高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼有锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景. 但其产业化仍存在一系列的基础及工艺方面的问题,具体包括器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等. 本文结合作者课题组的研究工作介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.     

高电压镍锰酸锂正极/电解液界面本征性质的研究

高电压正极材料的应用是提高锂离子电池能量密度的有效手段,然而高电压下正极/电解液界面稳定性成为决定锂离子电池在高电压工作条件下循环性能和安全性能的关键因素,因此高电压下正极/电解液界面具有重要的研究价值. 但是,目前报道的正极/电解液界面的研究中通常使用传统的极片制备方法,这需要引入导电剂和粘结剂,会对后期正极活性物质表面钝化膜的形貌和组分表征带来干扰,甚至造成固体电解质界面(SEI)膜存在的假象,难以获得正极材料与电解液之间界面的本征信息. 这里,我们采用溶胶凝胶旋涂法制备了不含导电剂和粘结剂的镍锰酸锂(LNMO)正极,以其为研究对象,通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)技术,结合电化学阻抗谱(EIS)研究了LNMO正极/电解液界面在充放电过程中的结构演变过程以及本征性质. 研究结果显示在充放电过程中,电解液中溶剂和电解质都会参与反应,其中LiPF₆的降解主要发生在高电压下,其降解产物在放电过程中又会被反应消耗掉. 它们的降解产物沉积到LNMO正极形成表面膜,该表面膜的主要成分随着电压的不同组分有所不同.     

锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展

现有的以石墨为负极的锂离子电池能量密度逐渐接近其理论极限. 基于合金化反应机制的高容量含锂负极材料Li_xM_y(M为能够和锂发生合金化反应的元素)是一类新兴的负极材料, 具有数倍于石墨的储锂比容量, 且可以为电池提供活性锂源. 这些特性使其能够与高容量无锂正极材料(如S, O₂, FeF₃和V₂O₅等)相匹配, 构建下一代高比能锂离子电池新体系. 本文综述了近年来高容量合金基含锂负极材料(如Li_xSi, Li_xSn, Li₃P和Li_xAl基系列材料)的研究进展, 分析了所面临的挑战, 概述了材料的合成与电极的制备方法, 并介绍了它们在常规锂离子电池、 锂离子-硫电池及锂离子-空气电池等多个全电池体系中的应用实例, 提出并举证了其电化学性能优化与调控的策略, 最后展望了未来的研究方向.     

偏铝酸锂/环化聚丙烯腈共包覆改性高镍层状正极材料的制备

构建表面无机-有机复合包覆层,用于改善高镍层状(NCM811)正极材料结构和界面不稳定问题。复合包覆层由纳米偏铝酸锂(LiAlO₂,LAO)和环化聚丙烯腈(cPAN)构成。该复合包覆层中LAO是一种典型的锂离子导体,可提供Li⁺迁移通道;PAN环化后,可产生离域的π键,形成具有电子导电性的cPAN。材料表面复合包覆层的结构及成分研究表明,该复合包覆层均匀分布在 NCM811 材料表面。半电池测试结果表明,在 2.7~4.3 V(vs Li/Li⁺)电压范围内,在 180 mA·g^-1电流密度下,改性后的NCM811材料循环150周后容量保持率为84.8%。而同样条件下,原始NCM811材料容量保持率为65.5%。该复合包覆层可有效提升NCM811结构和界面稳定性,减少电解液分解,降低界面阻抗。     

锂-硫二次电池界面反应的特殊性与对策分析

锂-硫电池是在现有锂离子电池基础上最可能实现储能密度大幅提升的实用二次电池体系. 然而,这一电池体系的电化学利用率与循环稳定性仍然难以满足应用要求. 造成锂-硫电池性能不稳定的原因在于硫正极和锂负极的材料结构和反应环境始终处于变化之中,如在充放电过程中,硫-碳反应界面的电化学阻塞、中间产物的溶解流失、正负极之间的穿梭效应等副反应导致正极与负极均难形成稳定的电化学反应界面。针对这些特殊问题,本文简要分析了影响能量利用率和循环稳定性的化学与电化学机制,并提出了构建稳定锂负极与高效硫正极的若干可行性技术.     

