蓬勃发展的金属锂负极

当今,国际格局正在产生重大变革,能源利用从传统化石能源主体逐渐转向低碳可再生能源。以电化学反应为基础的高效储能体系不受地理环境限制。发展高能量密度与高安全性的电化学储能技术,是以可再生能源、新能源汽车工业为代表的能源革命的重要环节。目前,锂离子电池技术成熟度高,在促进社会智能化、便携化进程中发挥着重要作用。基于电化学插层反应的锂离子电池经过将近三十年的发展,能量密度趋近于理论极限,但仍不能满足当代社会的储能需求。因此,发展高安全高比容量的下一代电极材料势在必行。     

"一流学科"建设中元素化学课堂教学内容的设计——以碱金属元素为例谈元素结构与性质及其在锂离子电池中的应用

以“碱金属的结构与性能及其在锂离子电池中的应用”为例说明元素化学课堂教学中的方法,旨在引导学生学习与掌握碱金属的结构与性质的基础知识,使学生对碱金属元素在锂离子电池中应用产生兴趣,领悟无机化学相关的科学前沿的新知识、新规律和新概念,培养学生的创新意识。同时,分组讨论碱金属的结构与化学性质之间关系及其在新能源领域中的应用,组织学生深入到开展相关研究的课题组,在教师指导下开展锂离子电池电极材料制备与表征以及器件组装和电化学性能测试,并根据获得的结果复习课堂中讲授的知识。进一步,鼓励和推进学生开展碱金属在新能源器件中应用的本科生科研训练,在科学研究中应用无机化学基础知识,实现课本知识与科学实践相衔接。     

用于锂硫电池高效硫载体的Co-N-C@KB复合材料的规模化制备策略

硫正极较差的性能严重阻碍了锂硫电池的商业化进程,这些因素包括较低的导电能力以及在促进多硫化物转化方面较差的催化活性。我们开发了一种基于配体调控合成和低温热解的规模化策略来制备高效的正极复合材料（Co-N-C@KB）,这种材料由富含Co-N-C活性位点的科琴黑（KB）组成。原子级分散的Co-N-C活性位点被证明有利于多硫化物在正极的转化,因而可以提高锂硫电池的容量和循环寿命。基于此,Co-N-C@KB作为正极可以使锂硫电池获得高达1 442 mAh·g^-1的初始放电容量,并且该电池在长时间的稳定性测试中具有出色的容量保持能力。     

水洗和回烧工艺对高镍三元材料LiNi0.88Co0.07Al0.05O2微观结构及电化学性能的影响

以镍钴氢氧化物、异丙醇铝为原料,采用水解法合成三元前驱体Ni_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2,再与锂盐混合烧结得到正极材料(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、能量色散X射线谱(EDS)和恒电流充放电测试等对样品的晶体结构、微观形貌、元素价态以及电化学性能进行表征。研究表明,料液比1∶25、水洗3次、600℃回烧2 h合成的LiNi_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2具有较优的综合电化学性能,其在0.2C的放电比容量达207.6 mAh·g~(-1),首次充放电效率为84.8%,1C放电比容量为192.0 mAh·g~(-1),循环100周后,材料的放电比容量仍有148.0 mAh·g~(-1),容量保持率达到77.1%。     

氮硫共掺杂多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因其较高的理论容量和对环境友好等优势被视为极具发展潜力的储能装置,但是多硫化物的穿梭效应极大地限制了锂硫电池的实际应用。本文以葡萄糖为碳源,离子液体为氮源和硫源,KCl和ZnCl₂为模板剂,KOH为活化剂,通过热解工艺合成了氮硫共掺杂多孔碳（NSPC）。XPS和极性吸附实验表明N、S杂原子成功引入并且提高了碳材料对多硫化物的吸附能力,有效缓解多硫化物的穿梭效应,而较高的比表面积（1290.67 m²·g^-1）有助于提高硫负载量。负载70.1wt.%的硫后（S@NSPC）作为锂硫电池的正极材料表现出了良好的电化学性能。在167.5 mA·g^-1的电流密度下S@NSPC的首次放电容量为1229.2 mAh·g^-1,远高于S@PC的861.6 mAh·g^-1,且S@NSPC循环500圈后容量为328.1 mAh·g^-1。当电流密度从3350 mA·g^-1恢复至167.5 mA·g^-1时,可逆容量达到首圈放电比容量的80%,几乎恢复至其初始值。     

