二次离子电池高比容量负极碳载体的研究进展

二次离子电池商业化负极石墨的比容量已接近理论比容量. 合金型负极和金属负极因具有高比容量而受到广泛关注, 但其循环性能差和安全性问题限制了实际应用, 据此提出载体设计策略. 碳材料具有来源广泛、 易于调控等特性, 常用作二次离子电池高比容量负极的载体. 本文从碳载体的孔结构、 比表面积、 电子导电率、 离子导电率、 杂原子掺杂和界面修饰的角度出发, 综述了其在硅基、 磷基、 锗基、 锡基负极以及金属锂、 钠等负极中的研究进展, 展望了碳载体的发展前景和方向.     

二次包覆法制备煤沥青基硅/碳复合物及其锂离子电池性能

本文采用市售纳米硅为硅源,以软化点低、得碳率高、价格便宜的煤沥青作为碳源,通过两步包覆法制备了煤沥青基硅/碳(Si/C/C)复合物,并研究其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。 结果表明,所得复合物的粒径在300~350 nm间,Si纳米粒子被C包覆并相互连结成C-Si-C网络结构,其中Si含量为27%的硅/碳复合物(Si/C/C-27%)作为锂电池电极材料表现了良好的储锂性能。 在0.1 A/g的小电流密度下,Si/C/C-27%的放电比容量为1281 mA·h/g;在3 A/g的大电流密度下,其放电比容量仍能保持在582 mA·h/g,表现了良好的倍率性能。Si/C/C-27%在2 A/g的电流密度下经过100次的循环后其比容量保持率为76.61%,表现了良好的循环稳定性。 相比于煤沥青基碳的一次包覆所得的硅/碳复合材料(Si/C),Si/C/C有效提高了Si纳米粒子的导电性并抑制了其在嵌锂和脱锂过程中的体积膨胀。 本文提出的二次包覆的新方法为制备具有优异电化学性能的锂离子电池负极材料提供了新的研究思路。     

硅及硅基负极材料的研究进展

硅（Si）具有极高的理论容量、 较低的电压平台和丰富的自然资源, 有成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料的潜力. 但Si不同于石墨, 其固有电导率低, 循环过程中体积变化巨大, 不宜直接作为负极材料. 因此出现了许多从维度结构、 复合材料、 黏结剂和电解质等方面改善或适配Si基负极材料的改性方案, 以使其满足商业化的要求. 本文综合评述了近年Si基负极材料的研究进展, 总结了不同方面的设计要素, 介绍了代表性材料的性能表现, 最后, 对目前Si基材料面临的问题进行了简要分析, 并展望了其作为锂离子电池负极的研究前景.     

锂离子电池锡-金属-碳复合负极材料

石墨作为锂离子电池的负极材料已经使用了很长时间。但由于其嵌锂容量低,已不能满足动力电池快速发展的需求。而锡可以与锂形成合金,有可能取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但是单纯的金属锡在电池循环过程中发生巨大的体积变化,容易导致电极材料的粉化。而碳材料具有较高的导电性,良好的机械性能和储锂性能。为了充分发挥金属锡和碳材料的优势,锡-碳(Sn-C)复合材料得到了广泛研究。本文详细介绍了无定型碳、石墨(G)、石墨烯(GP)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)等碳材料作为惰性的导电基体与锡形成的二元复合物,阐述了锡与其它金属(M)形成的碳基三元、多元复合物的结构和性能。通过总结近些年对锡碳复合物结构与性能的研究,相信多元复合和多种结构的应用是提高锡-碳复合负极材料的关键。其中,以Sn-Co-C为基础的多元复合负极材料最有可能走向市场应用。     

Si-O-C骨架支撑型高循环性能锂离子电池硅基负极材料

通过经济有效的方法制备得到一种具有长循环寿命的高效稳定性硅/硅氧碳/无定形碳的复合负极材料结构. 在这种结构中,以具有稳定化学性能的硅氧碳结构作为骨架,来支撑和隔离硅纳米颗粒结构. 材料中包含的无定形碳组分可提高硅/硅氧碳结构的电导性能. 这种复合负极结构在0.3C电流充放电情况下,不仅能发挥出637.3 mAh·g^-1的比容量,而且在经过100 周的充放电循环后,其容量保持率也达到86%. 这种新型硅基负极材料的设计为其他功能材料的设计提供了一种潜在可能的方法.     