镍酸锂系正极材料倍率性能的研究进展

为了获得更高的能量密度和更低的成本,高镍化和无钴化成为了镍基正极材料发展的趋势。在各类高镍无钴正极材料中,镍酸锂（LNO）系正极材料因具有较高的能量密度和较低的成本成为了研究的热点,然而其倍率性能较差,难以满足电动汽车、 3C数码产品及储能领域日趋增长的快充需求。因此,如何提高其倍率性能,成为了亟待解决的关键问题。本文从原子-晶体-颗粒尺度出发,系统阐述了Li+/Ni2+混排、相变、非理想化学计量配比、颗粒形貌和界面副反应等因素对LNO系正极材料倍率性能的影响,并归纳出制约倍率性能的三个关键因素：体相结构稳定性、界面结构稳定性和锂离子扩散能力。为提高LNO系正极材料的倍率性能,基于以上制约因素提出结构优化（掺杂改性、包覆改性、结构设计）、体系优化（正极掺混、优化电解液添加剂）和工艺优化（优化合成工艺、优化循环制度）等改性策略。最后,基于LNO系正极材料的发展现状,指出了LNO系正极材料发展过程中面临的新挑战。     

偏铝酸锂/环化聚丙烯腈共包覆改性高镍层状正极材料的制备

构建表面无机-有机复合包覆层,用于改善高镍层状(NCM811)正极材料结构和界面不稳定问题。复合包覆层由纳米偏铝酸锂(LiAlO₂,LAO)和环化聚丙烯腈(cPAN)构成。该复合包覆层中LAO是一种典型的锂离子导体,可提供Li⁺迁移通道;PAN环化后,可产生离域的π键,形成具有电子导电性的cPAN。材料表面复合包覆层的结构及成分研究表明,该复合包覆层均匀分布在 NCM811 材料表面。半电池测试结果表明,在 2.7~4.3 V(vs Li/Li⁺)电压范围内,在 180 mA·g^-1电流密度下,改性后的NCM811材料循环150周后容量保持率为84.8%。而同样条件下,原始NCM811材料容量保持率为65.5%。该复合包覆层可有效提升NCM811结构和界面稳定性,减少电解液分解,降低界面阻抗。     

高电压锂离子正极材料LiNi0.5Mn1.5O4高温特性

随着新能源电动汽车和大容量储能的快速发展,亟需开发高能量密度、高功率密度的锂离子电池。镍锰酸锂(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)由于具有高电压平台(4.7V)、较高的能量密度和功率密度、资源丰富、成本低等优点,被认为是最具潜力的锂离子电池正极材料之一。然而,在高温条件下,LiNi_0.5Mn_1.5O₄会与电解液发生严重的界面副反应,导致循环性能变差,这严重制约了其商业化进程。因此,改善LiNi_0.5Mn_1.5O₄的高温特性成为锂离子电池领域的研究热点之一。本文对近期LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料相关研究的主要成果进行综述,以LiNi_0.5Mn_1.5O₄的基本特性和现存挑战入手,着重关注离子掺杂、表面包覆和表面掺杂等策略提升材料的高温性能,并为后续研究提出建议和展望。     

锂离子电池高电压正极粘结剂的研究进展

锂离子电池在高电压下会导致严重的电解液分解以及不稳定的正极与电解质界面问题,严重制约高电压正极材料的商业化.粘结剂不仅可以将正极活性材料和导电炭紧密粘结在集流体上,还对构建电解质与正极之间的多尺度相容性界面起积极作用,因此,粘结剂的优化可以有效解决上述难题.本文提出了高电压锂离子电池正极粘结剂需具备的必要条件,如:粘结性能和机械性能优异,具有出色的电化学稳定性和热力学稳定性以及良好的离子和电子传输能力等.综述了近些年来高电压正极粘结剂的研究及发展现状,通过天然粘结剂和合成粘结剂对目前已报道的高电压粘结剂进行了评述,介绍了各种粘结剂对电极的粘结性能和包覆以及对锂离子电池性能的影响机制,重点阐述了粘结剂分子结构中的极性基团与活性物质间的相互作用,如氢键和离子-偶极相互作用,并讨论了设计开发高电压正极粘结剂的途径以及展望了高电压正极粘结剂的发展前景.     

