磷烯包覆的高性能硅基锂离子电池负极材料（英文）

硅基锂离子负极材料在脱嵌锂离子的过程中显著的体积效应导致活性材料的粉化、固体电解质介面膜(SEI)的持续生长和电接触的丧失并最终导致电池的失效。本文报道了一种新型的磷烯(单层黑磷)包覆来提升硅基负极材料的电化学性能。微量(1%,质量分数)的磷烯包覆有效抑制了被包覆硅颗粒的体积膨胀和SEI生长等问题,并保持了其电极结构在持续充放电循环中的完整性,从而提升了其库伦效率、容量以及循环稳定性。这是首次利用磷烯包覆法来提升硅基锂离子电池负极材料电化学性能的报道,而且也展现了此工艺在其他具有显著体积效应的电池材料中具有应用前景。     

电化学原位同步辐射技术在锂离子电池电极材料研究中的应用

同步辐射光源及其相关的谱学技术因其亮度高、单色性好及能量可调等突出特点,为锂离子电池材料组成-结构-性能关系的解析,尤其是其充放电循环过程的电化学反应机理、电极老化及失效的原位、实时动态研究提供了强有力的分析手段. 本文主要结合本课题组的研究工作,并综述同步辐射的电化学原位技术在锂离子电池及其相关材料研究的应用. 重点总结、分析及评述电化学原位XRD及XAFS等技术在电池充放电循环过程中结构演化、离子荷电态及反应动力学过程.     

锂离子电池Sb基负极材料研究进展

Sb基材料作为一类合金机制的锂离子电池负极材料,因具有比容量高、安全性好等优点受到广泛关注。 然而,由于Sb基负极材料在充放电过程中的体积效应和本身导电性较差等问题导致的循环性能不理想,制约了其作为锂离子电池负极材料的商业化应用。 本文综述了近年来在锂离子电池Sb基各类负极材料方面的研究进展,重点介绍了它们的反应机理、合成方法及电化学性能,并对Sb基负极材料的发展方向进行了展望。     

LiNi_(0.8-y)Ti_yCo_(0.2)O_2电极材料中钛离子掺杂作用机理的研究

应用恒流充放电、非现场X射线粉末衍射 (ex situXRD)、电化学交流阻抗 (EIS)、程序控温脱附 质谱联用(TPD MS)等实验方法研究LiNi0. 8-yTiyCo0. 2O2电极材料钛离子的掺杂作用机理.结果表明,掺钛后的电极材料于充放电过程中的结构相变和晶格的膨胀收缩受到抑制,在高电位下的界面反应活性减弱,从而减小了由结构变化和界面反应引起的容量损失;同时,钛的掺杂增强了电极材料在脱锂状态下的结构稳定性,抑制了电极材料和电解液的分解或氧化反应,以上两个方面分别改善并提高了电极材料的充放电循环性能及其热稳定性.     

锂离子电池电极材料固体核磁共振研究进展

对于研究材料的结构变化和考察原子所处的化学环境，固体核磁共振技术是一种有效的手段。通过⁶Li和⁷Li核磁共振谱的变化，可以清楚地了解锂离子电池电极材料中Li与邻近金属或碳原子的配位情况及在充放电过程中对应于锂离子嵌/脱过程中材料的结构变化，对于研究电极材料的电化学性能有重要的意义。本文综述了固体NMR技术在研究锂离子电池电极材料的结构及嵌锂机理方面的一些进展。     

硅基锂离子电池负极材料

硅是目前已知比容量(4200 mAh ·g^-1)最高的锂离子电池负极材料,但由于其巨大的体积效应(> 300%),硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固相电解质层(SEI),最终导致电化学性能的恶化。本文介绍了硅作为锂离子电池负极材料的储能及容量衰减机理,总结了通过硅材料的选择和结构设计来解决充放电过程中巨大体积效应的相关工作,并讨论了一些具有代表性的硅基复合材料的制备方法、电化学性能和相应机理,重点介绍了硅炭复合材料。另外,介绍了一些电极的处理方法和其提高硅基负极材料电化学性能的可能机理。最后,对硅基负极材料存在的问题进行了分析,并展望了其研究前景。     

硅材料在锂离子电池负极中的应用研究进展

硅材料作为锂离子电池负极材料具有比容量大的优点,是高容量锂离子负极材料的研究热点之一.论文综述了近年来锂离子电池硅负极材料的研究进展.分别对硅和含硅材料作为锂离子电池负极材料的发展过程、充放电特性、储锂机理及影响其储锂的各因素进行了分析和总结,并对其存在的问题进行了分析.     

吡咯-(3,4-乙烯二氧噻吩)共聚物有序纳米阵列薄膜的制备及表征

采用阳极氧化铝(AAO)模板电化学沉积方法, 合成了1种新型吡咯-(3,4-乙烯二氧噻吩)(PE)共聚物纳米线阵列薄膜, 作为锂离子电池电极材料, 其表现出较高的比容量(1426.1 mA·h/g, 充放电电流密度为100 mA/g)和很好的循环稳定性(在充放电循环300圈之后, 比容量仍然保持在1400 mA·h/g以上). 这种多组分共聚物纳米线阵列有可能成为下一代长寿命、 高性能的锂离子电池电极材料而被广泛开发.     

