基于超微电极的原位电化学拉曼光谱

原位电化学拉曼光谱是一种重要的光谱电化学技术.基于超微电极的原位电化学拉曼光谱将拉曼光谱反映的结构信息与电极表面的电化学过程从实验上严格对应和关联,为深刻理解电化学反应机理提供依据.本文综述了采用超微电极作为工作电极的原位电化学拉曼光谱的研究方法和应用进展,总结了应用超微电极作为工作电极开展电化学拉曼光谱实验的方法和具有表面增强拉曼活性的超微电极制备方法,展示了如何利用在超微电极表面获得的拉曼光谱与界面电化学过程的严格关联研究单个锌颗粒电化学氧化过程、吡啶分子在Au电极表面的电化学吸附过程,以及如何利用该技术能以高的信噪比和灵敏度同时测量光电流与分子反应这一特性研究对巯基苯胺选择性光氧化反应.采用超微电极作为工作电极的原位电化学拉曼光谱技术极大拓展了拉曼光谱技术的研究范围,有望成为探索(光)电化学反应的有力工具.     

单晶电极界面反应过程的电化学原位拉曼光谱研究

自20世纪70年代起,人们利用原位光谱技术（拉曼、红外等）对电化学界面进行了系统的研究,进而发展出原位谱学电化学的研究方向,由于其具有良好的表面灵敏度和能量分辨率,可以提供更多的表面反应信息,进而从微观上揭示反应机理. 伴随着纳米技术的兴起,表面增强拉曼光谱技术取得了快速的发展. 近来,壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱（shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy,SHINERS）技术更是得到人们的广泛关注. SHINERS的出现为研究单晶模型电极上的催化反应提供了一种非常好的原位光谱技术. 本文主要对原位电化学SHINERS技术在单晶电极界面研究的具体应用及其发展前景进行相关论述.     

锂电池电极过程的原位电化学原子力显微镜研究进展

随着人类对能源的使用与存储需求不断增加,高能量密度和高安全性能的二次锂电池体系正在被不断地开发与完善.深入理解充放电过程中锂电池内部电极/电解质界面的电化学过程以及微观反应机理,有利于指导电池材料的优化设计.原位电化学原子力显微镜将原子力显微镜的高分辨表界面分析优势与电化学反应装置相结合,能够在电池运行条件下实现对电极/电解质界面的原位可视化研究,并进一步从纳米尺度上揭示界面结构的演化规律与动力学过程.本文总结了原位电化学原子力显微镜在锂电池电极过程中的最新研究进展,主要包括基于转化型反应的正极过程、固体电解质中间相的动态演化以及固态电池界面演化与失效分析.     

锂电池原位与非原位表征技术研究

锂电池的电化学性能与电子及离子在体相与界面的输运、反应、储存行为有关. 从原子尺度到宏观尺度,对电池材料在平衡态与非平衡态过程的电子结构、晶体结构、微观形貌、化学组成、物理性质的演化研究对于理解锂离子电池中各类构效关系至关重要,这需要综合多种原位与非原位表征技术. 目前,基础研究处于前沿的发达国家在这些方面取得了卓有成效的进展. 本文简介了中国科学院物理研究所近年来通过国内外合作,采用原位X射线衍射（in-situ XRD）、原位X射线吸收谱（in-situ XAS）、准原位/原位扫描电镜（quasi/in-situ SEM）、球差校正扫描透射电镜（HAADF/ABF-STEM）、扫描力曲线（Force-Curve）、中子衍射（Neutron Diffraction）、热重-差示扫描量热-质谱联用（TG-DSC-MS）、表面增强拉曼（SERS）等技术研究锂离子电池电极材料结构演化方面的进展,并对未来锂离子电池研究中先进表征技术的发展进行了简要的探讨.     

