基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能

通过氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(Cs)之间的氢键以及静电作用形成GO水凝胶,从而将纳米硅颗粒和碳纳米管(CNT)原位包封于其中,再经冷冻干燥及随后的热处理制得三维硅/碳纳米管/石墨烯(Si-CNT@G)纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)等技术对制得样品的物相、结构和微观形貌等进行了表征。结果表明,所得复合材料在CNT纵横交织的石墨烯网络中,均匀地分布着纳米硅颗粒。当作为锂离子电池的负极材料时,在两种碳介质的协同作用下,有效缓冲硅材料在充放电过程中脱/嵌锂引起的体积变化,缩短了锂离子和电子传输的距离,Si-CNT@G复合材料表现出较好的循环稳定性以及倍率性能。在500 m A·g~(-1)的充放电电流密度下,经过200圈循环后,其放电比容量仍高达673.7 m Ah·g~(-1),容量保持率高达97%;即使将充放电电流密度升至2000 m A·g~(-1)时,该复合材料仍保持有566.9 m Ah·g~(-1)的高可逆放电比容量。独特的制备方法和优越的储锂性能,使得Si-CNT@G纳米复合材料成为理想的高性能锂离子电池负极材料的候选.     

δ-MnO2改性石墨烯气凝胶的制备及电化学性能

通过对还原石墨烯气凝胶(RGOA)进行δ-MnO_2纳米颗粒改性制备出锂离子电池负极,并获得了良好的电化学性能。同时研究了δ-MnO_2的负载量对三维复合RGOA/δ-MnO_2负极材料电化学性能的影响,发现随着δ-MnO_2负载量的增加,锂离子电池性能先增后减,在δ-MnO_2负载量合适时(160 mg)比容量达到最大值(1 701.9 mAh·g~(-1)),该值明显高于δ-MnO_2负极的理论容量1 230 m Ah·g~(-1)。此外,该RGOA/δ-MnO_2-160 mg负极即便在5 A·g~(-1)的大电流下经历600次循环后仍能保持210.5 mAh·g~(-1)的比容量。如此优异的电化学性能归因于RGOA的大比表面积和高导电性,以及δ-MnO_2颗粒的高比容量和高催化活性。此外,三维石墨烯气凝胶中大量的孔洞有利于提供足够的空间负载超细δ-MnO_2颗粒,避免了δ-MnO_2在嵌锂过程中的体积膨胀以及抑制了固液界面保护膜(SEM)的加厚。通过计算赝电容对锂离子电池比容量的贡献,证实RGOA/δ-MnO_2电极的充放电过程为赝电容行为所主导,这也是取得良好比容量和循环性能的另一重要原因。     

锰氧化物/碳氮三维网络结构复合材料的制备及锂电性能

通过硝酸锰和乙醇的水热反应在三聚氰胺泡棉(MF)上生成三氧化二锰颗粒,氮气下高温处理后形成锰氧化物负载碳氮三维网络结构的复合物。碳氮网络结构提高了充放电过程中材料结构的稳定性及导电性,且烧结过程中产生的孔道结构有利于锂离子传输,使得该复合材料作为负极在锂离子电池中表现出优异的充放电性能和循环稳定性。材料的比容量和循环稳定性大大提高,经500℃处理后的MnO/CNnws-500材料在160次循环后仍然保留590 m Ah·g~(-1)的比容量,达到氧化亚锰理论容量755 m Ah·g~(-1)的78%。     

三维有序大孔Fe_2SiO_4/SiO_2@C锂离子电池负极纳米玻璃陶瓷-碳复合材料制备及电化学性能

以聚苯乙烯(PS)胶晶作为铸模,采用纳米铸造工艺及后续煅烧的方法合成了三维有序大孔Fe_2SiO_4/SiO_2@C纳米玻璃陶瓷锂离子电池负极材料。溶胶-凝胶工艺产生的凝胶在650℃氩气氛炉中煅烧后,Fe_2SiO_4纳米晶体从含铁元素的SiO_2基玻璃中结晶析出,形成由Fe_2SiO_4纳米晶体、铁离子(Fe3+)修饰的玻璃态SiO_2和非晶碳组成的三维有序大孔纳米玻璃陶瓷。在50 m A·g~(-1)电流密度下进行充放电时,其放电容量可达450 m Ah·g~(-1)以上,电流密度增加到250 m A·g~(-1)时可逆放电容量仍旧稳定地保持在260 m Ah·g~(-1),而具有同样有序大孔结构和含碳量的非晶态SiO_2@C材料的放电比容量在50 m A·g~(-1)电流密度时仅为15 m Ah·g~(-1)。这些结果表明,Fe_2SiO_4纳米晶体及Fe~(3+)有助于SiO_2基玻璃陶瓷实现可逆储锂过程。     

