客体预嵌策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能

随着人们对电子通讯器件、新能源汽车以及电网级储能技术的需求日益增长,开发安全、高效且兼具环保、低成本等优点的二次电池显得至关重要。近年来,水系锌离子电池因其高安全性、高容量、低成本以及环境友好等优点受到了广泛关注。在与锌负极相匹配的众多正极材料中,具有多电子转移特性的钒基和锰基材料表现出了广阔的应用前景。然而这些正极材料在电池循环过程通常面临着结构坍塌、组分溶解、衍生副反应、反应动力学缓慢等问题,严重制约了其商业化进程。近年来,大量研究表明,客体离子或分子预嵌正极宿主结构可以有效缓解上述问题,提升水系锌离子电池正极材料的电化学性能。本文综述了客体预嵌策略应用于水系锌离子电池钒、锰基正极材料的研究进展,对该策略所解决的问题以及其局限性进行了讨论和总结,并对未来水系锌离子电池钒基和锰基正极材料的研究发展方向进行了展望。     

水系锌离子电池用钒基正极材料的研究进展

水系锌离子电池(aqueous zinc-ion batteries,AZIBs)具有高安全性、低生产成本、锌资源丰富和环境友好等优点,被认为是未来大规模储能系统中极具发展前景的储能装置。目前,AZIBs的研究关键之一在于开发具有稳定结构和高容量的锌离子可脱嵌正极材料。钒基化合物用作AZIBs正极时,表现出可逆容量高和结构丰富可变等特点,受到了广泛的关注和研究。然而,钒基化合物的储锌机理较复杂,不同材料通常表现出各异的电化学性能和储能机理。在本综述中,我们全面地阐述了钒基化合物的储能机制,并探讨了钒基材料在水系锌离子电池中的应用和发展近况,以及它们的性能优化策略。在此基础上,也进一步地展望了水系锌离子电池及其钒基正极材料的发展方向。     

高镍三元正极材料的表面包覆策略

锂离子电池(LIBs)因具有更高的重量/体积能量密度、 更长的使用寿命、 更低的自放电率等优点而逐渐被广泛应用. 相比于已经广泛使用的钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料, 高镍三元正极材料Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂(NCM)以其高电压和高容量等优点, 逐渐成为下一代高能锂离子电池的首选正极材料之一. 尽管高镍NCM正极材料具有上述优点, 但在进一步的实际应用前还需解决其循环稳定性、 倍率性能和安全性等问题, 这些问题主要源于NCM材料本身的晶体结构不稳定、 正极-电解液间界面副反应及高界面电阻等. 针对这些问题, 目前对高镍NCM正极电化学性能优化的大量研究都与电极-电解液界面有关, 如何通过改善界面稳定性、 增加离子在固液界面的迁移率、 抑制界面副反应、 提高正极材料的稳定性进而改善电池性能成为了关注焦点. 本文总结了目前对于其电化学性能衰减的机理解释, 分类概括了包括电化学惰性包覆锂、 残积物清除剂包覆和锂离子良导体包覆等对于高镍NCM正极材料的颗粒表面包覆策略, 简述了一些新兴的包覆策略, 并对高镍NCM正极材料的发展方向和前景提出了展望.     

关于水系锌离子电池中无氧钒基正极材料的综述

水系锌离子电池具有功率密度高、环境友好、安全性高、低成本和锌资源丰富等优点，被认为具有潜力成为下一代电化学储能系统。然而，正极材料较差的电化学性能制约了水系锌离子电池的未来发展。尽管氧化锰、氧化钒、普鲁士蓝类似物、有机材料等多种材料已被广泛研究，设计具有高性能的理想正极材料仍面临着巨大挑战。无氧钒基化合物由于具有高的电导率、大的层间距、低的离子扩散势垒和高的理论比容量，受到越来越多的关注。本文总结了无氧钒基化合物的研究进展，包括电极材料的设计、改善其电化学性能的有效途径以及复杂的储能机制，提出了无氧钒基化合物目前面临的挑战和未来的发展前景，为进一步制备新型高性能钒基正极材料提供指导。     