润湿特性对超级电容器储能动力学的影响机理

润湿特性对超级电容器储能性能有着至关重要的影响。借助分子动力学模拟,本文研究了润湿特性对超级电容器储能动力学行为的影响。以石墨烯和晶体铜作为疏电解液和亲电解液电极材料。结果表明,在充电过程中,亲电解液铜电极呈现出非对称的U型微分电容曲线,负极电容是正极的～5.77倍,不同于经典双电层理论Gouy-Chapman-Stern(对称U型)和疏电解液型。该现象与离子自由能阻力分布密切相关,负极自由能阻力远小于正极(～2倍)和疏电解液电极,进而有利于强化双电层结构对电极电压的响应能力,导致更高微分电容。通过微分离子电荷密度,本文再现了微分电容演变规律,并发现改善润湿性会显著降低双电层厚度。最后,我们指出润湿性直接影响储能微观机理,将电荷储存机制从离子吸附和交换共同主导(疏电解液)转变到离子吸附主导(亲电解液)。本文所得结论揭示了润湿特性对储能动力学行为影响的原子层级机理,对超级电容器材料设计、构筑与润湿特性调控具有重要指导意义。     

电化学电容器储能机理的原位表征技术研究进展

电化学电容器是一种在高比表面积多孔电极表面通过电吸附离子或快速法拉第反应来存储电荷的储能器件.近十年来,通过对电极材料纳米尺度的调控,超级电容器的各项性能指标得到了大幅度提升.深入理解电荷存储机制对进一步提升超级电容器的性能至关重要.本文介绍了近年来国际上采用原位核磁共振技术(in-situ NMR spectroscopy)、电化学石英晶体微天平(EQCM)、原位红外光谱(in-situ infrared(IR) spectroscopy)和原位小角散射技术(in-situ scattering approaches)等电化学原位技术研究超级电容器储能机理方面的进展,并探讨了原位表征技术在构建高性能超级电容器方面所面临的挑战.     

镁-过渡金属复合物正极材料

高能量密度、大容量、高工作电压、低成本、环境友好的二次电池是未来储能电池技术的发展方向。高比能的镁离子电池（MIBs）是以镁或镁合金为负极的二次电池,是一种重要的有望用于电动汽车的新型绿色储能电池。镁离子电池发展缓慢的主要问题是镁离子在正极材料中扩散速度慢。因此,本文综述了五类晶体结构的镁-过渡金属复合物类型（包括一维隧道结构、二维层状结构、三维尖晶石结构、三维NASICON结构、三维橄榄石结构）、制备方法、电化学性能等,还阐述了镁离子在固体中扩散行为及提高扩散速度的措施,最后展望了镁离子电池正极材料镁-过渡金属复合物的重要研究方向。寻找高电压（大于3 V）、高比能量、高可逆性的正极材料和与其匹配的电解液是实现镁离子电池第三次突破的关键。我们希望本文有利于更深入地了解镁离子电池正极材料,促进镁离子电池的发展。     

超级电容电池

本文比较了超级电容器、锂离子电池和超级电容电池的结构、原理、研究现状和发展前景。超级电容电池的正极具有超级电容器电极的结构和双电层储能机制,负极具有类似锂离子电池负极的结构和快速电化学储能机制。超级电容器和锂离子电池的发展空间都很有限,而作为两者结合的产物的超级电容电池可兼具高比功率、高比能量、高放电电压和长循环寿命的优点,是未来储能电池的发展方向之一,但还面临缺乏具有高分解电压的电解液和高充电电压下电解液中离子枯竭的问题。     

超级电容电池

本文比较了超级电容器、锂离子电池和超级电容电池的结构、原理、研究现状和发展前景。超级电容电池的正极具有超级电容器电极的结构和双电层储能机制,负极具有类似锂离子电池负极的结构和快速电化学储能机制。超级电容器和锂离子电池的发展空间都很有限,而作为两者结合的产物的超级电容电池可兼具高比功率、高比能量、高放电电压和长循环寿命的优点,是未来储能电池的发展方向之一,但还面临缺乏具有高分解电压的电解液和高充电电压下电解液中离子枯竭的问题。     