锂离子电池用钴基氧化物的结构设计及本征活性调控的研究进展

锂离子电池的商业石墨负极材料的容量已经接近理论值,限制了动力电池的发展,开发容量高、稳定性好、循环寿命长和倍率性能优良的新型负极材料显得尤为重要。钴基氧化物材料由于其具有较高的比容量,是锂离子电池的理想负极材料之一。本文分别从结构设计和化学成分调控2个方面,结合本课题组近年来的研究及国内外重要文献综述了钴基氧化物作为锂离子电池负极材料的研究进展。在结构设计方面,通过构建一维结构、二维结构、三维结构、空心结构、碳材料支撑结构以及异质结构来增加钴基氧化物的反应活性位点数量;而在化学成分调控方面则通过引入无定型结构、非金属杂原子掺杂、金属杂原子掺杂、构筑高熵氧化物来提高钴基氧化物的本征活性,从而提高钴基氧化物的锂离子电池性能。最后,对钴基氧化物在锂离子电池领域未来的发展进行了展望。     

锂离子电池硅纳米粒子/碳复合材料

硅由于其超高的理论比容量有望取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料,但是硅在充放电过程中巨大的体积膨胀(~300%)会导致材料粉化从集流体上脱落,同时不断形成固相电解质层,造成不可逆容量损失,而材料纳米化和碳复合是解决这些问题的有效手段。本文介绍了硅在循环过程中容量衰减机理,并综述了硅纳米粒子与碳材料复合的最新进展,主要包括包覆型、核壳型以及嵌入型硅碳负极材料,并对核壳型与嵌入型做了重点探究,最后对硅纳米粒子/碳复合材料存在的问题进行分析并展望其研究前景。     

担载纳米硅的锂-碳复合微球作为锂二次电池负极

金属锂由于其极高的理论比容量(3860mAh·g~(-1),2061mAh·cm~(-3))和低的还原电势(相对于标准氢电极(SHE)为-3.04 V)等特点,成为了高能量密度锂电池负极材料的极佳选择之一。从上个世纪七十年代开始,科研工作者便开始了金属锂负极的研究,然而,由于金属锂与电解液反应严重,镀锂过程体积膨胀大,且在循环中易生成枝晶,以金属锂为负极的电池循环稳定性差,而且容易短路从而带来安全隐患。因此金属锂做为锂电池负极的商业化推广最终没有成功。在本工作中,我们在前期设计的锂-碳纳米管复合微球(Li-CNT)中引入了纳米硅颗粒制备了硅颗粒担载的锂-碳复合球(LiCNT-Si)。实验发现,纳米硅颗粒的加入不仅提高了锂-碳复合微球的载锂量(10%(质量百分含量)的硅添加量使得比容量从2000 mAh·g~(-1)提高到2600 mAh·g~(-1)),降低了锂的沉积/溶解过电势,有利于引导锂离子回到复合微球内部沉积,大大提高了材料的循环稳定性。同时,担载了纳米硅颗粒的锂-碳复合球也继承了锂-碳复合微球循环过程中体积膨胀小,不长枝晶的优点。而且添加的纳米硅颗粒还填充了Li-CNT微球中的孔隙,减少了电解液渗入复合微球内部腐蚀里面的金属锂,进一步提高了材料的库仑效率。以添加10%硅的锂碳复合材料作为负极,与商用磷酸铁锂正极组成全电池,在常规酯类电解液中1C (0.7 mA·cm~(-2))条件下能稳定循环900圈以上,库仑效率为96.7%,大大高于同样条件下测得的Li-CNT复合材料(90.1%)和金属锂片(79.3%)的库仑效率。因此,这种通过简单的熔融浸渍法即可制备的,具有高的比容量和长的循环稳定性的锂硅-碳复合材料具有较大的潜能成为高能量密度电池的负极材料,尤其适用于锂硫、锂氧这种正极不含锂源的电池体系。     

Si-O-C骨架支撑型高循环性能锂离子电池硅基负极材料(英文)

通过经济有效的方法制备得到一种具有长循环寿命的高效稳定性硅/硅氧碳/无定形碳的复合负极材料结构.在这种结构中,以具有稳定化学性能的硅氧碳结构作为骨架,来支撑和隔离硅纳米颗粒结构.材料中包含的无定形碳组分可提高硅/硅氧碳结构的电导性能.这种复合负极结构在0.3C电流充放电情况下,不仅能发挥出637.3 mAh·g-1的比容量,而且在经过100周的充放电循环后,其容量保持率也达到86%.这种新型硅基负极材料的设计为其他功能材料的设计提供了一种潜在可能的方法.     

