高比能锂离子电池层状富锂正极材料改性策略研究进展

层状富锂材料具有超过250 mAh∙g⁻¹的高可逆比容量,被认为是下一代高比能锂离子电池最具商业化前景的正极材料之一。然而,层状富锂材料在实际应用之前仍需解决诸多挑战,如高电压氧释放、层状到岩盐相的结构变化、过渡金属离子迁移等结构劣化,并由此带来了较低的初始库伦效率、电压/容量的衰减以及循环寿命的不足。针对以上问题,进行层状富锂材料改性无疑是一种行之有效的方法。本综述全面介绍了层状富锂材料的结构、组分以及电化学性能,在此基础上对材料改性策略进行了系统阐述,详细介绍了体相掺杂、表面包覆、缺陷设计、离子交换和微结构调控等一系列改性策略的现状以及发展趋势,最终提出了高容量和长循环层状富锂材料和高比能锂离子电池的设计思路。     

锰离子氧化沉淀法实现锂离子电池LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2材料的回收和利用

以浓盐酸为浸出剂,以NaOH和NH₄HCO₃为沉淀剂,利用Mn²⁺在碱性条件下的氧化反应改变离子的沉淀次序进而分步回收的方案,探究了浓盐酸酸浸处理三元正极材料LiNi_0.8Co_0.05Mn_0.15O₂的最佳条件。在分步沉淀过程中,Mn²⁺被氧化为不溶于非还原性酸的MnO （OH）₂,并在酸性条件下回收。Ni、Co则在碱性条件下利用NaOH回收,而Li则利用NH₄HCO₃回收。该方法中Mn的回收率达到85.1%,产品纯度达到98.6%; Li的回收率达到95.0%,产品纯度达到99.3%。由回收材料重新合成的三元正极组装的软包电池的首圈放电比容量达到了175 mAh·g^-1,可以以超过99.5%的库仑效率稳定循环50圈。     

基于有机电解液的锂空气电池研究进展

随着化石燃料的逐渐消耗和城市环境污染的日益严重,纯电动和混合动力汽车的开发使用越来越受到人们的重视. 受到锂离子电池能量密度的限制,目前电动汽车的连续行驶距离仍远低于内燃机动力汽车. 作为新一代电动车供能设备,基于有机电解液的锂空气电池由于结构相对简单,理论能量密度极高,成本低廉,已成为学术界的研究热点. 本文从反应机理、电解液、空气电极以及金属锂负极等四个方面入手,详细介绍了近年来锂空气电池的重要研究进展以及在基础研究方面存在的科学问题,指出了该体系面临的挑战和今后的重要研究方向.     

基于有机和组合电解液的锂空气电池研究进展

发展纯电动汽车与混合动力汽车是解决能源危机与环境问题的有效途径,这对新能源材料及储能设备提出了更高的要求. 其中以金属锂作为负极、以空气中的氧气作为正极活性物质组成的锂-空气二次电池具有很高的理论比能量,因在纯电动汽车、混合动力汽车方面有很好的应用前景而受到人们的广泛关注. 根据工作环境及介质条件,目前研究最多的锂-空气电池主要包括有机电解液、有机-水组合电解液及全固态电解质三种类型. 由于锂-空气电池的发展历史较短,目前仍处于起步阶段,在电池的正极、负极、电解液（质）及综合性能等方面均存在诸多的困难与挑战. 本文从作者课题组对有机电解液及组合电解液型锂-空气电池方面的研究出发,旨在向读者简单介绍锂-空气电池的发展历史,研究现状及未来努力的方向.     

金属有机框架(MOFs)材料在锂离子电池及锂金属电池电解液中的应用

总结了金属有机框架(MOFs)材料在锂离子电池电解液中的研究进展. 通过归纳锂离子电池长期存在的一些缺陷, 随后将MOFs材料作为离子筛、人造负极保护层、准固态电解质以及用来调节电解液构型, 使得锂离子电池的性能得到显著提升. 最后, 基于MOFs材料本身的特性, 还对MOFs材料在电化学储能领域中的后续应用进行了合理地前瞻性展望.     

高性能硫化物基全固态锂电池设计：从实验室到实用化

全固态锂电池因其优异的安全性和高能量密度成为储能领域的重点研究内容。硫化物电解质因其高离子电导率、良好电极/电解质界面兼容性及易加工性,有力推动了硫化物基全固态锂电池的发展。本文首先从实验室研究阶段出发,从正极/电解质界面、硫化物电解质自身及负极/电解质界面三方面阐述了硫化物基全固态锂电池现阶段面临的主要问题,并介绍了相关的解决策略。随后从硫化物基全固态锂电池的实用化生产角度出发,介绍了电极/电解质膜的制膜工艺、软包电池的装配相关问题、高载正极的设计及硫化物电解质的大规模、低成本制备。最后展望了硫化物基全固态锂电池的未来研究方向和发展趋势。     