基于软X射线光谱的锂电池材料的电子结构与演变的研究进展

开发新型高能量密度以及低成本的锂离子电池, 是有效应对能源危机和环境挑战的可行路径之一. 锂离子电池材料的电子结构与电子态的演化决定了材料诸多本征性质以及电池综合性能. 探测并操控电极材料电子态的演化对探求电极反应的物理机理、 促进电池材料发展具有重要意义. 基于同步辐射的软X射线光谱技术可以直接探测费米能级附近的电子态. 本文从阴阳离子氧化还原反应的不同角度对利用软X射线光谱对电子态演变的研究进行了总结, 获得了电极材料电化学循环过程中过渡金属与氧的电子态演化信息, 系统阐述并总结了不同锂离子电池材料中电子态的演化以及氧化还原反应机理的最新研究进展.     

有机自由基电池

有机自由基电池(ORB)是利用稳定的有机自由基聚合物作为电极活性材料的一类新型可充电电池,具有快速充电速度和良好的循环稳定性。此外,有机自由基聚合物还可制成薄膜电池。ORB不含有毒的重金属,其充放电依赖于有机自由基如氮氧自由基的氧化和还原反应,不同于锂离子电池依靠锂离子的脱嵌和嵌入。ORB为环境友好型电池,可作为笔记本电脑、智能卡、传感器和无线电频率识别标签等设备的潜在电源。本文综述了ORB的构成、特征、充放电机理以及研究进展,分析了高性能有机自由基电池的开发动态,包括通过自由基聚合物的多阶充放电特点成倍增加电池的放电容量,通过电极材料的纳米掺杂提高电池的循环稳定性,并指出了高放电容量有机自由基聚合物的设计原理、ORB的发展趋势和潜在应用领域。     

锂电池电极过程的原位电化学原子力显微镜研究进展

随着人类对能源的使用与存储需求不断增加,高能量密度和高安全性能的二次锂电池体系正在被不断地开发与完善.深入理解充放电过程中锂电池内部电极/电解质界面的电化学过程以及微观反应机理,有利于指导电池材料的优化设计.原位电化学原子力显微镜将原子力显微镜的高分辨表界面分析优势与电化学反应装置相结合,能够在电池运行条件下实现对电极/电解质界面的原位可视化研究,并进一步从纳米尺度上揭示界面结构的演化规律与动力学过程.本文总结了原位电化学原子力显微镜在锂电池电极过程中的最新研究进展,主要包括基于转化型反应的正极过程、固体电解质中间相的动态演化以及固态电池界面演化与失效分析.     

利用过硫酸钠化学抽取制备脱锂态电极材料

介绍了一种通过常规化学反应制备锂离子电池脱锂态电极材料的方法。首先将氧化剂Na₂S₂O₈与锂离子电池电极材料混合于去离子水中,对混合液进行振荡和搅拌,使脱锂反应充分进行,获得不溶于水的脱锂态电极材料和溶于水的其他生成物,然后将溶于水的生成物过滤掉,最后对不溶于水的脱锂态电极材料进行反复清洗并干燥,便获得所需材料。此方法操作简便,容易控制,计算锂含量方便准确,并且可以得到足够量和纯净的脱锂态电极材料,克服了充放电法制备和采用其他氧化剂进行化学     

酰亚胺基锂电池有机聚合物负极材料的制备及电化学性能研究

设计合成了一系列聚酰亚胺基的共轭骨架材料用于锂电池负极.首先,选用具有不同共轭体系的二酐分子用作共聚物构建单元,随后通过亚胺化反应与三聚氰胺共缩聚.最后,通过进一步热处理提高材料的交联程度和稳定性.将该材料用于锂离子电池负极表现出稳定的电化学性能.聚合物的倍率性能测试结果表明:在150 mA·g~(-1)的电流密度下,循环150次后,放电比容量达到471 mAh·g~(-1)以上,在2 A·g~(-1)的较大电流密度下,放电比容量达122.1 mAh·g~(-1),当电流密度返回至100 mA·g~(-1)时,其放电比容量又上升至532.3 mAh·g~(-1)左右,材料具有较好的倍率性能,聚合物材料在充放电过程中,避免了有机小分子材料在与锂离子结合后,易溶于电解液造成的容量损失.同时,共聚物骨架的共轭结构单元和极性基团,可在保证材料的导电性的同时增加材料结合锂离子的能力,因此表现出了优异的倍率性能.     

Growth of Hollow Transition Metal (Fe,Co, Ni) Oxide Nanoparticles on Graphene Sheets through Kirkendall Effect as Anodes for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries

A general strategy based on the nanoscale Kirkendall effect has been developed to grow hollow transition metal (Fe, Co or Ni) oxide nanoparticles on graphene sheets. When applied as lithium‐ion battery anodes, these hollow transition metal oxide‐based composites exhibit excellent electrochemical performance, with high reversible capacities and long‐term stabilities at a high current density, superior to most transition metal oxides reported to date.     