锂离子电池三元正极材料电解液添加剂的研究进展

三元层状氧化物{Li[Ni_xCo_yM_z]O₂（0 < x,y,z < 1,M＝Mn,缩写NMC;M＝Al,缩写NCA）}具有能量密度高、循环性能好、价格适中等优异的综合性能,是目前锂离子电池（LIBs）中最具应用前景的一类正极材料.随着纯电动汽车（EVs）及混合电动汽车（HEVs）的快速发展,人们对LIBs的能量密度、循环寿命以及安全性要求不断提高.然而,在传统电解液体系中,三元正极材料在高电压、高温下会发生剧烈的结构变化和界面副反应,给实际应用带来巨大挑战,尤其是高镍三元材料的循环寿命和安全性.其中,开发适配的电解液添加剂是提高锂离子电池电化学性能最经济有效的方法之一.从物质本征结构出发,综述了近5年来包括碳酸亚乙烯酯（VC）、氟代物、新型锂盐、含P、含B、含S、腈类等及其复合物作为电解液添加剂在NMC及NCA正极材料中的应用及作用机理,并进行总结与展望.     

Al_2O_3包覆对Na_(0.44)MnO_2正极材料高温储钠性能的改善

Na_(0.44)MnO_2具有特殊的三维隧道结构和良好的化学稳定性,是一种理想的钠离子电池正极材料。本文研究了Na_(0.44)MnO_2正极材料的高温电化学性能,采用液相法对Na_(0.44)MnO_2正极材料进行Al_2O_3包覆改性,并通过电化学、形貌分析、结构分析、化学成分表征等方法研究Al_2O_3包覆的改性机制。结果表明:Al_2O_3包覆层有效地隔离了Na_(0.44)MnO_2与电解液的直接接触,缓解了高温下锰的溶解,从而维持了稳定的电极/溶液界面结构。Na_(0.44)MnO_2@Al_2O_3在55°C下的电化学性能相比未包覆Na_(0.44)MnO_2有显著提升:循环100次后容量保持率达79.2%,远高于未包覆的66.5%;在10C (1C=120 mAh·g~(-1))的大电流密度下放电比容量达到63.6 mAh·g~(-1),而未包覆的仅有12.3 mAh·g~(-1)。     

锂硒电池正极材料的研究进展

锂硒电池因其高体积比容量(3253 mAh·cm~(-3)),以及硒的高电导率(1×10~(-3) S·m~(-1))等显著优点,在体积受限的储能系统中具有潜在的应用价值。引起了国内外研究学者的广泛关注。但是,目前锂硒电池的性能还不理想,仍然存在许多科学问题亟待解决,包括多硒化锂的穿梭效应,电解液的适配性,充放电过程中电极体积变化等。近年来,研究工作者针对这些关键科学问题开展了许多研究和探索,锂硒电池已成为储能领域的一个新的研究热点。本文综述了锂硒电池的研究现状,着重介绍了硒-碳复合正极材料的研究进展,论述了锂硒电池的优势及存在的问题,系统分析了硒基正极材料结构和性能之间的关系,总结了锂硒电池的反应机理及其与电解液的相关性,最后展望了锂硒电池的未来发展方向。     