有机硫化物在可充电电池中的研究进展

近年来,有机硫化物因具有结构灵活、种类繁多、资源丰富和环境友好的特点而在储能领域得到广泛应用,并展示出较大的发展前景.有机硫化物在充放电过程中会发生硫-硫(S—S)键的可逆断裂和形成,分子中S—S键的数目决定了电子转移的多少,而有机基团可以影响电池的电化学行为.本文综合评述了有机硫化物在可充电电池中的研究进展,主要包括有机硫小分子和聚合物正极材料在可充电锂电池中的应用,有机硫电解液添加剂对锂-硫(Li-S)和锂-硒(Li-Se)电池性能的影响及有机硫材料在其它可充电电池中的应用等4个方面.这些结构可调的有机硫化物展示出优异的循环稳定性,改变了传统Li-S和Li-Se电池的氧化-还原路径,参与正负极固体电解质界面的形成,能抑制多硫化物的穿梭效应,阻止锂枝晶的生长.最后,讨论了有机硫化物在可充电电池领域未来研究发展中面临的挑战.     

基于阴离子-石墨嵌层化合物的电化学电容器

石墨可以在高电势下电化学可逆存储阴离子,有望在高电压储能器件中担当正极材料.本文介绍了基于阴离子-石墨嵌层化合物型正极材料的高比能电容器的研究进展,剖析了影响电容器性能的各方面因素,探讨了一系列表征相关电极材料储能机制的方法和手段,揭示了溶剂化效应对阴离子插嵌石墨正极电化学行为的关键性作用.并进一步概述了该种正极材料近年来在新型储能器件-双离子电池中的发展态势,展望了其应用前景和即将面临的潜在问题.     

低成本铝离子电池电解液的设计及应用

可充电铝离子电池由于高体积/质量比容量、高安全性、环保等优点被认为是非常具有前景的下一代储能电池。然而广泛使用的AlCl₃/EMImCl离子液体电解液由于具有一定毒性和高昂的价格制约着铝离子电池的进一步应用。基于此，通过效率和稳定性测试筛选四种不同的低成本尿素基配体，选择了性能最好的AlCl₃/1,3-二甲基脲作为铝离子电池的电解液。最后以人造石墨作为正极组装了全电池。该电池在50 mA·g^-1的电流密度下实现了91.1 mAh·g^-1的高比容量，并能够稳定循环超过100圈，容量保持率高达95.8%。     

基于镍/氮掺杂碳复合材料的双功能电催化剂合成及电化学性能研究

通过高温热解氢氧化镍/聚苯胺前驱体,制备了镍/氮掺杂碳复合材料,并作为双功能电催化剂应用于可充电锌-空气电池.利用X射线衍射、透射电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱等对样品的形貌与结构进行表征,并利用电化学工作站与旋转圆盘电极对样品的氧还原与氧析出电催化性能进行测试.线性扫描伏安曲线的结果表明,在0.1 M KOH水溶液...     

柔性复合织物电极Graphene/Cotton和MnO_2/Graphene/Cotton的合成及在电化学电容器中的应用（英文）

通过热还原法成功地制备出了柔性复合织物电极石墨烯/棉布(graphene/cotton)。热还原条件对电极的导电性能具有较大的影响。导电柔性织物电极graphene/cotton特有的多级结构使其既有利于进一步负载膺电容材料,又有利于电子和电解质离子的传输与扩散。通过电化学沉积方法,利用导电柔性织物电极graphene/cotton进一步制备出了电极MnO_2/graphene/cotton。利用扫描电子显微镜(SEM),傅里叶变换红外(FTIR)光谱,四探针测试法等表征技术对电极的结构进行了较为详细的表征。结果表明电极MnO_2/graphene/cotton的比电容可以达到536 F?g~(-1)。良好的电化学性能和柔性使得此类电极在柔性储能材料应用中具有极大的应用前景。     

固态锂电池电极过程的原位研究进展

固态锂电池(SSLBs)由于其安全性和潜在的高能量密度优势,被认为是下一代动力电池的重要发展方向.然而,目前仍存在固态电解质离子电导率低,电极/电解质界面兼容性和稳定性差等瓶颈问题.为了提高SSLBs的性能,阐明循环过程中电极、固态电解质及其界面间的动态演化是至关重要的.在过去的几十年里,各种先进原位表征技术的出现,促进了对高性能锂电池内部工作机制的理解,推动了SSLBs进一步发展.本综述系统地介绍了近几年原子力显微镜、电子显微镜、X射线显微镜等成像表征技术和拉曼光谱、X-ray基技术、中子深度分析等成分分析技术的原位研究进展.重点分析了各类表征技术在SSLBs循环过程中形貌和组分的演化,包括正极材料的相变、形变,金属锂的沉积/溶解、锂枝晶生长,固态电解质结构演化和固体电解质中间相的形成,进一步加深了对固态锂电池的理解.     

