锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展

现有的以石墨为负极的锂离子电池能量密度逐渐接近其理论极限. 基于合金化反应机制的高容量含锂负极材料Li_xM_y(M为能够和锂发生合金化反应的元素)是一类新兴的负极材料, 具有数倍于石墨的储锂比容量, 且可以为电池提供活性锂源. 这些特性使其能够与高容量无锂正极材料(如S, O₂, FeF₃和V₂O₅等)相匹配, 构建下一代高比能锂离子电池新体系. 本文综述了近年来高容量合金基含锂负极材料(如Li_xSi, Li_xSn, Li₃P和Li_xAl基系列材料)的研究进展, 分析了所面临的挑战, 概述了材料的合成与电极的制备方法, 并介绍了它们在常规锂离子电池、 锂离子-硫电池及锂离子-空气电池等多个全电池体系中的应用实例, 提出并举证了其电化学性能优化与调控的策略, 最后展望了未来的研究方向.     

碳材料在钛酸锂负极材料中的应用

尖晶石型结构的钛酸锂由于具有极高的循环寿命和安全特性,被认为是目前最具应用前景的锂离子电池负极材料之一。但钛酸锂的电子电导率较低,且在充放电循环过程中易产生胀气问题,使其应用受到了极大的限制。将高导电、环境友好、化学和热性能稳定且结构多样的碳材料与钛酸锂形成复合负极材料,可有效提高材料的导电性,同时抑制胀气,对电极材料的性能优化起到非常关键的作用。本文综述了近年来碳材料在钛酸锂负极中的应用与研究进展,深入分析和探讨了碳材料对钛酸锂综合电化学性能的改善方式和改进效果,指出了不同形式的钛酸锂/碳复合材料在制备和应用中需要关注的问题,并对钛酸锂/碳复合材料未来可能的应用方向进行了展望。     

不同形貌结构Li4Ti5O12负极材料的最新进展

由于电子和信息行业的需要, 过去十年锂离子电池得以快速发展. 目前, 锂离子电池仍呈现需求量增长的趋势, 对锂离子电池的安全性要求也越来越高. 因此促使寻找一种比碳/石墨材料更安全, 循环性能更理想的锂离子电池负极材料以满足电动汽车等新兴行业的需求. 尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作为“零应变材料”具有优异的循环稳定性、价格便宜、容易制备、较高的平台电压和良好的安全性, 已成为锂离子动力电池负极材料的研究热点, 被认为是目前最具应用前景的锂离子电池负极材料. 由于形貌选择对于Li₄Ti₅O₁₂材料的电化学性能有着至关重要的影响, 本文综述了球形、多孔(中空)结构、纳微结构、核壳结构等不同形貌Li₄Ti₅O₁₂的合成及其性能研究的最新进展; 总结了各种形貌的优点, 已解决和待解决的问题, 常用合成方法以及各自的适应领域; 并对Li₄Ti₅O₁₂材料的发展趋势进行了展望.     

“锂硫电池”专辑序言

锂硫电池是指采用硫或含硫复合物作为正极，锂或含锂材料为负极，以硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能相互转换的一类电池体系。由于活性物质具有质轻、多电子反应等特性，从而能够实现高达1675m Ah·g^-1的理论比容量和2600 Wh·kg^-1的质量比能量。这比传统的锂离子电池的能量密度高出7倍左右，极有潜力成为新一代高能量密度电化学储能体系，近年来一直是高能锂金属电池领域的研究热点之一。然而，锂硫电池的实用化依然存在着诸多问题。最为典型的是电池充放电过程中生成高阶态多硫化物(Li₂S_n,8≥n≥4)溶解在电解质中导致的“穿梭效应”，继而对硫基正极、锂基负极和电解液等电池关键组成部分产生深刻影响，导致电池出现容量衰减快、库仑效率低、循环寿命短等问题。其次，硫正极必须和金属Li配对使用才能体现锂硫电池高能量密度的优势。但在实际的锂硫电池中，锂基负极的充放电效率低、循环性能差，同时存在着严重的安全隐患。这些挑战仍需科研工作者对其背后的科学问题和工程技术问题进行逐一突破。     

有机碳源对LiTi2(PO4)3/C复合水系负极性能的影响

采用喷雾干燥与高温煅烧相结合的方法制备了球形LiTi₂(PO₄)₃/C复合水系负极材料, 探讨了基于不同包覆机制的有机碳源和碳包覆量对LiTi₂(PO₄)₃/C复合负极电化学性能的影响. 结果表明, 碳包覆量过低时不足以阻止水的侵蚀, 而碳含量过高时锂离子扩散的阻力过大, 磷酸钛锂电极最优碳包覆质量分数为13%. 碳包覆的均匀性和包覆层厚度是影响电极性能的两个重要因素. 基于原位聚合包覆机制的聚多巴胺包覆磷酸钛锂颗粒最均匀, 碳化后微晶结构较好, 具有良好的电子导电性, 以聚多巴胺为碳源制备的LiTi₂(PO₄)₃/C复合负极性能最优.     

