三维交联石墨烯纳米纤维的合成及储锂性能

以氧化石墨烯为原料, 高温下自组装得到高结晶的三维交联石墨烯纳米纤维. 扫描电子显微镜和透射电子显微镜观测结果表明, 三维石墨烯纳米纤维为实心结构, 直径小于100 nm, 石墨烯片层有序排列卷曲, 具有较高的结晶度. 电化学性能研究结果表明, 该纳米纤维作为锂离子电池负极材料时, 展现出较高的首次库仑效率(72.4%)与储锂容量(0.1C倍率下容量为692.7 mA·h/g)、 良好的倍率性能(20C倍率下容量为373.3 mA·h/g)及优异的循环稳定性(1000次循环后容量保持率为84.1%).     

氧缺位结构介孔二氧化钛/聚乙烯复合隔膜在锂硫电池中的应用

采用两步溶液法合成了一种具有高度氧缺位的黑色介孔二氧化钛, 并将其涂覆在隔膜表面作为锂硫电池复合隔膜, 研究了其在锂硫电池中的电化学性能. 结果表明, 氧缺位的黑色介孔二氧化钛材料不仅展现出良好的导电性, 还能加强对多硫化物的物理和化学吸附能力, 从而显著提高锂硫电池的放电比容量(0.1C倍率下首次放电比容量为1257 mA·h/g)和循环性能(循环100次后放电比容量为821 mA·h/g).     

铜包覆多孔硅基材料p-Si@Cu(x)的制备与性能

在球形SiO_2颗粒表面包覆适量的CuO,经还原得到铜包覆的多孔硅复合材料[p-Si@Cu(x)].利用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和比表面积分析等手段对样品的组成、物相结构、微观形貌和孔结构进行分析,并初步研究了材料的循环性能和倍率性能.结果表明,铜包覆量x=0.05时,在100 mA/g电流密度下,样品的首次放电容量为3596.9 mA·h/g,首次充电容量为2590.7 mA·h/g,首次库仑效率为72.03%;在1C倍率下可逆容量为1004.9 mA·h/g,0.1C倍率下循环100周后的可逆容量仍为1706.5mA·h/g,容量保持率为76.1%.     

V2O3空心球的制备及在锂硫电池中的应用

在NH₃辅助下将制备的V₂O₅空心球高温还原为V₂O₃空心球, 并利用透射电子显微镜、 扫描电子显微镜、 X射线衍射和X射线光电子能谱等手段对材料的形貌与结构进行表征. 将V₂O₃空心球与硫机械混合后, 不经过熔融复合直接作为锂硫电池的正极材料. 电化学测试结果显示, 在0.2C倍率下, 电池首次放电比容量达到1375 mA·h/g, 循环100次后放电比容量可以维持在815 mA·h/g; 在1C高倍率下, 电池首次放电比容量为710 mA·h/g, 经过500次循环后, 放电比容量仍能达到530 mA·h/g, 表明V₂O₃空心球的加入能够有效提高锂硫电池的循环性能.     

磷酸钒锂/石墨烯复合正极材料的制备及表征

通过三聚氰胺甲醛树脂(MR)中的羟基与石墨烯氧化物(GO)中的羧基发生的沉淀反应来制备功能化的氧化石墨烯前驱体,然后利用溶胶-凝胶及高温热处理方法制备磷酸钒锂/石墨烯复合材料,利用此材料制备了电池电极,并对电极材料进行了结构和电化学表征。结果表明,所得磷酸钒锂为单斜晶系结构,石墨烯堆叠程度显著降低,也有效避免了磷酸钒锂颗粒的团聚,提高了材料的电化学性能。电池的充放电曲线极化较小,在3.0~4.3 V的区间内20 C倍率仍有86 mA·h/g的可逆容量。0.1 C循环100次后容量为119.7 mA·h/g,容量保持率94%。在3.0~4.8 V的高电压区间,10 C倍率下可逆容量80 mA·h/g,0.1 C循环100次后仍有145.6 mA·h/g的可逆容量。优异的循环和倍率性能以及较低的碳含量符合锂离子正极材料实用的要求。     

氮掺杂碳磷锂离子电池复合负极材料的制备及电化学性能

以商业化的活性碳作为碳基体, 三聚氰胺作为氮源, 采用沉积法合成了N掺杂的碳磷复合材料. 材料的物性表征和电化学测试结果表明, 磷纳米球形颗粒均匀分散在氮掺杂的活性碳上, 有效增加了与电解液的接触面积, 同时P—C键的存在能稳定材料的结构, 当三聚氰胺的添加量为10%(质量分数)时, 氮掺杂的碳磷复合材料在室温及0.1C倍率首次充电比容量为2282.2 mA·h·g ^-1, 循环100次后充电比容量保持率为92.5%, 在5C倍率下首次充电比容量达到624.6 mA·h·g ^-1. 该复合材料在-10 ℃, 0.1C倍率下充电比容量为1128.2 mA·h·g ^-1, 在55 ℃, 0.1C倍率下首次充电比容量达到2060.5 mA·h·g ^-1, 表现出较好的电化学性能.     

