掺杂对钠离子电池正极材料性能影响机制的研究

钠元素在地壳中的丰度是锂元素的1000倍,资源丰富,价格低廉。同时,钠离子电池负极可采用廉价的铝箔替代铜箔,且低温特性更加优异,在能量型、备用型储能场景均具有较好应用前景,因而钠离子电池被认为是下一代大规模储能技术的理想选择之一。然而,相对锂离子而言,钠离子较大的离子半径和质量极大限制了其在电极材料中的可逆脱嵌,导致电池的工作电压和能量密度相对较低。在钠离子电池材料体系中,正极材料的研究尤为需要长足的进步。本文对现有的典型钠离子电池正极材料进行了综述,包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物,并重点分析了掺杂对钠离子电池正极材料性能的影响。通过元素掺杂可提高材料的循环可逆性、增加其可逆容量、提升钠离子扩散动力学性能,能够在一定程度上改变晶格的性质,增强晶格稳定性、电子导电性、钠离子嵌脱动力学性能等。本文总结了掺杂应用在现有材料中获得的成果,并对正极材料未来的研究方向以及发展前景提出了展望。     

钠离子电池正极材料研究进展

近年来,钠离子电池由于资源丰富、价格低廉等特点,逐渐成为储能领域的研究热点。然而,钠离子具有较大的离子半径和较慢的动力学速率,成为制约储钠材料发展的主要因素,而发展高性能的嵌钠正极材料是提高钠离子电池比能量和推进其应用的关键。本文详细综述了目前钠离子电池研究的正极材料体系,包括过渡金属氧化物、聚阴离子类材料、普鲁士蓝类化合物、有机分子和聚合物、非晶材料等,并结合这几年我们课题组在正极方面的研究工作,探讨了材料的结构和电化学性能的关系,分析了提高正极材料可逆容量、电压、结构稳定性的可能途径,为钠离子电池电极材料的发展提供参考。     

基于P2-Na_(0.7)CoO_2微球的高性能钠离子电池正极材料

<正>钠具有资源丰富、价格低廉、环境友好以及与锂相似的电化学性质等特点。相比于锂离子电池,钠离子电池更适合应用于大规模储能,近年来得到了研究人员的广泛关注~(1,2)。目前,所研究的钠离子电池正极材料主要有层状金属氧化物、隧道型金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子型化合物等。其中,层状过渡金属氧化物正极材料由于体系丰富、电化学活性     

钠离子电池钴酸钠正极材料研究进展

钠离子电池凭借分布广泛和低成本的钠资源在大规模电化学能量存储领域受到广泛关注. 层状过渡金属氧化物作为一种重要的钠离子电池正极材料, 具有比容量高、电化学可逆性相对较好和化学组成丰富且可调的特征, 得到广泛关注. 其中钴酸钠是一种典型层状过渡金属氧化物, 自20世纪80年代就得到大量研究. 由于钴酸钠含有丰富的电化学信息, 基于其充放电过程进行的机理研究对理解钠离子电池层状氧化物体系具有重要意义. 因此在介绍钴酸钠的常见结构类型与合成相图的基础上, 本文着重综述了不同结构钴酸钠在充放电过程中结构变化和电荷补偿机理的研究进展, 同时讨论了上述机制对电化学性能的影响. 本综述旨在为深入研究并建立层状过渡金属氧化物正极材料电化学过程中的构效关系提供支持.     

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料研究进展

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料具有价格低廉、比容量相对高的特点,是未来大型储能电站等能源转型设施的重要候选者,与锂离子电池在市场中的应用场景互为补充,为能源转型提供了有力支持,钠离子电池以Na+特有的理化性质而具有极大的开发潜力。然而,层状过渡金属氧化物正极材料在充放电过程伴随着钠离子的嵌入、脱出会产生一系列不利于其电化学性能的变化,如过渡金属溶解、结构相转变、相对较低的能量密度和较差的空气稳定性与循环稳定性,因此对正极材料的结构与性能进行优化变得尤为重要。近10年来许多研究学者针对层状正极材料的失效机制进行了结构上的优化,得到了性能相对良好的正极材料,报道了当前层状过渡金属氧化物正极材料的电化学性能失效机制、改性手段的现状,对钠离子层状氧化物正极材料面临的挑战进行了总结,并对未来发展需要解决的关键问题做出了展望。     

