Hierarchical nanowires for high-performance electrochemical energy storage

Nanowires are promising candidates for energy storage devices such as lithium-ion batteries, su- per（：apa.citors and lithium-air batteries. However, simple-structured nanowires have some limitations hence the strategies to make improvements need to be explored and investigated. Hierarchical nanowires with enhanced periormanee have been considered as an ideal candidate for energy storage due to the novel structures and/or synergistic properties. This review describes some of the recent progresses in the hierarchical nanowire merits, classification, synthesis and performance in energy storage applieat, ions. Herein we discuss the hierarchical nanowires based on their structural design from three major categories, including exterior design, interior design and aligned nanowire assembly. This review also briefly outlines the prospects of hierarchical nanowires in morphology control, property enhancement and application versatility.     

水热合成MoO3纳米带的生长机理研究

以离子交换法制备的氧化钼溶胶为前驱体，在水热条件下制备了单晶MoO₃纳米带，对样品进行了XRD、SEM和TEM分析。通过考察水热反应温度和时间对产物结构和形貌的影响，结合材料热力学和动力学理论，探讨了MoO₃纳米带在水热条件下的生长机理。离子交换法制备的溶胶在水热条件下首先转变为热力学亚稳相h-MoO₃六角柱，随着温度的升高和时间的延长，h-MoO₃按照溶解-重结晶过程转变为稳定相α-MoO₃纳米带。     

钒氧化物电极材料晶格呼吸现象原位探测及其反应机制研究

作为锂离子电池正极材料,层状钒氧化物具有优异的物理特性和良好的储锂性能,因此被广泛研究与应用于工业生产与日常生活的各个方面.然而,在脱嵌锂的过程中,V₂O₅凝胶等层状钒氧化物的层状结构存在“晶格呼吸”现象.这种现象导致了电极材料的钝化,并进一步导致电池容量快速衰减.采用了原位X射线衍射（XRD）来研究一种层状钒氧化物（VO_x）在充放电过程中的“晶格呼吸”现象,揭示了其独特的相变过程.在充放电过程中,原位XRD对应的二维衍射图显示出三个不同的阶段,分别对应三个固溶反应.放电过程中,三个阶段的衍射峰都向高角度偏移,表明在锂离子嵌入过程中,VO_x的层间距存在持续收缩过程.（001）层间距大小随充放电过程的变化图进一步证明了这三个过程的不连续性.这些发现揭示了这类材料在电极反应过程中的晶体结构变化规律以及造成其容量衰减的原因.     

空心碳球负载二硫化硒复合材料作为锂离子电池正极材料

制备了一种空心碳球负载二硫化硒(SeS₂@HCS)复合材料作为锂离子电池正极材料。通过扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)以及氮气吸脱附测试(BET)等对产物形貌、组成和结构进行了表征。实验结果显示,采用模板法结合化学聚合法可以合成形貌均一、单分散的空心碳球;其直径约为500 nm,壁厚约为30 nm。进一步采用熔融灌入法可以得到空心碳球负载二硫化硒复合材料。将所制备复合材料组装成电池进行电化学性能测试,与原始二硫化硒块体材料相比,SeS₂@HCS复合材料具有更高的初始容量(100 mA·g^-1电流密度下,初始放电容量为956 mAh·g^-1)和更长的循环寿命(100 mA·g^-1电流密度下,循环200圈),同时显示出更优异的倍率性能。研究结果表明该复合材料是一种具有应用前景的新型锂离子电池正极材料。     

钒氧化物纳米管的合成、结构及电化学性能

采用流变相-纳米自组装新方法合成了钒氧化物纳米管(VO_x-NTs),并通过XRD,SEM,TEM,Raman,ESR,TG-DTA,XPS及模拟电池等技术手段对产物的结构和性能进行了表征和测试.结果表明,产物主要由钒氧化物纳米管组成,纳米管长为1～10μm,直径为30～100nm.纳米管壁由3～10个VO_x层构成,层间距为3.53nm.Raman光谱反映了V-O的伸缩或弯曲振动,层状微结构的晶格振动及模板剂的有机基团振动.无明显精细结构的室温ESR谱证明了V⁴⁺的存在,根据TGA和XPS求得产物中V的平均化合价约为+4.30.VO_x-NTs正极材料初始充电容量达到404mA.h/g,放电容量为383mA.h/g,50次循环后放电容量衰减至180mA.h/g,可归因于充放电过程中VO_x-NTs正极材料在电解液中的溶蚀作用及复合电极中“孤岛效应”的产生.     

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.     

两种一维纳米结构钒氧化物的合成与表征

在水热条件下，分别利用十六胺和十六烷基三甲基溴化铵为模板，合成了两种一维纳米结构的钒氧化物：纳米管和纳米棒，采用XRD、TEM、HRTEM、FT-IR、TG/DTA对产物的形貌和结构进行了表征。研究表明，纳米管的长度主要分布在1～10 μm，外径50～100 nm，内径10～30 nm；纳米棒长1～2 μm，径向尺寸50～200 nm。     

二氧化钛基钠离子电池负极材料研究进展

二氧化钛(TiO_2)是一种稳定、廉价、无毒的钠离子电池负极材料,具有良好的应用前景.然而其导电性较低,限制了其电化学活性(比容量)和倍率特性,阻碍了其规模化应用.本文系统总结了微观结构调控、引入氧缺陷、异质元素掺杂和纳米复合等策略对TiO_2导电性和电化学性能的影响.最后,文章展望了TiO_2基钠离子电池负极材料的发展方向.     

复杂一维纳米材料的构筑及储钠性能

一维纳米材料因其独特的结构和物化性质而被广泛应用于能源存储与转换等领域. 钠离子电池由于钠资源储量丰富和成本低廉等特点而有望用于大规模能源存储. 随着能源需求的不断增长和研究的日益深入,一维纳米材料也经历着结构从简单到复杂、性能从一般到优异的演变. 因此,构筑结构复杂独特、储钠性能优异的一维纳米材料已成为储能领域的热点之一. 结合当前的研究热点和本课题组的研究进展,本文重点阐述了有机酸辅助干燥法、水热法和静电纺丝法制备复杂一维纳米材料的详细机理及其储钠性能,材料包括束状纳米线、介孔纳米管、豌豆状纳米管和离子预嵌入纳米带等,并对它们的结构与储钠性能相关性进行了详细分析. 这为一维纳米材料后续的研究和应用提供了一定的指导和帮助.     

锂离子电池硅基负极界面工程的研究进展

Si基负极材料具有比容量高和嵌锂电势低等优点,已成为提高锂离子电池能量密度的关键材料.但其巨大的体积膨胀和与电解液间的副反应造成了严重的界面问题.本文从硅负极界面的定义出发,对界面问题、成因和形成机制进行了综合评述;并分别从结构优化、人工界面构筑、电解液配方优化和固态电池中的界面问题4个方面阐述了硅基负极界面工程的发展现状;最后,对硅基负极界面问题的解决方案进行了总结与展望.