水系锌离子电池钒基氧化物正极材料研究进展

近年来,钒基氧化物因为种类众多、理论比容量高和倍率性能优异等优点,被认为是一类具有潜在应用价值的水系锌离子电池正极材料。本文综述了V2O5、VO2等钒基氧化物材料的结构特点及其作为水系锌离子电池正极材料的最近研究进展。重点概述了当前钒基氧化物在锌离子电池中所面临的关键问题以及应对策略;最后,对钒基氧化物储锌材料的发展方向进行了展望。     

细菌纤维素基柔性锌离子电池正极的构筑及性能研究

柔性锌离子电池(ZIBs)具有高安全性、低成本和高能量密度等优势,但是现有的ZIBs柔性电极难以兼具高电化学性能和力学稳定性.其中,缺少适合的基底材料是限制柔性电极发展的关键.本工作中,以细菌纤维素(BC)为基底材料,结合原位聚合及真空过滤方法,制备了具有3D多孔结构的BC/聚苯胺/碳纳米管(BC/PANI/CNTs)柔性电极.BC固有的高抗拉伸强度和超细纳米纤维网络结构等特点,在赋予柔性电极高弯曲特性的同时,还有利于活性物质的负载及电解液离子的快速扩散.结果表明,BC/PANI/CNTs具有高柔韧性、7.3mg/cm²的负载量和157m Ah/g的比容量.以BC/PANI/CNTs电极构建的准固态ZIBs展现了109 mAh/g的比容量,且200次充放电循环后容量保持率大于90%.     

水系锌离子电池负极集流体关键问题及设计策略

水系锌离子电池具有成本低廉、环境友好、安全、能量密度较高等特点,有望应用于大规模电化学储能装置.然而,目前使用的商业化锌箔负极相对正极活性材料大大过量,显著降低了电池的能量密度,且存在严重的穿孔和极耳脱落等问题.使用集流体负载锌作为负极可有效提高放电深度,同时避免电极穿孔失效.但是,集流体界面易产生锌枝晶与副反应,严重影响电池的循环寿命.本综述首先分析了锌枝晶与副反应的产生原因及其对锌负极电化学性能的影响,并从集流体材料成分选择与结构构建两方面总结了锌负极集流体的设计思路,包括选择亲锌性材料、设计择优取向基底与构建三维集流体结构.设计合适的集流体可有效调控锌金属的沉积与剥离行为,从而推进水系锌离子电池的实用化.     

三(三甲基硅烷)亚磷酸酯添加剂改善高镍三元正极材料的高电压循环性能

研究了三(三甲基硅烷)亚磷酸酯(TMSP)添加剂对高镍三元正极材料Li Ni_(0.83)Mn_(0.05)Co_(0.12)O_2(LNMC811)高电压循环性能的影响。结合电化学表征、理论计算、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等方法研究发现,在高电位(4.5 Vvs Li/Li~+)下,TMSP添加剂能够在LNMC811正极表面被氧化分解,生成一层富含导锂离子性能好的硅酸盐和电化学稳定的无机碳酸锂,且电解液主要分解产物(有机碳酸锂和氟化锂)含量较少的正极固体电解质界面(CEI)膜;分析表明覆盖在正极表面的薄而均匀的CEI膜,能够很好的降低充放电过程的极化电压,隔离电解液和正极的接触,减少电解液的分解,抑制金属离子的溶出,稳定正极晶体结构,使LNMC811材料能够在4.5 V(vs Li/Li~+)高电压循环时仍然保持良好的循环性能和倍率性能。     

水系锌离子电池研究进展和挑战

水系锌离子电池(AZIBs)作为一种新兴电池储能技术,具有安全性高、价格低廉、能量密度高、环境友好、易制造等优点,在大规模储能等领域具有良好的应用价值和前景,近年引起了人们的广泛关注且发展迅速.作者从目前AZIBs存在的科学问题出发,综述了AZIBs在正负极材料及电解液方面取得的重要进展,对己开发的多种正极材料的特点及...     