室温铝二次电池及其关键材料

金属铝是一种很高的能量载体,是开发电池的理想电极材料。由于铝在二次电池中的应用体系主要集中在高温熔盐铝二次电池,其熔盐电解质需要高温,对环境要求苛刻,成本较高难于维护,限制了铝二次电池的发展。近年来,室温离子液体作为二次电池的电解液的研究,使得室温铝二次电池的开发与应用成为可能,人们开始研究基于离子液体电解液的室温有机熔盐二次电池,采用铝或者嵌铝化合物作为电极材料,离子液体作为电解液,与传统的二次电池相比具有很多优点。本文介绍了近年来室温铝二次电池相关的研究和应用新进展,包括金属铝负极的优化和铝枝晶的抑制,可嵌脱铝负极材料的设计,可用于铝二次电池的过渡金属氧化物和导电聚合物正极材料及其性能,以及电解液的要求和离子液体作电解液的优势,并指出了可能存在的问题以及相应的解决办法。     

手性布洛芬对映体的选择性光电化学氧化

将光电化学方法与原位分子印迹技术相结合,通过使用手性布洛芬的对映体S-布洛芬(S-ibuprofen)和R-布洛芬(R-ibuprofen)为模板分子,在原位生长的单晶二氧化钛(TiO_2)纳米棒表面构筑S-ibuprofen和R-ibuprofen分子印迹位点,制备出能够对S-ibuprofen和R-ibuprofen选择性识别和催化氧化的印迹电极。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)对电极的形貌、结构和组成进行表征,通过电化学阻抗对电极表面的电子传递阻力进行研究,以制备得到的印迹电极为工作电极通过光电化学方法对其印迹位点的光电识别选择性和光电降解选择性进行测试。制备得到的TiO_2为单晶纳米棒阵列,印迹位点成功构筑在TiO_2纳米棒表面且具有很好的择形吸附能力。本工作首次实现了手性医药布洛芬对映体在人工光电催化剂表面的选择性识别和选择性氧化降解。     

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.     

电化学谱学表征方法的应用与发展

经历两个多世纪的发展,电化学表征方法的理论和实验研究不断完善,在表界面精细结构表征、电化学反应机理研究等方面起到重要作用。电化学谱学表征技术的出现,填补了传统电化学表征方法在分子水平上鉴定电化学反应活性位点及中间物种的空白。本文总结了近年来红外光谱(IR)、表面增强拉曼光谱(SERS)及和频振动光谱(SFG)三种经典分子振动光谱电化学表征技术的研究进展。首先介绍了三种光谱的基本原理和电化学联用电解池的设计,然后从基础电化学理论出发,介绍其在模型单晶体系及界面水机理研究中的应用,进一步重点介绍了其在锂离子电池和燃料电池领域的相关研究进展,最后展望了电化学谱学表征技术的未来发展方向。     

影响电池性能的因素：金属离子溶剂化结构衍生的界面行为还是固体电解质界面膜?

通过电解液分解在电极上形成的固体电解质界面（SEI）层被认为是影响电池性能的最重要因素。 然而，我们发现金属离子溶剂化结构也会影响其电极性能，尤其可以阐明许多SEI无法解释的实验现象。基于该综述，本文总结了金属离子溶剂化结构和衍生的金属离子去溶剂化行为的重要性，并建立了相应的界面模型以展示界面行为和电极性能之间的关系，并将其应用于不同的电极和电池体系。我们强调了电极界面离子/分子相互作用对电极性能的影响，该解释与以往基于SEI的解释不同。该综述为理解电池性能和指导电解液设计提供了一个新的视角。