碳包覆Ti_2Nb_2O_9纳米片的制备及其储钠性能

具有两种不同阳离子的二元金属氧化物在钠离子电池中可发生可逆的多电子反应,是一类非常具有应用前景的高容量负极材料。在本项工作中,通过离子交换法和化学剥离法得到HTiNbO_5纳米片,采用水热法将其与蔗糖复合再经由后续热处理得到碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片材料。碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片可用作钠离子电池的负极材料,具有更高的电子导电性和多的反应活性点以及快速的离子传输通道,在50 m A?g~(-1)的电流密度下具有265.2 m Ah?g~(-1)的可逆容量。在0.5A?g~(-1)的大电流密度下,循环200圈之后比容量为160.9 m Ah?g~(-1) (容量保持率75.3%)。研究结果表明Ti_2Nb_2O_9/C纳米片在钠离子电池中具有出色的充放电性能和循环稳定性,为钠离子电池负极材料提供了可行的新选择。     

CuO表面修饰锐钛矿TiO2纳米管阵列及其电化学嵌锂性能

以(CH_2OH)_2、NH4F和HCl为电解液,纯Ti片、CuCl_2和Na NO3为主要原料,联用阳极氧化和水热法制备CuO表面修饰锐钛矿TiO_2纳米管阵列锂离子电池负极材料(CuO/TiO_2)。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射(XRD),研究样品的形貌特征、元素分布、价态和微观物相组成。利用电池充放电测试仪和电化学工作站,探讨材料的电化学嵌锂性能。结果表明,表面修饰后的锐钛矿TiO_2纳米管阵列外侧出现了大量绒毛状纳米CuO,单个绒毛结构的宽度约4 nm,长度约10 nm。在0.3C的电流密度下进行恒电流充放电测试,首次放电容量为550 m Ah·g~(-1),充电容量为490 m Ah·g~(-1)。50次循环后,可逆电流容量仍保持在320 m Ah·g~(-1),具有良好的循环稳定性和电化学特性。     

降低“死锂”残留，提高硅负极首圈库仑效率

正锂离子电池硅负极的理论容量(4200m Ah·g~(-1))超过商用石墨负极的十倍(372 m Ah·g~(-1)),但循环中巨大的体积变化制约了其发展~(1,2)。过去十多年,随着各种纳米硅负极结构的提出,极大地缓解了体积膨胀带来的问题。但纳米硅负极的高比表面积同时也带来了较低的首圈库仑效率(50%–85%)的问题~(3,4),制约了其商业化应用进程。     

SnS_2纳米花/石墨烯纳米复合物的一步法合成及其增强的锂离子存储性能（英文）

SnS_2由于具有较高的储锂容量(645 mAh·g~(-1))、价格低廉等优点而受到研究者的广泛关注。但纯Sn S_2在脱嵌锂过程中存在严重的体积膨胀效应,造成活性物质粉化和剥落,从而导致容量的迅速衰减。针对这一问题,本文采用简单的一步溶剂热法制备了SnS_2纳米花/石墨烯(SnS_2 NF/GNs)纳米复合物。其中花状SnS_2由超薄纳米片组装而成,石墨烯纳米片将SnS_2包裹在其中。将该材料用作锂离子电池负极时,SnS_2 NF/GNs表现出优越的电化学性能,如:循环200圈后可逆容量仍可达523 mAh?g~(-1)复合物材料提高的储锂性能得益于SnS_2和石墨烯的协同效应。纳米结构的SnS_2可以有效的缓冲体积的膨胀,缩短锂离子的扩散距离。石墨烯纳米片不仅可以进一步缓冲SnS_2体积的膨胀,而且可以提高纳米复合物的导电性。     