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.     

一种应用前景可观的新能源材料——尖晶石型Li4Ti5O12 *

各种锂离子电池电极材料作为十分重要的新能源材料近些年来受到前所未有的广泛关注。负极材料尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂由于其特殊的“零应变”性等优良性质越来越多地受到研究者的青睐,成为一种应用前景可观的锂离子电池用负极材料。同时,其很多性能也很符合电动汽车用储能器件对电极材料的要求,也被研究用于新近提出的非对称超级电容器中。本文介绍了Li₄Ti₅O₁₂的结构和性能;从制备方法（溶胶-凝胶法、固相合成法等）、掺杂改性和与其他材料复合等几个方面介绍了国内外关于Li₄Ti₅O₁₂的制备和改性方面的研究进展;并对Li₄Ti₅O₁₂在各种器件中的应用研究进展做了介绍。     

新一代动力锂离子电池磷酸锰锂正极材料的研究现状与展望

磷酸锰锂（LiMnPO₄）正极材料具有能量密度高、成本低、安全性高和热稳定性好等优点,目前已成为锂电产业界研究的热点,有望成为继磷酸铁锂（LiFePO₄）之后的新一代正极材料. 然而,磷酸锰锂的电子电导率和锂离子扩散率均很低,其电化学性能提高较为困难,至今尚无法制备出满足实际应用的高性能LiMnPO₄正极材料,严重制约了LiMnPO₄材料及其电池的发展. 本文从LiMnPO₄的结构特性出发,对近年来国内外在碳包覆、离子掺杂、纳米化和控制晶体形貌等改性研究、全电池研究、专利情况以及商业化尝试等多方面进行了综述,并对LiMnPO₄的发展进行了展望.     

锂离子电池用富锂层状正极材料

正极材料与负极材料是锂离子电池重要组成部分。目前锂离子电池负极材料比容量通常在300mAh/g以上,而正极材料比容量始终徘徊在150mAh/g。正极材料正在成为锂离子电池性能进一步提升的瓶颈。富锂层状正极材料是一类新型正极材料,其可逆容量在200mAh/g以上,其高容量特性引起人们的广泛关注。这类材料可以用xLi₂MO₃·(1-x)LiM'O₂ (M 为Mn, Ti, Zr之一或任意组合; M'为Mn, Ni, Co之一或任意组合; 0≤x≤1)形式表示。由于其组成与结构的特殊性,这类富锂层状正极材料的充放电机理也不同于其它含锂过渡金属氧化物正极材料。本文介绍富锂层状正极材料的合成、结构与充放电机理,重点介绍近年来通过改性提高其电化学性能方面的研究进展,指出目前富锂材料研究中存在的问题,探讨未来的研究重点。     

锂离子电池铌基氧化物负极材料

锂离子电池负极材料钛酸锂由于其高功率和优异的循环性能得到了广泛的研究,但是较低的比容量(175 m Ah/g)限制了其应用前景。与钛酸锂相比,铌基氧化物具有相似的嵌脱锂电位和更高的比容量,也展现出良好的倍率性能和循环性能,有望成为新型功率型负极材料。本文综述了多种铌基复合金属氧化物(Nb2O5,Ti Nb2O7,Li Nb3O8等)的晶体结构、电化学性能和嵌脱锂机理,讨论了材料的组成、形貌和制备工艺等对其嵌脱锂性能的影响,并概述其作用机制。此外,本文还归纳总结了铌基材料嵌脱锂行为的共性,并比较了它们与钛酸锂的异同,对其作为高功率锂离子电池负极材料的研究趋势和发展前景进行了展望。     

Co-MOFs材料在锂离子电池负极材料中的应用研究进展

该文阐述了近年来钴金属有机骨架(Co-MOFs)材料在锂离子电池负极材料中的应用研究进展,分别对Co-MOFs材料及Co-MOFs衍生的氧化钴、氧化钴/碳复合材料、硫化钴/碳复合材料等用作锂离子电池负极材料进行了分类总结,旨在为广大研究者提供相关方面的信息.     