钠离子电池:储能电池的一种新选择

钠离子电池在20世纪70年代末80年代初得到关注,但因锂离子电池优异的电化学性能而没有得到广泛研究.随着电动汽车、智能电网时代的到来,锂资源短缺将成为制约其发展的重要因素.因此,亟需发展下一代综合性能优异的储能电池体系.钠和锂具有相似的物化性质,且钠资源丰富,成本低廉,是非常有发展潜力的电池体系,近年来得到了国内外研究人员的广泛关注.简要综述了近年来钠离子电池的研究成果,就层状Nax MO2(M=Co,Ni,Fe,Mn,V等)材料、聚阴离子型材料、金属氟化物等正极材料及碳基负极材料、合金和金属氧化物等负极材料的电化学性能进行了介绍,阐述了有机体系电解质和凝胶电解质在钠离子电池中的应用,并对其存在的问题以及未来发展方向作了探讨.     

磷酸钒钠Na_3V_2(PO_4)_3电化学储能研究进展

锂离子电池在全球范围内的广泛应用加剧了对锂资源的消耗,其成本和原料将限制其未来发展。钠与锂具有相似物理化学性质,并且储量丰富。根据锂离子"摇椅式"电池原理,富钠离子化合物可类似富锂离子正极材料,提供可脱嵌的钠离子及结构。钠离子较锂离子大,其可逆脱嵌反应要求材料结构具有较大的容钠位与离子迁移通道。聚阴离子体磷酸钒钠Na_3V_2(PO_4)_3属于钠离子超导体(NASICON)材料,其NASICON结构骨架形成了稳定的容钠位,并且开放的三维离子迁移通道利于提高钠离子的扩散。Na_3V_2(PO_4)_3作为电池正极材料,具有理想的比容量、电压平台与循环稳定性,从而受到了广泛关注。本文首先介绍了Na_3V_2(PO_4)_3结构特点,其次结合团队已有的工作基础对Na_3V_2(PO_4)_3在钠离子电池、混合离子电池、水系电池,混合超级电容器等体系中的应用与反应机理进行了阐述;总结了基于Na_3V_2(PO_4)_3设计的复合材料与结构并探讨了Na_3V_2(PO_4)_3可能存在的问题与未来发展趋势。     

钠离子电池工作原理及关键电极材料研究进展

由于钠资源价格低廉、分布广泛等优点,钠离子电池及其关键电极材料的研究近年来引起了广泛的关注.然而,与锂相比,钠的离子半径大得多,使其在储钠材料中的迁移速度过慢而严重地限制了钠离子电池倍率性能的提升和储钠容量的表达,而且钠元素具有更高的相对原子质量,也在理论上限制了钠离子电池的能量密度.因此,开发先进的、利于钠离子脱嵌的电极材料是开发高性能钠离子电池的关键.本文在钠离子电池工作原理的基础上,着重介绍了几类典型的关键电极材料,并对它们的研究进展进行了简要综述.     

NaF-M(M=Fe,Cu)钠离子电池转换正极材料的研究

以纳米TiN为研磨剂,采用机械球磨技术制备了NaF-M（M = Fe, Cu）纳米复合物,探索了这类复合物作为钠离子电池转换正极材料的可能性. 电化学测试表明,NaF-Fe和NaF-Cu纳米复合物电极在钠离子电解液中能实现与Na⁺的逆向转换反应,其可逆放电容量达150 mAh.g^-1以上,并具有较好的循环寿命. 只要创造了适合相转变反应进行的微区结构,钠离子的转换反应也可以通过可逆的电化学转换反应实现,并从起始的富钠放电态直接充电至贫钠的荷电态. 本工作为开发高容量钠离子电池正极材料提供了新途径.     

室温钠离子电池关键材料研究进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、价格低廉在大规模储能领域有着重要应用前景. 然而,钠离子相对锂离子较大的半径和质量限制了它在电极材料中的可逆脱嵌,导致其电化学性能不佳. 因此研发稳定、高效储钠的高比能电极材料是钠离子电池实用化的关键. 另外,进一步优化与电极材料相匹配的电解质来实现高安全、长寿命钠离子电池的构建,推动其商业化进程,也是迫切需要解决的问题. 本文主要对室温钠离子电池关键材料（包括正极、负极和电解质材料）的研究进展进行简要综述,并探讨了其面临的困难及可行的解决方案,为钠离子电池的发展提供一定参考依据.     