中性或弱酸性体系下锌基水系电池负极材料研究进展

锌具有原料丰富、质量轻便、金属导电性与延展性好以及理论比容量高等优势,可以作为绿色可充电电池的理想电极材料。其中,以中性或弱酸性水溶液为电解质、锌为负极的锌基水系电池具有安全性高、电池材料廉价无毒、制备工艺简单、环境友好等特点,在储能和动力电池领域具有极高的应用价值和发展前景。但电池充放电过程中伴随的锌枝晶、析氢、腐蚀、钝化等问题限制了其实际应用。本文综述了锌基水系电池负极存在的问题及当前的解决策略,并对其负极研究发展方向进行了展望。     

MXene-碳黑/硫复合材料在锂硫电池一体式电极的研究

锂硫电池的实际能量密度不高和多硫化物（LiPSs）的穿梭效应等问题严重影响了该电池的实际应用。本文通过将二维的Ti₃C₂T_x Mxene纳米片与碳黑/硫（CB/S）材料进行混合,制备了Ti₃C₂T_x-CB/S正极材料并将其涂覆在商业隔膜（PP）上,最终获得了Ti₃C₂T_x-CB/S-PP一体式电极并用于锂硫电池。利用Ti₃C₂T_x纳米片对CB/S进行修饰,不仅能提高活性物质硫的导电性,还能对扩散的LiPSs进行物理阻挡和化学吸附。而一体式电极的设计有利于提高电池的能量密度。恒流充放电测试结果表明,Ti₃C₂T_x-CB/S-PP电极在0.1 C电流下的初始放电容量为1028.8 mAh·g^-1,高于不含Ti₃C₂T_x的CB/S-PP电极的896.8 mAh·g^-1。Ti₃C₂T_x-CB/S-PP电极还展示出了比基于传统铝箔集流体的Ti₃C₂T_x-CB/S-Al电极更好的循环稳定性,前者在0.5 C下400圈长循环测试中的每圈衰减率为0.072%,而后者则为更高的0.10%。本文利用Ti₃C₂T_x-CB/S构建一体式电极的策略为实现高性能和高能量密度的锂硫电池提供了新的研究方向。     

白藜芦醇对长期贮存锂离子电池电解液性能的影响

锂离子电池电解液从制造完成到使用,一般都会经历灌装、运输和贮存的过程,了解长期贮存过程对锂离子电池电解液性能的影响,对锂离子电池的生产具有一定的理论指导意义。本文运用电化学阻抗谱(EIS)测试并结合循环伏安法(CV)测试、充放电测试、扫描电子显微镜(SEM)等研究了1 mol·L^-1 LiPF₆-EC:EMC基础电解液中添加不同浓度白藜芦醇(RES)时,在长期贮存过程中对石墨电极性能的影响及机制。研究结果表明,新鲜的基础电解液在经历6个月的贮存后,石墨电极在其中无论是可逆循环容量还是循环稳定性(容量保持率)均出现大幅度的下降。这主要是由于在经历6个月贮存后的基础电解液中,石墨电极表面形成的 SEI 膜较厚,进而导致锂离子嵌入过程的不稳定造成的。在基础电解液中添加不同浓度的白藜芦醇均能有效抑制电解液长期贮存造成的石墨电极在其中电化学性能的下降,当基础电解液中含有200 ppm白藜芦醇经历6个月贮存后,石墨电极无论是可逆容量还是循环性能稳定性甚至优异于在新鲜的电解液中。     

银负载量对网状TiO_2柔性薄膜电极储锂性能的影响

采用水热法结合银镜反应制备出一系列不同Ag负载量(2.2%、4.0%、6.4%,w/w)改性的3D纳米网状结构Ag@Ti O2薄膜电极。利用电感耦合等离子体技术(ICP)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线能谱(EDX)等表征手段测试所合成材料的形貌及成分,实验结果表明Ag纳米颗粒可以成功沉积在Ti O2纳米线表面。电化学测试数据则表明,4.0%(w/w)负载量的Ag@Ti O2相比于未改性和其他负载量的Ti O2纳米线具有更好的倍率性能和更稳定的可逆容量。在50,100,200,400,800和1 200 m A·g~(-1)的电流密度条件下,该改性电极的放电容量可分别达到261.4,253.7,239.5,216.5,193.1和185.1 m Ah·g~(-1),在200 m A·g~(-1)下循环80次后容量保持率仍能达到99.8%。