锂氧电池双功能还原石墨烯-LaFeO_3复合纳米催化剂的制备及性能

制备具有氧还原(ORR)与氧释放(OER)双功能催化活性的特殊孔道结构电催化剂是锂氧电池研究的挑战之一。本文以氧化石墨烯、硝酸铁、硝酸镧、柠檬酸为原料,结合溶胶凝胶和水热合成方法,制备出还原氧化石墨烯(RGO)与铁酸镧(LaFeO_3)复合的双功能催化剂(RGO-LaFeO_3)。X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和Raman光谱分析结果确认该复合催化剂由纯相钙钛矿结构LaFeO_3和还原氧化石墨烯组成,扫描电子显微镜(SEM)观察到LaFeO_3纳米颗粒均匀地负载在RGO片层表面。锂氧电池测试结果指出,相对于LaFeO_3纳米粒子(NP-LaFeO_3),RGO-LaFeO_3催化剂具有更好的ORR和OER催化活性,归因于RGO特殊的三维导电多孔结构与LaFeO_3纳米粒子的协同催化作用。以RGO-LaFeO_3作为阴极催化剂的锂氧电池在限1000 m Ah?g~(-1)比容量、100 m A?g~(-1)电流密度条件下,可实现36周稳定的充放电循环,展示出良好的应用前景。     

原位相分离合成V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料及其储钠性能

钠具有资源丰富、成本低廉等优势,因此钠离子电池被认为是未来替代锂离子电池的最佳候选者之一。然而,寻找合适的电极材料是当前制备高性能钠离子电池面临的难题之一。在众多候选材料中,钒酸盐材料通过引入阳离子增加钒的配位数,使得材料结构的稳定性得到提高,从而改善了钠离子电池的电化学性能。本文研究了一种原位相分离法合成V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等对电极材料形貌、组成和结构进行了表征。实验结果显示,V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料相对于V2O5纳米线材料,结构更加稳定,在0.1 A·g~(-1)电流密度下,初始放电容量由295.4 m Ah·g~(-1)提升到342 m Ah·g~(-1),循环100圈容量保持率由26.6%提高到65.8%,获得了更加优异的倍率性能(在1.0 A·g~(-1)电流密度下,容量由44 m Ah·g~(-1)提高到160 m Ah·g~(-1))。因此,V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料的研究为开拓新型高性能钠离子电池负极材料拓宽了思路。     

Sub-100 nm hollow SnO2@C nanoparticles as anode material for lithium ion batteries and significantly enhanced cycle performances

Rational designing and controlling of nanostructures is a key factor in realizing appropriate properties required for the high-performance energy fields. In the present study, hollow SnO₂@C nanoparticles (NPs) with a mean size of 50 nm have been synthesized in large-scale via a facile hydrothermal approach. The morphology and composition of as-obtained products were studied by various characterized techniques. As an anode material for lithium ion batteries (LIBs), the as-prepared hollow SnO₂@C NPs exhibit significant improvement in cycle performances. The discharge capacity of lithium battery is as high as 370 mAh g^-1, and the current density is 3910 mA g^-1(5 C) after 573 cycles. Furthermore, the capacity recovers up to 1100 mAh g^-1 at the rate performances in which the current density is recovered to 156.4 mA g^-1(0.2 C). Undoubtedly, sub-100 nm SnO₂@C NPs provide significant improvement to the electrochemical performance of LIBs as superior-anode nanomaterials, and this carbon coating strategy can pave the way for developing high-performance LIBs.     

不同生物炭材料的制备及其在Li-S电池中的应用

Biochar derived from reproducible massive biomasses presents the advantages of low cost and renewable resources. In this work aiming to solve the existing problems of the lithium-sulfur battery, sulfur@biochar (S@biochar) composite cathode materials with high capacity and good cycle performance were developed. Specifically, four kinds of biochar prepared from rice husk, miscanthus, fir, and pomelo peel were used as host matrices for the Li-S battery. Among them, the S@biochar derived from rice husk delivered the highest specific capacity and the best cycle stability according to electrochemical tests. To further optimize its performance, we prepared a highly porous rice husk derived biochar (HPRH-biochar) using silica gel as the template. The S@HPRH-biochar composite (60% (w, mass fraction) S) enables the homogeneous dispersion of amorphous sulfur in the carbon matrix and its porous structure could effectively suppress the dissolution of the polysulfide. As a result, its electrochemical performance improved, achieving a high initial charge capacity of 1534.1 mAh·g^-1 and maintaining a high capacity of 738.7 mAh·g^-1 after 100 cycles at 0.2C (1C corresponds to a current density of 1675 mA·g^-1). It also gives a capacity of 485.3 mAh·g^-1 at 2.0C in the rate capacity test.     