三维多孔MnOx@In2O3立方盒子的构筑及储锌性能

锰基氧化物作为锌离子电池正极具有高比容量和低成本等优点, 但在电化学循环过程中不可逆相变、 锰的溶解和电极/电解质界面不稳定导致其在小电流密度、 深度放电条件下的循环性能差. 针对以上问题, 合成了三维(3D)多孔MnO_x立方盒子, 并在其表面包覆In₂O₃层, 获得3D多孔MnO_x@In₂O₃立方盒子. 结果显示, MnO_x@In₂O₃立方盒子具有大量孔径约10 nm左右的孔, 有利于H⁺和Zn²⁺的快速传输; In₂O₃包覆层均匀包覆于3D多孔MnO_x立方盒子的孔壁上, 有利于抑制MnO_x在电化学循环过程中的不可逆相变和锰的溶解, 稳定电极/电解质界面. 电化学测试结果表明, 该3D多孔MnO_x@In₂O₃电极在0.3 A/g的小电流密度、 深度放电条件下能稳定循环400次以上, 容量保持260 mA·h/g; 在1. 8 A/g电流密度下可稳定循环4000次以上, 容量保持81 mA·h/g; 即使在高电流密度6.0 A/g下仍保持73.4 mA·h/g的高可逆容量. 恒电流间隙滴定(GITT)和循环伏安测试结果表明, 3D多孔MnO_x@In₂O₃电极比3D多孔MnO_x具有更高的离子扩散速率, 有利于提升其高倍率容量. 电化学阻抗谱结果表明, 3D多孔MnO_x@In₂O₃电极具有比3D多孔MnO_x更稳定的电极/电解质界面, 有利于提升其循环寿命. 2000次循环后的扫描电子显微镜(SEM)结果表明, MnO_x@In₂O₃电极表面仍分布少量In₂O₃, 以确保电极/电解质界面和循环的稳定性.     

三元镍基硫属化物纳米棒阵列的简单合成及其高效的电催化析氧性能北大核心CSCD

通过一步溶剂热法成功合成了泡沫镍(NF)支撑的三元镍基硫属化物(Ni_(3)(Se_(x)S_(1−x))_(2))纳米棒阵列。结构表征结果表明,所得三元Ni_(3)(Se_(x)S_(1−x))_(2)纳米棒属于三方物相,在泡沫镍基底上形成了有序的阵列结构。由于其快速的载流子传输效率、丰富的活性位点和多阴离子的协同效应,Ni_(3)(Se_(0.3)S_(0.7))_(2)/NF纳米棒阵列具有最佳的电催化性能。在1.0 mol/L的KOH溶液中,电流密度为50 mA/cm2时,过电势仅为344 mV,塔菲尔斜率为40.17 mV/dec,同时具有优异的电化学稳定性。更重要的是,以商用Pt/C为阴极,Ni_(3)(Se_(0.3)S_(0.7))_(2)/NF纳米棒阵列为阳极进行全分解水实验,仅需要1.49 V的电池电位即可提供10 mA/cm2的电解电流,表现出良好的电解水效果。该研究为电解水技术领域提供了一种高效的电催化剂,也为电化学能源技术中非贵重电催化剂的合理构建提供了有价值的见解。     

Dense Sphene-type Solid Electrolyte Through Rapid Sintering for Solid-state Lithium Metal Battery

The sphene-type solid electrolyte with high ionic conductivity has been designed for solid-state lithium metal battery. However, the practical applications of solid electrolytes are still suffered by the low relative density and long sintering time of tens of hours with large energy consumption. Here, we introduced the spark plasma sintering technology for fabricating the sphene-type Li_1.125Ta_0.875Zr_0.125SiO₅ solid electrolyte. The dense electrolyte pellet with high relative density of ca. 97.4% and ionic conductivity of ca. 1.44×10^-5 S/cm at 30℃ can be obtained by spark plasma sintering process within the extremely short time of only ca. 0.1 h. Also the solid electrolyte provides stable electrochemical window of ca. 6.0 V(vs. Li⁺/Li) and high electrochemical interface stability toward Li metal anode. With the enhanced interfacial contacts between electrodes and electrolyte pellet by the in-situ formed polymer electrolyte, the solid-state lithium metal battery with LiFePO₄ cathode can deliver the initial discharge capacity of ca. 154 mA·h/g at 0.1 C and the reversible capacity of ca. 132 mA·h/g after 70 cycles with high Coulombic efficiency of 99.5% at 55℃. Therefore, this study demonstrates a rapid and energy efficient sintering strategy for fabricating the solid electrolyte with dense structure and high ionic conductivity that can be practically applied in solid-state lithium metal batteries with high energy densities and safeties.     