基于非锂金属负极的锂离子全电池

可充电锂离子电池对于电子产品特别是手持设备的发展至关重要,其关键作用同样体现在飞速发展的电动汽车领域。此外,对电力系统的调配(削峰填谷)和新能源发电的并网也是很好的选择。但是传统锂离子电池较低的能量密度常被人诟病。传统石墨负极材料的替代物(如金属氧化物、钛基、锡基、硅基、合金等材料)能有效提高锂离子电池的容量和倍率性能,但目前缺乏充分的全电池实验数据予以证实,也鲜有新型负极材料成功用于商业化的锂离子全电池。由此可见,新型负极材料在锂离子全电池中的研究现状及其商业化应用前景等问题亟需面对和斟酌,也应受到锂离子电池研究者的广泛关注。因此,本文从负极材料首圈容量可逆/不可逆的特点着手,对基于非锂金属负极(如石墨、钛酸锂、二氧化钛、氧化锗、氧化铁、锡基、硅基等)的锂离子全电池的最新研究进行了论述。     

天然气焦炭的嵌锂特性研究

锂离子电池的研究与开发具有诱人的商业前景．以金属锂为负极的锂二次电池存在着充放电循环寿命短和使用安全性能差等诸多问题，解决的途径之一是采用嵌锂化合物替代金属锂作为负极材料．其中，以具有贮锂功能的碳素材料作为负极的锂离子电池，不仅具有较高的电容量和较长...     

预嵌锂硬碳和软碳用于锂离子电容器负极的比较研究

锂离子电容器是一种应用前景广阔的电化学储能器件. 目前,活性炭作为锂离子电容器正极被广泛使用. 然而,锂离子电容器负极却有多种不同选择,如硬碳和软碳等碳材料. 本文使用两种具有不同结构和电化学特性的硬碳和软碳材料作为锂离子电容器负极,进行了对比研究. 研究表明,软碳相比于硬碳有更好的电子导电性和更高的可逆容量. 通过在电流范围0.1 ~ 12 A·g^-1下进行充放电测试,分别研究了两种碳基电极在不同涂覆厚度下的倍率性能. 结果显示,硬碳电极在大电流下有更好的倍率特性. 然后,以活性炭为正极,预嵌锂的硬碳和软碳为负极,锂片为锂源和参比电极,分别组装了三电极软包锂离子电容器. 根据三电极充放电测试,分别研究了不同预嵌锂量的硬碳和软碳所组装的锂离子电容器的电化学性能. 结果表明,合适的负极预嵌锂容量可以提升锂电容的能量密度、功率密度和循环稳定性. 最后,大容量硬碳和软碳基软包锂离子电容器被分别组装,软碳基锂电容实现了最高的能量密度21.2 Wh·kg^-1（基于整个器件质量）,硬碳基锂电容实现最高的功率密度5.1 kW·kg^-1.     

锂离子电池负极材料SnO2的形貌调控合成

SnO₂是一种重要的宽禁带半导体材料,由于具有较高的理论容量,将其作为锂离子电池的负极材料有广阔的应用前景。材料的微观形貌对其物理化学性能有重要的影响作用,因此近年来大量的研究工作围绕SnO₂的形貌调控合成开展。本文综述了作为锂离子电池负极材料SnO₂的各种形貌的调控合成,如颗粒状、片状、一维、空壳、分级结构等,以及其形貌对电化学性能的影响,分析总结了各种形貌对其电化学性能的影响规律以及形貌调控的发展趋势。     