SnS2纳米花/石墨烯纳米复合物的一步法合成及其增强的锂离子存储性能

SnS₂ is considered as an attractive anode material to substitute commercial graphite anodes of lithium-ion batteries due to its high specific capacity of 645 mAh·g^-1 as well as low cost. Nevertheless, it suffers poor large volume expansion during the lithiation/delithiation processes, leading to the loss of electrical contact and rapid capacity fading. Herein, by using a facile one-step solvothermal method, SnS₂ nanoflower/graphene nanocomposites (SnS₂ NF/GNs) were prepared, where flower-like SnS₂ hierarchical nanostructures consisting of ultrathin nanoplates, are tightly enwrapped in graphene nanosheets. As anode materials for lithium-ion batteries, the SnS₂ NF/GNs electrode exhibit superior electrochemical performance, with a reversible capacity of 523 mAh·g^-1 after 200 charge-discharge cycles. The enhanced Li storage performance was attributed to the synergistic effect of SnS₂ and graphene. The SnS₂ NF can effectively accommodate the volume change and shorten Li⁺ diffusion distance, while graphene nanosheets can further alleviate the volume expansion of SnS₂ and improve the electronic conductivity.     

基于钴酸锂载体构筑高体积比容量硫基复合材料

锂-硫电池具有高的理论质量/体积能量密度,因而成为最具发展潜力的高比能二次电池体系. 然而,由于硫载体通常采用轻质的碳纳米材料,导致硫基复合材料的振实密度和体积比容量均偏低,制约了电池体积能量密度的提升. 本文尝试采用具有高密度特征的钴酸锂(LiCoO₂)作为硫的载体材料,以构筑高振实密度的硫基复合材料,进而提高硫正极的体积比容量. 研究显示,LiCoO₂对可溶性多硫化物具有较强的吸附作用,能够促进硫的电化学转化,因而提高了硫的活性物质利用率和循环稳定性. 同时,由于具有高的振实密度(1.90 g·cm^-3),S/LiCoO₂复合材料的首周体积比容量高达1750.5 mAh·cm^-3,是常规硫/碳复合材料的2.2倍. 因此,本文利用具有高密度特征的LiCoO₂作为硫载体来提升硫复合材料的体积比容量,有助于实现锂-硫电池的高体积能量密度.     

流变相法制备海藻酸基碳包覆Li3V2(PO4)3材料的电化学性能

Li₃V₂(PO₄)₃/C (LVP/C) cathode materials were successfully prepared by a rheological phase method using alginic acid as the carbon source. The X-ray diffraction (XRD) patterns demonstrate that all the samples contain pure LVP with the same monoclinic structure. The scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) images show that LVP/C materials have a uniform particle size. The LVP/C sample with 10% (w) alginic acid shows the best cycling stability. It delivers a discharge capacity of 117.5 mAh·g^-1 (3.0-4.3 V), which can be maintained at 116.5 mAh·g^-1 after 50 cycles at a rate of 0.1C. Its capacity retentions of 99.1% (3.0-4.3 V) and 76.8% (3.0-4.8 V) after 50 cycles are prominently higher than those of pristine Li₃V₂(PO₄)₃, which are 89.7% (3.0-4.3 V) and 62.39% (3.0-4.8 V). These outstanding electrochemical performances are mainly attributed to the alginic acid-based carbon coating, which can increase the electronic conductivity of materials and buffer the mechanical damage of the active materials during the Li ion insertion/extraction process, thus improving the electrochemical performance of the LVP/C samples.     