一步固相法合成锂离子电池高镍层状正极材料

高镍层状正极材料因其比容量高进而满足电动汽车的续航要求,是锂离子电池中占主导地位的正极材料之一。通常,商业化的高镍层状氧化物是由共沉淀前驱体合成的,而在共沉淀过程中需要对温度、 pH、 搅拌速率等条件的精确控制,以确保镍、钴和锰等阳离子的原子级混合。本文采用了简单的一步固相法成功合成了超高镍含量的层状氧化物材料。通过使用与目标产物具有相似层状结构的前驱体氢氧化镍,成功合成了LiNiO₂和LiNi_xCo_yO₂ (x = 0.85, 0.9, 0.95; x + y = 1),其电化学性能可与共沉淀前驱体制备的高镍材料相媲美。通过XRD和XPS测试证实了Co掺杂到LiNiO₂中,并抑制了高镍氧化物中的锂镍混排。掺杂剂Co在提高高镍材料的放电容量、倍率性能和循环性能方面具有明显的优势。一步固相法为未来制备下一代高性能超高镍锂离子正极材料提供了一种简单有效制备方法。     

Na掺杂Li2-xNaxMnSiO4/C正极材料的微波辅助合成与电化学性能

采用溶胶-凝胶法并辅以微波热处理合成了Na掺杂改性的Li_2-xNa_xMnSiO₄/C(x=0, 0.05, 0.09, 0.13)复合正极材料. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 恒电流充放电测试、 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试等对材料进行了表征. 结果表明, 经微波辐射后得到的电极材料具有Pmn2₁型空间结构, 其碳层分布均匀, 粒径细小均匀, 约为15~30 nm. 在微波辅助原位碳包覆和Na掺杂共同作用下, 复合材料的电荷转移电阻明显降低, Li⁺扩散速率增大, 展现出优良的电化学性能. 在0.1C倍率下Li_1.91Na_0.09MnSiO₄/C样品首次放电比容量为211 mA∙h/g, 50次循环后仍保持80 mA∙h/g的可逆容量; 0.5C和2.0C倍率下的放电比容量分别为106和53 mA∙h/g, 大电流下的可逆容量明显提高.     

The formula of anchoring energy for a nematic liquid crystal

The interface energy for a nematic liquid crystal (NLC) is considered as the sum of potential energy between LC molecules and molecules of the substrate surface, and a formula for anchoring energy is derived by elementary principles. The anchoring energy for a NLC should have two terms, the first term is the same as the Rapini-Papoular expression, the second is related to the normal of interface and resultes from the biaxial property of a NLC induced by interface. Hence there are two anchoring coefficients, W₁ and W₂. We demonstrate that W₁ is equal to the tilt angle strength A_θ, and W₂ corresponds to the difference between A_θ and the azimuthal strength A_ϕ. Thus A_θ-A_ϕ is due to the biaxial property of the NLC near the interface. Applying this formula to the twisted NLC cell, we discuss the threshold and saturation field, as well as the maximal tilt angel θ_m with respect to A_θ/A_ϕ. Previously proposed formulae are discussed from our point view.     

高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化

高镍三元正极材料LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (x > 0.8)因其高能量密度而备受瞩目。在高镍三元正极材料中,Co不但有助于增强层状正极材料结构稳定性,而且能够提高正极材料导电性能,因此被认为是一种非常重要的元素。但是由于目前全球范围内钴矿资源紧缺,在一定程度上限制了含钴正极材料在新能源电动汽车领域的发展应用。基于此,本文将不同的过渡金属离子掺杂到高镍层状材料中形成无钴化正极材料,并进行高镍正极材料无钴化的可行性分析。通过实验对比发现,资源存储量丰富并且价格低廉的Zr在一定程度上可以取代Co元素,得到的正极材料LiNi_0.85Mn_0.1Zr_0.05O₂表现出良好的电化学性能,在0.2C倍率以及2.75–4.3 V的截止电压范围内,其放电比容量为179.9 mAh·g^-1,80周容量保持率为96.52%。