锂离子电池Sb基负极材料研究进展

Sb基材料作为一类合金机制的锂离子电池负极材料,因具有比容量高、安全性好等优点受到广泛关注。 然而,由于Sb基负极材料在充放电过程中的体积效应和本身导电性较差等问题导致的循环性能不理想,制约了其作为锂离子电池负极材料的商业化应用。 本文综述了近年来在锂离子电池Sb基各类负极材料方面的研究进展,重点介绍了它们的反应机理、合成方法及电化学性能,并对Sb基负极材料的发展方向进行了展望。     

Carbonaceous species of TSP in urban and rural sites around coal-fired power stations in northwestern Greece

Total suspended particles from urban and rural locations around an industrial complex with four coal-fired power stations were collected for a period of 6 months (January-June 2001). Mass concentrations of TSP and carbonaceous species (TC, EC, OC and BC) were determined for seven sampling sites of the studied area. The contribution of TC mass to the total particle mass was similar for all sites with an average value of 12.36±1.27%. The fraction of elemental carbon (EC) was estimated between 32 and 46% of the total carbon (TC). The relationship between organic and elemental carbon showed the primary origin of organic carbon (direct emissions). The OC/BC ratio values were also considered in order to get information about the enrichment of aerosols in organic carbon. Four conditional categories out of the sampling site ‘collection were additionally extracted (“urban”, “rural”, “far” and “close” location to the power stations) and considered with respect to the values of the ratios OC/BC and OC/EC and the multiple correlation coefficients R² for the concentrations of OC, BC and EC. It has been found that in some cases the correlation coefficients rather than the ratios could inform on the type of site.     

THEORETICAL COMPARISON OF THE BONDING OF CHALCOCARBONYL LIGANDS

Abstract

Fenske-Hall molecular orbital calculations on the complexes CpFe(CO)₂(CX)⁺ (X = O, S, Se, and Te) have been used to quantify the nature of bonding between the CX ligands and the metal atom. In addition, conclusions have been reached about the reactivity of the complexes under both nucleophilic and electrophilic attack. The previously established trend of increasing metal—ligand bond strength as X changes from O to S to Se is demonstrated by our molecular orbital calculations, and found to extend to Te. The mechanism for nucleophilic attack, variously explained in the past by either charge control or orbital control, is quantitatively ascribed to orbital control only. The nature of electrophilic attack on these complexes is also found to begin with orbital control.     

多孔炭材料的研究进展及前景

近年来多孔炭材料在国内外的研究和开发应用都十分活跃。本文从制备原料的扩展, 形态特征的增多, 纳米空间的控制, 功能特性的改进, 微细组织的察, 应用途径的开拓等不同方面综述了多孔炭材料的研究和应用开发的新进展。     

Spiro-Carbon: A Metallic Carbon Allotrope Predicted from First Principles Calculations

A structurally stable microporous metallic carbon allotrope, poly(spiro[2.2]penta-1,4-diyne) or, for short, spiro-carbon, with I4₁/amd (D_4h) symmetry is predicted by first-principles calculations using density functional theory (DFT). The calculations of electronic, vibrational, and structural properties show that spiro-carbon has lower relative energy than other elusive carbon allotropes such as T-Carbon and 1-diamondyne (Y-Carbon). Its structure can be pictured as a set of trans-cisoid-polyacetylene chains tangled and interconnected together by sp³ carbon atoms. Calculations reveal a metallic electronic structure arising from an “intrinsic doping” of trans-cisoid-polyacetylene chains with sp³ carbon atoms. Possible synthetic routes and various simulated spectra (XRD, NMR, and IR absorption) are provided in order to guide future efforts to synthesize this novel material.     

新型碳材料作为直接醇类燃料电池催化剂载体的评述

 电催化反应过程涉及固、液、气传输以及电子和质子传导, 为确保反应的顺利进行和提高催化剂中贵金属的利用率及延长催化剂的寿命, 理想的电催化剂载体必须同时具备高比表面积、导电性好、合适的孔结构、耐腐蚀以及合适的表面基团等. 为此, 碳载体的改性工作受到关注, 常用的方法是通过酸、碱、氧化和高分子等手段改变载体的结构和表面性质, 以期接近理想电催化剂载体的要求; 同时在开发新型碳载体方面做了更大量的工作. 本文简要评述了商品炭载体如碳黑 Vulcan XC-72R 以及其它的乙炔黑、黑珍珠-2000、Printex XE-2 和 Ketjen Black EC 等碳材料在直接醇燃料电池中的应用, 但对纳米碳纤维、碳纳米管、有序多孔碳、中间相碳小球、碳纳米角、碳纳米卷和碳气凝胶等新型碳载体则进行了较全面的评述. 与商品碳载体相比, 新型碳载体在一定程度上都表现出比 XC-72R 更优的性能, 这主要是因为新型碳材料具有特殊的结构、更高的结晶性能 (导电性) 和更好的传质能力.     