二氧化硅/木质素多孔碳复合材料的制备及作为锂离子电池负极材料的性能

将来源于造纸黑液中的碱木质素(AL)通过水热反应与纳米二氧化硅(SiO_2)复合,制备了二氧化硅/季铵化碱木质素复合物(SiO_2/QAL),再经过碳化和酸洗后得到二氧化硅/木质素多孔碳复合材料(SiO_2/PLC).形貌与结构表征结果表明,SiO_2/PLC的比表面积达到1069 m~2/g,具有平均孔径约20 nm的介孔结构.二氧化硅纳米颗粒均匀分散在三维网络结构的木质素多孔碳内部.电化学性能测试结果表明,SiO_2/PLC作为锂离子电池负极材料具有良好的倍率性能和循环性能,在100 mA/g电流密度下经过100周循环后放电比容量为820 mA·h/g,在5 A/g大电流密度下嵌锂容量达到235 mA·h/g.     

玉米秸秆基多孔生物质碳的制备、表征及电化学性能

以玉米秸秆为原料,CaCl_2为活化剂,制备了多孔生物质碳.通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和N_2吸附-脱附分析表征了其微观形貌和结构.结合微观形貌和结构分析了其电化学性能,并探究了多孔结构的形成机理.在600℃下所得样品的比表面积为370.6m~2/g,平均孔径为9.65 nm.将该样品用作锂离子电池负极材料,在0.2C倍率下循环100次后其放电比容量为783 mA·h/g,在10C倍率下循环1000次后比容量为347 mA·h/g,表明样品具有良好的倍率性能和循环稳定性.该方法制备的样品具有较大的比表面积,能够提高电解液的渗透率和增加反应活性位点,而且丰富的孔结构增大了锂离子和电荷的自由运动空间,有利于电化学性能的提高.     

硝酸锂作添加剂对锂硫电池电化学性能的影响

采用充放电测试和交流阻抗测试研究了硝酸锂作电解液添加剂对锂硫电池电化学性能的影响. 采用电子扫描显微镜观察分析了添加剂对锂负极的影响, 探讨了硝酸锂的作用机理.  结果表明, 采用硝酸锂作为锂硫电池电解液的添加剂, 可以在锂负极表面形成具有钝化负极活性表面及保护锂负极的界面膜.  该膜可以抑制电解液中高价态聚硫离子与锂负极的副反应, 避免在锂负极表面形成不可逆的硫化锂, 从而提高锂硫电池的循环性能和放电容量. 采用硝酸锂作添加剂的锂硫电池首次放电比容量达1172 mA?h/g, 循环100次比容量保持为629 mA?h/g.     

锂钠合金的原位电化学制备及“锂+钠”共储特性

锂钠合金相较于单一锂或者单一钠具有更优异的性能,以钠金属为正极、锂金属为负极,以LiPF₆、NaClO₄以及锂钠混合离子电解液作为电解液,组装成纽扣电池,在梯度电流密度下进行充放电,成功实现了锂钠合金的原位电化学制备。得益于锂、钠双电化学活性离子的协同效应,不同钠含量的锂钠合金为负极的锂钠混合离子电容器均呈现良好的电化学性能。尤其是低钠量的锂钠合金负极,添加NaClO₄电解液时,活化的柠檬酸钾衍生碳(SCDC-活化)正极在1 A/g电流密度下循环300圈时仍能保持238 mA·h/g的比容量和99%的容量保持率。高钠量的锂钠合金负极,添加锂钠混合离子电解液时,SCDC-活化呈现了319 mA·h/g的比容量,并在循环1040圈时仍能保持93 mA·h/g的高比容量和98%的容量保持率。     