Robust Aqua Material: A Pressure‐Resistant Self‐Assembled Membrane for Water Purification

“Aqua materials” that contain water as their major component and are as robust as conventional plastics are highly desirable. Yet, the ability of such systems to withstand harsh conditions, for example, high pressures typical of industrial applications has not been demonstrated. We show that a hydrogel‐like membrane self‐assembled from an aromatic amphiphile and colloidal Nafion is capable of purifying water from organic molecules, including pharmaceuticals, and heavy metals in a very wide range of concentrations. Remarkably, the membrane can sustain high pressures, retaining its function. The robustness and functionality of the water‐based self‐assembled array advances the idea that aqua materials can be very strong and suitable for demanding industrial applications.     

Synthesis and electrochemical performances of amorphous carbon-coated Sn–Sb particles as anode material for lithium-ion batteries

The amorphous carbon coating on the Sn–Sb particles was prepared from aqueous glucose solutions using a hydrothermal method. Because the outer layer carbon of composite materials is loose cotton-like and porous-like, it can accommodate the expansion and contraction of active materials to maintain the stability of the structure, and hinder effectively the aggregation of nano-sized alloy particles. The as-prepared composite materials show much improved electrochemical performances as anode materials for lithium-ion batteries compared with Sn–Sb alloy and carbon alone. This amorphous carbon-coated Sn–Sb particle is extremely promising anode materials for lithium secondary batteries and has a high potentiality in the future use.     

Synthesis of poly{[bis(diethynylphenyl)silylene]phenylene}s with highly heat-resistant properties and an application to conducting materials

Poly{[bis(3,5-diethynylphenyl)silylene]-p-phenylene} was prepared by the reaction of poly[(diethoxysilylene)-p-phenylene] with 3,5-bis(trimethylsilylethynyl)phenyllithium, followed by desilylation of the resulting substitution product. The present polymer exhibited extremely high heat-resistance and their thermogravimetric analysis (TGA) in a nitrogen atmosphere showed the temperature of 5% weight loss (Td₅) of 791 °C. Total weight loss at 1000 °C in TGA was determined to be 6% based on the initial weight. Treatment of a polymer film on a quartz plate at 1200 °C in vacuo led to the formation of a conducting thin film with a thickness of 74 nm and a conductivity of 9 S/cm.     

A 3D Organically Synthesized Porous Carbon Material for Lithium‐Ion Batteries

We report the first organically synthesized sp–sp³ hybridized porous carbon, OSPC‐1. This new carbon shows electron conductivity, high porosity, the highest uptake of lithium ions of any carbon material to‐date, and the ability to inhibit dangerous lithium dendrite formation. The new carbon exhibits exceptional potential as anode material for lithium‐ion batteries (LIBs) with high capacity, excellent rate capability, long cycle life, and potential for improved safety performance.     

Se-directed synthesis of polymeric carbon nitride with potential applications in heavy metal-containing industrial sewage treatment

By calcining melamine at 500 °C with selenium powder as the structure director, polymeric carbon nitride could be prepared with enhanced specific surface area and mesoporous volume. Compared with the material fabricated without Se, this cost-effective Se-incorporated PCN (PCN-Se) could adsorb heavy metals (such as Ni, Cu and Pb) much more efficiently. Materials characterizations such as SEM, TEM and XPS demonstrated that the enlarged specific surface area and total mesoporous volume as well as the interaction of the incorporated Se with the metals via coordination should be the promoting factors for the advanced performances of the novel materials.     

高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料的设计与制备及其应用

传统的高折射率聚合物光学材料,可以通过向聚合物中引入一些芳香环,含硫基团以及除氟以外的其他卤素原子来提高聚合物光学材料的折射率,但是就目前的研究现状来看,这类纯聚合物光学材料的折射率一般都低于1.8.而将具有高折射率的无机纳米粒子引入到聚合物中,所制备的聚合物-无机纳米光学材料的折射率能够达到1.8以上.而且这类高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料同时具有高分子光学材料和无机材料的双重优点,具有广泛的应用前景.鉴于当前高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料发展之迅速和其研究与开发的重要性,并结合目前国内外的研究现状,本文就高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料的设计、制备方法及其相关应用做一个比较系统的介绍,同时对这类材料在未来研究中所应注意的问题也提出了相应的看法.