水系锌离子电池电解液添加剂的研究进展

电解液添加剂能有效缓解锌金属阳极的不可控枝晶生长和固有副反应,大幅提升锌金属阳极的循环稳定性和可逆性,对水系锌离子电池的发展和商业化应用具有重要意义。本文通过对近期水系锌离子电池电解液添加剂的研究进展进行了系统总结和分析,简要介绍了锌金属阳极目前面临的主要挑战及其相关机理,重点阐述了电解液添加剂对锌金属阳极界面的作用机制,包括改变溶剂化结构、调节沉积方式、构筑界面保护层。此外,还对不同类型电解液添加剂进行了分类讨论,包括离子添加剂、无机添加剂和有机添加剂。最后,我们进一步对电解液添加剂策略在提升水系锌离子电池电化学性能中存在的科学问题和未来的研究方向进行了总结与展望。     

聚吡咯@二氧化锰/碳纳米管薄膜电极的制备及在高性能锌离子电池中的应用

中性/弱酸性水系锌锰电池因其能量密度高、价格低廉、环境友好等优势受到广泛关注。然而,现有的二氧化锰正极材料存在导电性能差,在充放电过程中易于溶解等问题。这严重影响了电池的倍率性能和循环稳定性,阻碍了中性锌锰电池的应用。为了解决上述问题,本文设计了以碳纳米管(CNT)网络薄膜为导电基底沉积聚吡咯(PPy)包覆二氧化锰(PPy@MnO₂/CNT)的多级结构电极。碳纳米管和聚吡咯组装形成高比表面积的三维交联导电网络,为活性材料提供了快速的电子、离子传输通道;聚吡咯包覆纳米级二氧化锰能够有效地抑制二氧化锰的溶解,进而提升电池的倍率特性和循环稳定性。以PPy@MnO₂/CNT作为正极材料组装的水系锌锰电池在1 A·g^-1的电流密度下,比容量达到210 mAh·g^-1,循环1000圈后,电池依然具有较高的容量保持率(85.7%)。本工作的导电聚合物包覆活性物质的策略可为发展高稳定柔性储能器件提供新思路。     

Proton Insertion Chemistry of a Zinc–Organic Battery

Proton storage in rechargeable aqueous zinc‐ion batteries (ZIBs) is attracting extensive attention owing to the fast kinetics of H⁺ insertion/extraction. However, it has not been achieved in organic materials‐based ZIBs with a mild electrolyte. Now, aqueous ZIBs based on diquinoxalino [2,3‐a:2′,3′‐c] phenazine (HATN) in a mild electrolyte are developed. Electrochemical and structural analysis confirm for the first time that such Zn–HATN batteries experience a H⁺ uptake/removal behavior with highly reversible structural evolution of HATN. The H⁺ uptake/removal endows the Zn–HATN batteries with enhanced electrochemical performance. Proton insertion chemistry will broaden the horizons of aqueous Zn–organic batteries and open up new opportunities to construct high‐performance ZIBs.     

Recent advances of vanadium-based cathode materials for zinc-ion batteries

Zn-ion batteries (ZIBs) have gained great attention as promising next-generation power sources, because of their low cost, enviable safety and high theoretical capacity. Recently, massive researches have been devoted to vanadium-based materials as cathodes in ZIBs, owing to their multiple valence states, competitive gravimetric energy density, but the capacity degradation, sluggish kinetics, low operating voltage hinder further optimization of their performance in ZIBs. This review summarizes recent progress to increase the interlayer spacing, structural stability, and the diffusion ability of the guest Zn ions, including the insertion of different ions, introduction of defects, design of diverse morphologies, the combination of other materials. We also focus on approaches to promoting the valuable performance of vanadium-based cathodes, along with the related ongoing scientific challenges and limitations. Finally, the future perspectives and research directions of vanadium-based aqueous ZIBs are provided.     

锂嵌入型化合物-氢气电池

可充电氢气电池作为一种新兴的电池体系在大规模能源储存领域显示出富有前景的电化学性能. 锂嵌入型化合物作为一大类的锂离子电池正极材料能够很好地用作可充电氢气电池的正极. 本文开发了 2种新型锂嵌入型化合物-氢气电池. 通过使用钴酸锂与磷酸铁锂2种正极材料分别与氢气负极在硫酸锂 水系电解液中进行匹配, 得到了钴酸锂-氢气电池与磷酸铁锂-氢气电池. 钴酸锂-氢气电池展现出约1.27 V 的放电电位, 约97 mA·h·g^-1的比容量及10C的高倍率; 磷酸铁锂-氢气电池展现出约0.66 V的放电电位, 约125 mA·h·g^-1的比容量以及10C的高倍率. 虽然, 钴酸锂-氢气电池和磷酸铁锂-氢气电池因为使用了未经优化的、 不稳定的锂嵌入型化合物正极材料而导致全电池容量衰减, 但这2种电池经过氢气负极的再循环利用均表现出优异的恢复能力. 本文结果证明了氢气电池的化学稳定性及其在未来长寿命电池中具有的大规模能源储存潜力.     