基于聚苯乙烯磺酸的锂金属负极界面保护层的设计

将聚苯乙烯磺酸(PSS)进行锂化处理后, 涂覆在锂箔表面, 在锂金属表面构筑一层均匀的聚苯乙烯磺酸锂(PSSLi)界面保护层, 形成PSSLi@Li复合电极. 通过红外光谱(FTIR)、 电化学阻抗谱(EIS)、 电池性能分析和有限元多物理场仿真模拟等方法, 对该复合电极进行了结构和性能研究. 结果表明, PSSLi界面保护层能有效地避免电解液与锂金属的直接接触, 抑制了“死锂”和锂枝晶的生成. 聚苯乙烯磺酸锂具有整齐排布的磺酸基团, 为锂离子提供了稳定的传输通道, 能够均匀化锂离子的迁移速率, 调节锂离子在电极表面的浓度分布, 并实现均匀的锂金属沉积/剥离. 电化学实验数据表明, 将该PSSLi界面层涂覆在铜箔表面进行库仑效率测试, 循环 350次实验后仍然能够保持在99.5%以上; 利用PSSLi@Li复合电极组装形成的对称电池, 在1 mA/cm²的电流密度、 1 mA·h/cm²的面积容量下, 能够稳定循环1200 h以上; PSSLi@Li与磷酸铁锂正极材料组装的全电池, 在1C倍率下循环500次后, 仍具有115 mA·h/g的容量, 容量保持率可达81%以上; 在8C的高倍率下, 该电池的容量可达到105 mA·h/g.     

三(2-羧乙基)膦阻隔层对锂硫电池穿梭效应的抑制

为了抑制热力学穿梭效应, 改善锂硫电池的电化学性能. 将三(2-羧乙基)膦芳纶纸中间层(TCEP-AP)嵌在锂硫电池正极和隔膜之间. 通过透射电子显微镜(TEM)、 扫描电子显微镜(SEM)、 红外光谱和元素能谱分析(EDS)等对材料进行结构和性能表征. 电化学实验表明, TCEP是一种特别有效的多硫化物剪切剂, 在0.1C倍率时, S-TCEP-AP 锂硫电池的初始放电容量达到1544 mA·h·g ^-1. 在1C倍率下循环400次后, 比放电容量仍维持在609 mA·h·g ^-1, 衰减率极低(每周衰减0.029%), 展现出良好的倍率和循环性能.     

沉积法合成生物质碳磷锂离子负极材料及其高低温电化学性能

使用玉米杆芯作为碳源, 通过沉积法原位合成生物质碳磷复合材料. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱(Raman)等对复合材料的形貌和结构进行表征, 通过恒电流充放电、 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)等对复合材料的电化学性能进行了测试. 结果表明, 当碳/磷质量比为4.5∶5.5时, 复合材料具有最佳的电化学性能: 扣除非活性材料的贡献, 室温下首次充电容量为1215.5 mA·h/g, 循环100次后可以保持847.7 mA·h/g 的比容量. 该复合材料随着温度的升高充电比容量逐渐增加: -20 ℃时, 0.1C倍率下的充电比容量为425.6 mA·h/g; 55 ℃时, 首次充电比容量高达1812.3 mA·h/g. 说明适量纳米磷均匀分布在无定形碳导电基体的孔结构中, 可以使制备出的复合材料现出良好的电化学性能.     

WO_3纳米棒/石墨烯复合材料的制备及电化学储锂性能

以氯化钨和氧化石墨烯(GO)为原料,乙醇为溶剂,一步合成了WO3纳米棒/石墨烯纳米复合材料(WO3/RGO).将WO3/RGO纳米复合材料用于锂离子电池负极,并通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)技术综合考察了该材料的储锂性能.结果显示,在0.1C(1C=638 mA?g-1)倍率下,复合物的首次放电比容量达到761.4 mAh?g-1,100次循环后可逆容量仍保持在635 mAh?g-1,保持率为83.4%.即使在5C倍率下容量仍高达460 mAh?g-1.由此说明,WO3/RGO纳米复合物具有优异的循环稳定性及倍率性能,可望用于高性能锂离子电池.     

羟基化多壁碳纳米管三明治隔膜对锂硫电池电化学性能的改善

先利用羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs-OH)与纸纤维制备了复合纤维纸(MWCNTs-OHP),然后将该复合纤维纸夹在两层PP隔膜之间组装三明治结构隔膜(PP@MWCNTs-OHP@PP)并应用于锂硫电池.利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱和元素能谱分析(EDS)等对材料进行结构和性能表征.电化学测试结果表明,PP@MWCNTs-OHP@PP三明治隔膜有效提高了锂硫电池的性能.在0.1C倍率下,电池首次放电比容量达到1532 m A·h/g,活性物质的利用率达到91.5%.在1C倍率下充放电循环500周后,放电比容量依然维持516 m A·h/g,每周循环衰减率为0.028%,库仑效率保持在96.4%以上.充放电倍率从3C减小到0.1C后,放电比容量从336 m A·h/g恢复到820 m A·h/g,显示出极佳的倍率性能.     