嵌入配位不饱和金属位对多孔芳香骨架材料储氢性能的影响

基于密度泛函理论(DFT)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,系统地研究了引入配位不饱和金属位(CUS)对PAF-30n (n = 1–4)材料储氢性能影响的规律。结果表明,77 K下PAF-302MgO₂_PBE100的最大过量质量储氢量达到7.97% (w);77 K、10 MPa下100%醇镁功能化改性PAF-302和PAF-303的绝对储氢量分别达到9.9% (w) (65.9 g∙L^-1)和15.0% (w) (50.5 g∙L^-1),分别超过美国能源部(DOE)标准80% (64.8%)和173% (26.3%),均超过在相同条件下目前储氢性能最佳的NU-1101 (9.1% (w), 46.6 g∙L^-1)。即使在243 K、10 MPa下,其绝对质量和绝对体积储氢量也能分别达到5.13% (w)和34.19 g∙L^-1,占DOE质量与体积储氢标准的93.3%和85.5%,是目前为止常温储氢性能较为均衡的多孔材料之一。结合等量吸附热(Q_st)、径向分布函数(RDF)和质心几率密度分布(MCPD)方法进一步分析,发现有机链长度增加导致孔隙率增加和体积比表面积减小,是引起多孔材料绝对质量和绝对体积储氢量此消彼长的根本原因。另外,引入CUS能提高PAFs材料对H₂分子亲和力,显著增强其体积储氢量。     

碳包覆CaSnO3纳米纤维作为高性能锂离子电池负极材料

采用静电纺丝技术制备出CaSnO3纳米纤维(CaSnO3 NFs)并作为模板,再经表面原位聚合酚醛树脂和碳化处理制得碳包覆CaSnO3纳米纤维(CaSnO3@C NFs)。使用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线光电子能谱对材料的物相组成、形貌和微观结构进行了表征,通过循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗谱研究了碳包覆及碳化温度对CaSnO3 NFs负极材料电化学性能的影响。结果显示,碳包覆改性使CaSnO3 NFs的电化学性能得到较大程度的提高,而且随着碳化温度的升高,CaSnO3@C NFs复合电极的比容量先增加后下降,600℃碳化获得的CaSnO3@C NFs?600复合材料具有最好的电化学性能。在0.1 A·g^-1的电流密度下,CaSnO3@C NFs?600电极的首圈放电比容量达到1102.2 mAh·g^-1,充放电循环100圈后比容量为548.8 mAh·g^-1,当电流密度提高到2 A·g^-1时,其比容量仍保持在333.5 mAh·g^-1。     

类石墨烯类活性炭材料的简易合成及其在锂硫电池中的应用研究

锂硫电池由于具有较高的理论容量被视为一种最具发展潜力的储能装置. 然而,硫的利用率较低及循环寿命短等问题限制着其商业化进程. 本文通过一种简单易行的方法将三聚氰胺（C₃H₆N₆）和L半胱氨酸(C₃H₇NO₂S)碳化,制备出一种氮掺杂类石墨烯活性炭材料（NGC）. 该材料的类石墨烯结构能够有效抑制锂硫电池在充放电过程中产生的体积效应,以此提升其循环性能. 不仅如此,材料中含有的含氮官能团还可以促进离子转移,抑制多硫化物的溶解,进而提升硫的利用率. 其中,制备出的NGC-8/PS复合电极用于锂硫电池时在0.2 C的电流密度下初始容量为1164.1 mAh·g^-1,在经过400圈的充放电循环之后依然具有909.4 mAh·g^-1的比容量,每圈容量衰减仅为0.05%,甚至在2C的电流密度下也能达到820 mAh·g^-1的高比容量.     

Fabrication of Nb2O5/C nanocomposites as a high performance anode for lithium ion battery

Nb₂O₅/C nanosheets are successfully prepared through a mixing process and followed by heating treatment.Such Nb₂O₅/C based electrode exhibits high rate performance and remarkable cycling ability, showing a high and stable specific capacity of ~380 mAh g^-1 at the current density of 50 mA g^-1(much higher than the theoretical capacity of Nb₂O₅).Further more,at a current density of 500 mA g^-1,the nanocomposites electrode still exhibits a specific capacity of above 150 mAh g^-1 after 100 cycles.These results suggest the Nb₂O₅/C nanocomposite is a high performance anode material for lithium-ion batteries.     

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。