纳米材料的化学锂化与电活性

基于国内外最新研究进展及本课题组的研究工作, 综述了纳米材料的化学锂化与电活性研究进展. 首先介绍了钼氧化物、钒氧化物、硒化物等高容量纳米材料的制备和锂化过程的化学问题;然后介绍了单纳米线器件及纳米线锂离子电池的组装、化学锂化与电活性等的最新进展. 指出单纳米线(带、管等)器件组装、锂离子迁移原位检测、有序阵列或复杂结构设计构筑以及锂化机理、静电耦合、锂离子迁移与界面作用等相关性的研究将是更深入探索纳米材料化学锂化与电活性的关键问题, 对纳米锂离子电池材料研究领域的发展起到促进作用.     

碳包覆Ti_2Nb_2O_9纳米片的制备及其储钠性能

具有两种不同阳离子的二元金属氧化物在钠离子电池中可发生可逆的多电子反应,是一类非常具有应用前景的高容量负极材料。在本项工作中,通过离子交换法和化学剥离法得到HTiNbO_5纳米片,采用水热法将其与蔗糖复合再经由后续热处理得到碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片材料。碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片可用作钠离子电池的负极材料,具有更高的电子导电性和多的反应活性点以及快速的离子传输通道,在50 m A?g~(-1)的电流密度下具有265.2 m Ah?g~(-1)的可逆容量。在0.5A?g~(-1)的大电流密度下,循环200圈之后比容量为160.9 m Ah?g~(-1) (容量保持率75.3%)。研究结果表明Ti_2Nb_2O_9/C纳米片在钠离子电池中具有出色的充放电性能和循环稳定性,为钠离子电池负极材料提供了可行的新选择。     

Unravelling the Correlation between the Aspect Ratio of Nanotubular Structures and Their Electrochemical Performance To Achieve High‐Rate and Long‐Life Lithium‐Ion Batteries

The fundamental understanding of the relationship between the nanostructure of an electrode and its electrochemical performance is crucial for achieving high‐performance lithium‐ion batteries (LIBs). In this work, the relationship between the nanotubular aspect ratio and electrochemical performance of LIBs is elucidated for the first time. The stirring hydrothermal method was used to control the aspect ratio of viscous titanate nanotubes, which were used to fabricate additive‐free TiO₂‐based electrode materials. We found that the battery performance at high charging/discharging rates is dramatically boosted when the aspect ratio is increased, due to the optimization of electronic/ionic transport properties within the electrode materials. The proof‐of‐concept LIBs comprising nanotubes with an aspect ratio of 265 can retain more than 86 % of their initial capacity over 6000 cycles at a high rate of 30 C. Such devices with supercapacitor‐like rate performance and battery‐like capacity herald a new paradigm for energy storage systems.     

“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.     

锂电池极片微结构优化及可控制备技术进展

锂离子电池是应用最广泛的电化学储能器件,目前,经济的快速发展对其提出了更高的要求。 电极微观结构对电池性能影响显著,电极微结构精细设计及可控制备成为锂离子电池领域的研究热点之一。 本文结合锂离子电池最新发展趋势,总结了锂离子电池电极反应基本过程及电极微结构的表征技术,然后概述了近几年电极微观结构的设计与优化,并分析了电极微结构的关键特征。 基于理想的电极结构,综述了电极可控制备技术的最新进展。     

MnS hollow microspheres combined with carbon nanotubes for enhanced performance sodium-ion battery anode

MnS as anode material for sodium-ion batteries (SIBs) has recently attracted great attention because of the high theoretical capacity, great natural abundance, and low cost. However, it suffers from inferior electrical conductivity and large volume expansion during the charge/discharge process, leading to tremendous damage of electrodes and subsequently fast capacity fading. To mitigate these issues, herein, a three-dimensional (3D) interlaced carbon nanotubes (CNTs) threaded into or between MnS hollow microspheres (hollow MnS/CNTs composite) has been designed and synthesized as an enhanced anode material. It can effectively improve the electrical conductivity, buffer the volume change, and maintain the integrity of the electrode during the charging and discharging process based on the synergistic interaction and the integrative structure. Therefore, when evaluated as anode for SIBs, the hollow MnS/CNTs electrode displays enhanced reversible capacity (275 mAh/g at 100 mA/g after 100 cycles), which is much better than that of pure MnS electrode (25 mAh/g at 100 mA/g after 100 cycles) prepared without the addition of CNTs. Even increasing the current density to 500 mA/g, the hollow MnS/CNTs electrode still delivers a five times higher reversible capacity than that of the pure MnS electrode. The rate performance of the hollow MnS/CNTs electrode is also superior to that of pure MnS electrode at various current densities from 50 mA/g to 1000 mA/g.