第四周期过渡金属钼磷三元杂多化合物的氧化还原性质研究

研究了Keggin结构钼磷杂多化合物Na₅[PM(H₂O)Mo₁₁O₃₉]·nH₂O(M=Mn²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺在溶液中的氧化还原性质,发现环境的改变可对杂多阴离子的极谱半波电位产生影响,其影响程度的大小决定于过渡金属离子本身的性质。取代后的钼磷杂多阴离子的半波电位顺序为Ni²⁺>Co²⁺>Zn²⁺>Cu²⁺>Mn²⁺,pH值的变化影响氧化还原性质,并阐述了变价金属Cu²⁺对杂多阴离子氧化还原性质的影响.     

追踪锂金属负极的压力与形貌变化（英文）

采用高载量氧化物正极(>4mAh·cm^-2)和超薄锂金属负极(<50μm)可以构建高比能锂金属二次电池。然而,该类电池的循环寿命和安全性受到锂金属不可控沉积的严重制约。高比表面积的锂枝晶和锂“苔藓”导致了较低的库伦效率,前者有一定可能穿刺隔膜,造成电池内短路,是亟待解决的安全隐患。因此,提升锂金属二次电池的循环寿命和安全性的关键在于实现锂金属的致密沉积。文献中已有多种化学方法可达到这样的效果。由于锂金属较软,受力容易发生形变,对锂金属电池施加机械压力是另一种促进锂金属致密沉积和提高循环性能的方法。然而,机械压力、锂金属形态的演变、和循环性能之间的关系尚未被完全理解。本文报道了一种基于薄膜压力传感器的电池压力测量装置,可以实时跟踪纽扣型锂金属电池内部的压力变化,并且探究外加机械压力对电池循环性能的影响。研究发现,在纽扣电池和高比能的软包电池(5 Ah,>380 Wh·kg^-1)中,一定程度的压力可以促进锂金属的致密沉积,改善电池循环性能;而过大的压力则会导致锂金属向负极内部沉积,造成负极变形和电池性能恶化。我们的研究结果凸显了...     

有机硫化合物在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有理论能量密度高、环境友好和成本低等优点,有望成为替代锂离子电池的新一代储能系统。然而,锂硫电池充放电产物的绝缘性、可溶性多硫化锂的穿梭效应、硫正极体积膨胀及锂枝晶的不可控生长,严重影响了锂硫电池的实际容量发挥和循环稳定性。为解决上述问题,采用有机硫化合物来替代单质硫作为正极材料是有前途的策略。调控有机硫化合物的硫链、碳链及其相互作用,可改变其电化学反应过程,提高离子/电子电导,抑制穿梭效应。有机硫化合物作为电解液添加剂,可调控硫正极的反应过程并保护金属锂负极,作为聚合物电解质的改性链段可加速锂离子传导。本综述对有机硫化合物在锂硫电池的正极、电解液添加剂和固态电解质中的应用研究进展进行详细的阐述。将有机硫化合物的结构、反应机理和电化学性质联系起来,为解决锂硫电池存在的问题提供见解。最后,提出高性能有机硫化合物的设计合成和机理研究思路,以期实现可实用化的锂硫电池。     

反胶团中漆树酶催化氧化性能与反应产物鉴定

研究了漆树酶在AOT/正辛烷/水反胶团中邻氨基苯酚的催化氧化性能。发现在40℃、pH=7.6、R=[H₂O]/[AOT]≈18的条件下,漆树酶的活力最高,在含水量较低的反胶团中较稳定。当R=6.2,于30℃保存15h活力仍保持82%;"水池"内存在的1.0×10^-3mol/L的Zn²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺等离子对漆树酶有一定的抑制作用。漆树酶对邻氨基苯酚在反胶团和水溶液介质中,其主要氧化产物均为2-氨基-吩嗪-3-酮,但在反胶团中其反应产率比在水溶液中约高0.5倍。