Li?CO2电池机理、催化剂和性能研究进展

对化石能源依赖所造成的能源安全和环境污染等问题限制了人类社会的可持续发展。 Li-CO2电池能量密度高、原材料成本低廉且结构简单,因而被认为是开发和利用可再生清洁能源的有力技术,在住宅能量存储、电动汽车驱动和智能电网等领域具备良好的应用前景。此外, CO2等温室气体的大量排放是全球变暖的主要原因, Li-CO2电池放电时可将空气中的 CO2还原固定,生成的碳材料可用作燃料和化工原料,在资源利用化上提供了新途径。 Li-CO2电池是建立在锂-空气电池的基础上。相比大气中的其他成分, H2O与 CO2对该电池的影响很大。防水膜可以减少水的影响;而在放电过程中, CO2的存在会生成 Li2CO3, Li2CO3是可以分解的。由此可见, CO2在可充放的锂电池中作为正极活性成分储能,从而被利用起来。目前 Li-CO2电池至少面临三个问题：(1)电池充放电的机理尚不完全清楚,并且以 O2和 CO2混合气为活性气体的机理与以纯 CO2为活性气体的机理是有差别的, Li2CO3的生成与分解的机制仍在探索中;(2)电解液的稳定性;(3)寻找高效的正极催化剂材料。
　　本文介绍了 Li-CO2电池的发展历程,讨论了 Li-CO2电池的充放电机理、电解液的影响以及正极催化材料的选取等。综述了活性气体为纯 CO2和 CO2-O2混合气时机理的差别,以及 CO2/O2混合比对电池性能的影响。选取电解液应考虑其粘度和介电性。高效能的正极催化材料大多具有高导电性、多孔结构和大的比表面积等特点。而温度也是影响 Li-CO2电池性能的因素之一。虽然 Li-CO2电池的概念相对较新,但可实现 CO2在能源储存与转化领域中的应用,并为 Li-O2电池向锂空气电池飞跃提供了重要参考。本文以如何提高正极材料的催化性能和 Li2CO3的生成和分解机理为重点,总结了正极材料所具有的导电性、比表面积、特殊结构等特点,以及相关机理。     

锰离子氧化沉淀法实现锂离子电池LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2材料的回收和利用

以浓盐酸为浸出剂,以NaOH和NH₄HCO₃为沉淀剂,利用Mn²⁺在碱性条件下的氧化反应改变离子的沉淀次序进而分步回收的方案,探究了浓盐酸酸浸处理三元正极材料LiNi_0.8Co_0.05Mn_0.15O₂的最佳条件。在分步沉淀过程中,Mn²⁺被氧化为不溶于非还原性酸的MnO(OH)₂,并在酸性条件下回收。Ni、Co则在碱性条件下利用NaOH回收,而Li则利用NH₄HCO₃回收。该方法中Mn的回收率达到85.1%,产品纯度达到98.6%; Li的回收率达到95.0%,产品纯度达到99.3%。由回收材料重新合成的三元正极组装的软包电池的首圈放电比容量达到了175 mAh·g^-1,可以以超过99.5%的库仑效率稳定循环50圈。     

后锂电池时代新型电池的开发与展望

石油、天然气等化石能源的枯竭及人类生存环境的进一步恶化,迫使人们寻求和开发清洁可再生能源和高效绿色的储能装置.传统的锂离子电池等已难以满足将来电动汽车等大规模使用的电器对于大容量蓄电装置的要求.文章综述了日本产业技术综合研究所周豪慎教授课题组近年来的研究成果,介绍了组合型电解液的概念及原理,并重点讨论了锂-铜电池和锂-空气电池等基于组合型电解液的后锂离子电池的设计方法和电化学性能.文章指出,组合电解液技术将是开发高能量电化学储能装置的重要思路和有效方法.     

基于碳包覆磷酸钛钠及活性炭的水系混合超级电容器的研究

本文研究了以碳包覆磷酸钛钠[NaTi₂（PO₄）₃/C]为负极、活性炭（AC）为正极的超级电容器.以柠檬酸为碳源,采用液相法制备前驱物,利用高温固相反应制备得到NaTi₂（PO₄）₃/C纳米颗粒.正负极活性物质质量比值为2.2,组装NaTi₂（PO₄）₃/C//Na₂SO₄//AC钠离子基水系混合超级电容器.电化学性能测试表明,在电压范围0.15~1.4 V,电流密度为0.5 A·g^-1的条件下,该电容器的比功率为121.15 W·kg^-1,比能量为18.71 Wh·kg^-1.提升电流密度至10 A·g^-1,比功率可达2.42 kW·kg^-1,相应比能量为14.13 Wh·kg^-1.在1 A·g^-1的电流密度下,循环1000圈,该电容器的比容量仍保持在初始值的76%.该器件很有希望作为高功率的辅助能量储存设备实现应用.