锂离子电池SnS2基负极材料

随着应用范围的逐渐扩大,锂离子电池对具有高比容量、长循环寿命以及优异倍率性能的新型正负极材料的需求日益迫切。SnS₂材料因具有独特的层状结构和高的理论比容量而被视作潜在的高比容量负极材料,但其也存在首次不可逆容量较大、导电率低、充放电过程中体积变化较大等问题。本文综述了SnS₂负极材料的研究历程以及最新研究进展,介绍了SnS₂负极材料的基本性质,具体论述了SnS₂电化学性能改进的相关措施,主要包括控制纳米SnS₂微观形貌、制备SnS₂/C及SnS₂/氧化物复合材料、掺杂、一体化电极以及优化粘结剂等。文章同时总结了水热（溶剂热）法各工艺参数（原料种类、浓度、比例、溶液pH值、水热温度及时间等）对制备SnS₂纳米材料及SnS₂/C复合材料形貌结构及电化学性能的影响,并对目前SnS₂材料仍然存在的问题进行了分析。研究表明,通过制备片状、花状等高比表面积的SnS₂纳米材料,可明显提升其循环性能;将石墨烯等碳材料与SnS₂复合,有助于提高材料的结构稳定性及导电性,进而改善电极的循环及倍率性能。经工艺优化后的SnS₂/graphene复合材料具有高的比容量（大于1000 mAh/g）、稳定的循环性能和优秀的倍率特性,是一种非常有研究价值的高比容量锂离子电池负极材料。     

单斜ZnP2负极材料的锂化机理及性能

过渡金属磷化物电位低且比容量高, 是有发展前景的锂离子电池(LIBs)负极材料. 其中, ZnP₂属于双活性负极材料, Zn与P都能与Li⁺发生反应, 储Li⁺性能更具有竞争力. 但是, 对于ZnP₂的锂化机理及产物尚不明确. 采用第一性原理计算和电化学测试方法研究了ZnP₂的电子性质和电化学性能, 通过理论计算和实验测试相结合阐述了ZnP₂的锂化机制. 首先, 以密度泛函理论(DFT)计算揭示了ZnP₂的锂化机理、Li⁺扩散路径、势垒和理论比容量(1477 mAh/g). 其次, 通过直流电弧等离子体法及固相烧结法合成ZnP₂, 并测试其首圈放电曲线, 显示放电容量为1439 mAh/g, 与理论计算结果相近. 此外, 薄膜X射线衍射(XRD)检测最终产物成分为LiZn和Li₃P, 与DFT计算结果一致.     

锂离子电池负极材料用Co3O4及其复合材料研究进展

锂离子电池的性能主要由正、负极材料决定,负极材料Co₃O₄具备理论容量高、振实密度大、化学性质稳定等特点倍受关注,但存在导电性不好、倍率性能较差等缺点. 解决该问题的手段：一方面可通过材料的纳米化与特殊形貌化如球状、纤维状、片状等,缩短锂离子嵌入和脱出行程;另一方面可通过材料的复合化,促进电子的快速传输和缓冲活性材料在充放电过程中的体积效应. 根据Co₃O₄颗粒的形貌特性对现有研究进行了分类与综述,阐述了改性手段的可能性机理,并对如何提高Co₃O₄的电化学性能提出了一些想法.     

高倍率尖晶石型Li_4Ti_5O_(l2)/TiN锂离子电池负极材料的合成及其电化学性能

以乙酰丙酮(ACAC)为螯合剂、聚乙二醇(PEG)为分散剂,采用溶胶-凝胶法合成了尖晶石型Li4Ti5Ol2/TiN材料.考察了TiN膜对尖晶石型Li4Ti5Ol2锂离子电池负极材料电化学性能的影响.利用X射线光电子能谱(XPS)对Li4Ti5O12表面的TiN膜进行了分析.X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析表明,Li4Ti5Ol2/TiN材料为结晶良好的亚微米纯相尖晶石型钛酸锂.电化学性能测试表明,该材料的首次放电比容量为173.0mAh·g-1,并且具有良好的循环性能,以0.2C、1C、2C、5C倍率放电进行测试,10次循环后比容量分别为170.6、147.6、135.6、111.0mAh·g-1,较之表面无TiN膜的钛酸锂材料表现出更好的倍率特性.循环伏安曲线(CV),交流阻抗图谱(EIS)进一步论证了TiN膜改善了尖晶石型Li4Ti5Ol2锂离子电池负极材料的电化学性能.     

锂硫电池及关键材料研究进展

锂硫电池因具有远高于传统锂离子电池的理论比容量和质量能量密度,而受到人们的广泛关注,近年来一直是高能锂金属电池领域的研究热点之一. 然而这一体系的一些固有特性问题依然没有得到解决,无法实现稳定理论容量输出,严重阻碍了锂硫电池的实际应用. 其中,比较突出的问题是电池充放电过程中生成可溶性中间产物-多硫化物-对硫基正极、锂基负极和电解液等电池关键组成部分具有深刻的影响. 本综述从多硫化物的热力学和动力学等性质入手,详细介绍了锂硫电池中关键材料的功能化设计和优化策略,并对未来的发展做出展望.