Gasification of hydrolysis lignin with CO2 in the presence of Fe and Co compounds

The effect of the nature of the metal (Fe and Co) deposited on the surface of hydrolysis lignin, as well as the metal content (1, 3, 5 and 7 wt%), on the process of dry catalytic lignin reforming has been studied. The use of the catalyst led to a twofold increase in the conversion of carbon dioxide at temperatures of 500–800 °C, while both metals showed similar activity. The maximum specific catalytic effect is achieved when supporting 7 wt% of active metals.     

Applying diamond like carbon layer on carbon/carbon composites and its effect on the deposition of hydroxyapatite coating

The biomedical application of carbon/carbon (C/C) composites is limited by lacking bioactivity and releasing carbon debris. Hydroxyapatite (HA) coating has been used to improve the bioactivity of C/C composites, but it cannot reduce the release of carbon debris effectively because of poor wear resistance property. In this work, a wear‐resistant layer of diamond like carbon (DLC) is applied on C/C composites, followed by an ultrasound‐assisted electrochemical deposition to prepare HA coatings. The microstructure, morphology and chemical composition of the DLC layer and the HA coating are characterised by scanning electron microscopy, X‐ray diffraction, energy dispersive spectroscopy (EDS), X‐ray photoelectron spectroscopy, Fourier transformed infrared spectroscopy and Raman spectrum. The bonding strength between the HA coating and the DLC layer modified C/C composites is examined by a tensile test. The results show that the DLC layer has a spherical morphology and provides a uniform surface for the deposition of the HA coating. The HA coating shows flaky morphology with a compact structure. The tensile strength of the HA coating on the DLC layer modified C/C composites is 6.24 ± 0.40 MPa, which is significantly higher than that of HA coating on unmodified C/C composites(3.04 ± 0.20 MPa). Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

炭材料对铀的吸附

铀既是核燃料的主要成分又是乏燃料后处理的关键核素。将铀从乏燃料后处理流程中的高放射性料液或者其他含铀废水中分离出来既可以将此宝贵的核燃料回收使用,又有利于降低乏燃料处理后期的处置费用,以及减少铀对环境的污染。而从海水、盐湖水、尾矿废水等贫铀水体中提取铀则可能是解决将来铀资源匮乏的主要方法。炭质材料具有较大的比表面积、较高的孔隙率,耐高温,抗辐射,对各种酸碱环境有很高稳定性,而且本身无毒,环境友好,有望作为吸附剂或固相萃取材料用于从水体中吸附分离铀。本文介绍了活性炭、介孔炭、碳纳米管等材料对铀的吸附研究进展。表面功能化可以提高炭材料对铀酰离子的吸附容量与选择性,对炭材料功能化的方法主要有表面氧化、浸渍、负载和接枝等手段。由于化学稳定性高,采用化学方法在炭材料表面接枝功能分子是具有应用前景的研究方向。采用碳纤维作电极,电吸附铀的方法可以大量地从水溶液中将铀吸附到电极表面,再通过电脱附回收铀,具有工业化应用前景。     

多色荧光碳点的制备新进展

碳点(碳量子点)是在紫外-可见光吸收区域具有有效吸收的、可多色发光的新型碳纳米材料,在生物医学、环境能源和催化领域有着重要的研究应用前景。但是,在过去的10年中,无论是自上而下还是自下而上的方法,所制备碳点的发光大部分集中在蓝光-橙光范围。最近,随着制备方法的改进,有多种方法制备出了红光或近红外发光的碳点。本文简述了近3年来各类代表性的制备碳点的方法,并主要介绍了红光或近红外发光碳点的制备新进展。     

诺贝尔奖宠儿——碳元素的前世今生

碳元素历史悠久,与现代人类社会联系紧密,对人类未来意义重大,多次斩获诺贝尔奖。在揭开碳元素的发现史之后,介绍了活性炭、碳纤维、玻璃碳等无定形碳以及热解炭等过渡碳的重要作用。此外,晶形碳的经典同素异形体--C60富勒烯、碳纳米管、石墨烯的独特结构造就了其在纳米材料领域的非凡用途;新型同素异形体的合成、发现与应用更是碳元素研究领域的热点。