties, and an improved charging protocol. Additionally, this article evaluates the advantages and disadvantages of the modification strategies as well as their application prospects. The scheme of functional coating for modifying graphite must simplify the process and improve production efficiency to meet the needs of industrial development. Morphology design should ensure satisfactory initial Coulomb efficiency, while the improvement of the electrolyte properties and optimization of the charging protocol need to consider the commercialization costs. Finally, this paper proposes further evaluation of the effects of the modification strategies based on soft-pack or cylindrical batteries to strengthen the commercialization prospect of the modification strategies.      

锂离子电池快充石墨负极研究与应用

相较于传统燃油汽车,电动汽车缓慢的充电速度始终制约了其进一步推广。为电动汽车实现“加油式”快速充电能够缓解充电桩的使用压力,增加电动汽车的应用场景和市场占有率。因此,亟需开发出具有快速充放电能力的高性能锂离子电池。石墨因其低廉的价格和优异的电化学性能已经在锂离子电池负极领域得到了广泛的商业化应用,然而其较低的嵌锂电位导致在快充过程中出现析锂,损害电化学性能的同时会带来安全隐患。因此,必须对石墨进行改良处理,以适应快充技术的需要。本文系统介绍了近年来石墨负极快充化改良领域的研究进展,从成分设计,形貌调控,结构优化,电解液适配等方面进行了评述,并总结了快充石墨面临的挑战,展望了其发展前景,为推动快充技术的商业化应用提供了借鉴。     

锂硫电池多功能涂层隔膜的研究进展与展望

先进储能系统的开发对于满足电动汽车、便携式设备和可再生能源存储不断增长的需求至关重要. 锂硫（Li-S）电池具有比能量高、原材料成本低和环境友好等优点,是新型高性能电池研究领域中的热点. 然而,锂硫电池面向实际应用还存在许多问题,如可溶性多硫化物中间体的穿梭效应、锂枝晶生长以及锂硫电池在使用过程中的热稳定性和安全性等. 设计开发多功能涂层隔膜是改善锂硫电池上述不足的有效策略之一,在本综述中,详细论述了锂硫电池多功能涂层隔膜的研究进展. 包括聚合物材料、碳材料、氧化物材料、催化纳米粒子改性的功能化涂层隔膜及增强电池热稳定性、安全性的特种功能隔膜,对其作用特性进行了系统分析,并对未来研究发展提出展望.     

三元锂离子电池容量衰减机理研究进展

三元锂离子电池主要是指使用镍钴锰酸锂（NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）作为正极材料的锂离子电池,三元锂离子电池广泛应用于电动汽车、3C电子产品、储能等领域。然而,三元锂离子电池的循环寿命已成为其进一步发展的最大障碍,因此了解三元锂离子电池的容量衰退机理具有重要意义。三元锂离子电池的衰退机理主要包括五个方面：晶体结构的改变和相变、活性材料的损失、电解质的分解和消耗、可脱嵌锂离子的损耗以及固体电解质界面的形成。本文总结了近年来相关方面的研究进展,以期更全面地总结三元锂离子电池的容量衰减机理,并对三元锂离子电池的应用前景进行了展望。