新型石墨化氮化碳/锡/氮掺杂碳复合物的制备及储钠性能

钠离子电池锡负极因具有较高的理论容量(847 mA·h/g)、 高电导率和合适的工作电位而备受关注. 但锡基负极材料在循环过程中会发生巨大的结构变化, 进而导致活性材料粉化失活和比容量的快速下降. 本文成功制备了基于石墨氮化碳(g-C₃N₄)、 聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)和Sn纳米颗粒的复合物(g-C₃N₄/Sn/NC), 其中Sn纳米颗粒包埋在石墨氮化碳和氮掺杂碳中. 在此多层分级结构中, g-C₃N₄和NC的引入可以显著加速电子/离子的传输及电池反应动力学, 从而有助于Sn和钠离子之间的合金化反应; 此外, 这种复合结构有助于保持电极材料的结构稳定性, 进而可以获得优异的储钠性能. 作为钠离子电池负极材料, g-C₃N₄/Sn/NC在0.5 A/g电流密度下经历100次循环, 可逆容量可以达到450.7 mA·h/g; 在1.0 A/g电流密度下, 比容量为388.3 mA·h/g; 此外, 在1.0 A/g电流密度下, 经过400次循环后其比容量依旧能达到363.3 mA·h/g.     

共溅法制备锂离子电池Sn-Al/Cu复合薄膜及其电化学性能

采用磁控溅射共溅法,在铜箔和泡沫铜基底上分别制备了平面和三维网状结构的Sn-Al/Cu复合薄膜.表征了其结构,并研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能.结果表明,三维网状结构的电化学性能明显优于平面复合薄膜,表现出很好的循环性能和倍率性能:以600 mA/g电流密度充放电,三维网状结构的复合薄膜有较好的容量保持率,循环50周后容量保持在410 mA·h/g;以2000 mA/g电流密度充放电,再以500 mA/g电流密度进行充放电,三维网状结构的复合薄膜仍有464 mA·h/g的放电容量.三维网状结构的Sn-Al复合薄膜能抑制充放电时带来的体积膨胀,较大的表面积和粗糙表面可以使其与锂充分反应,改善其电化学性能.     

热压法构筑锂负极聚偏氟乙烯基双功能保护层的研究

锂金属具有高比容量(3860 mA·h/g)和低电化学电位(-3.04 V vs. SHE), 是一种极具潜力的新型电池负极材料. 然而, 锂金属电化学稳定性差, 导致电池循环寿命受限, 容易产生枝晶, 造成电池短路, 引发安全风险, 而其对空气及环境的高度敏感性也极大增加了电池制作的难度与成本, 限制了其应用推广. 改善锂金属负极的界面稳定性被认为是提升锂金属电池性能的重要途径. 本文通过简单直接的热压法在锂金属负极表面构筑了聚偏氟乙烯(PVDF)基双功能保护层, 使锂金属的空气稳定性提升至约120 min, 并延长了锂金属对称电池的循环寿命至约1200 h; 再通过在PVDF保护层内引入亲锂的SnO₂粒子, 形成的无机有机复合保护层可以通过原位合金化反应提供锂沉积的形核位点, 在保持良好循环稳定性的基础上进一步降低成锂沉积的过电位, 极化过电位从0.016 V降低到0.007 V. 含有该保护层的全电池展现出约200次的长循环寿命与90%以上的高容量保持率, 在3C高倍率下放电比容量仍达127 mA·h/g. 提出的双功能电极界面保护层策略能有效提升锂金属负极空气稳定性和电化学性能.     

一步法高效制备纳米Si/C复合材料及其在高性能锂离子电池中的应用

开发了一种一步高效合成纳米硅/碳复合材料的新方法, 该方法通过球磨SiCl₄、 Mg₂Si和商业碳片, 使SiCl₄自下而上还原, 原位形成的纳米硅均匀生长在碳片上, 高效制备了纳米硅与碳片均匀复合物(Nano-Si/C). 该Nano-Si/C用作锂离子电池负极材料展现出高的可逆储锂容量(2450 mA·h/g)、 良好的倍率性能及优异的长循环稳定性, 在2 A/g电流密度下, 经过600次循环后, 容量仍然稳定在1400 mA·h/g. 其突出的电化学性能主要归因于小尺寸纳米硅与碳片均匀复合的纳米结构, 在循环嵌锂/脱锂过程中仍能保持结构和电化学性质的稳定性.     

CTAB辅助水热合成高镍三元材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2及其高低温性能研究

以醋酸盐为原料, 以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为分散剂, 通过水热合成-高温烧结的方法制备高镍三元正极材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂. 结果表明, 适量分散剂CTAB的加入可有效调节材料的颗粒形貌尺寸, 降低锂镍混排, 改善材料的电化学性能. 加入2%(质量分数) CTAB时, 制备的电池材料具有完整有序的层状结构, 且颗粒均匀分散, 具有最佳的循环性能和高低温性能. 该材料在室温及倍率1C下循环100次后, 容量保持率为88.5%. 在?20, 25和55 ℃条件下及倍率0.1C充放电时, 首次放电比容量分别为60.3, 168.5和207.2 mA·h/g.