三维多孔碳负载氧化锡并协同氟化锂制备高性能锂离子阳极

新型多孔碳纳米片/碳纳米管(PC/CNT)材料表现出丰富的分级孔隙结构,具有较高的氧化锡(SnO₂)负载量。通过PC和CNT交联形成的三维结构能够有效地提高锂离子传输速率和电子的传导。此外,在电极中掺杂的氟化锂(LiF)不仅能够降低SnO₂-PC/CNT-LiF电极的电荷转移电阻,而且还能补充SEI膜形成时消耗的Li+,降低不可逆容量,增强SEI膜的稳定性。研究表明,SnO₂-PC/CNT-LiF电极在电流密度为100 mA·g^-1时,首次可逆比容量达到1642.98 mAh·g^-1,活性物质的利用率高达90.12%,循环100次后,放电比容量仍然达到745.11 mAh·g^-1,且库仑效率仍然保持在95.1%以上,显示出优异的倍率和循环性能。     

LiV3O8在Li2SO4水溶液中的电化学性能

采用低温固相法合成了具有纳米结构的LiV₃O₈材料.扫描电子显微镜（SEM）及透射电子显微镜（TEM）测试显示该材料具有纳米结构.X射线衍射（XRD）表明该材料属于单斜晶系,P2₁Im空间群.并采用循环伏安法（CV）及电化学阻抗谱图测试对该材料在1、2 mol·L^-1Li₂SO₄水溶液及饱和Li₂SO₄水溶液中的电化学行为进行了研究.结果表明,LiV₃O₈在饱和Li₂SO₄水溶液中具有最好的电化学性能.以LiV₃O₈作为负极材料,LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂作为正极材料,饱和Li₂SO₄水溶液作为电解液组成了水性锂离子电池,进行恒流充放电测试,结果表明,在0.5C(1C=300 mA·g^-1)的充放电倍率下,该水性锂离子电池的首次放电比容量为95.2 mAh·g^-1,循环100次后仍具有37.0 mAh·g^-1的放电比容量.     

硫酸盐功能电解液增强水系钠离子电池NaTi2(PO4)3/C负极材料电化学性能的研究

水系钠离子电池具有钠资源丰富、成本低廉、安全可靠、维护简单等特点,在可再生能源规模储存领域具有重要应用前景。NASICON型NaTi₂(PO₄)₃具有可逆容量高、工作电位低、离子传输快等优点,是目前最受关注的水系钠离子电池负极材料。但是,该材料在传统的水系电解液中结构不稳定,循环性能不足。本论文通过调控Na₂SO₄浓度和引入MgSO₄添加剂,构建了一种新型硫酸盐功能电解液(2 mol·L^-1 Na₂SO₄ + 0.3 mol·L^-1 MgSO₄)。该电解液能够显著增强NaTi₂(PO₄)₃/C材料在充放电循环过程中的结构稳定性,从而提高其电化学可逆性和稳定性。电化学测试表明,NaTi₂(PO₄)₃/C基于该电解液在100 mA·g^-1条件下的可逆容量为93.4 mAh·g^-1,循环100次后容量保持率高达96.5%;基于该电解液构建的Na₂Ni[Fe(CN)₆]|NaTi₂(PO₄)₃/C电池可以稳定循环500次以上。本论文结合XRD、XPS等技术讨论分析了该电解液的功能作用机制,其研究结果为设计低成本高性能水系钠离子电池提供了新思路和实验基础。     

锂离子电池电解液成膜添加剂乙烯基亚硫酸乙烯酯的电化学行为

研究了具有不饱和双键和亚硫酸酯双官能团的乙烯基亚硫酸乙烯酯(VES)作为锂离子电池电解液成膜添加剂对中间相碳微球(CMS)和LiFePO4电极电化学性能的影响. 结果表明: 在1 mol/L LiClO4/PC电解液体系中, 少量的VES (5%)能够在电化学过程中先于PC在CMS表面还原, 形成稳定的SEI膜, 明显抑制PC和溶剂化锂离子共嵌入石墨层间, 改善了电池的循环性能. 此外, 电解液1 mol/L LiClO4/PC＋5%VES (V∶V)在LiFePO4电极中展现出良好的电化学稳定性.     

铜在碱性溶液中阳极过程的研究

用慢电势扫描和恒电流法研究铜在浓碱中的阳极过程,并用角分辨X射线光电子能谱测试了铜表面二次钝化膜。结果表明,该膜由内层Cu₂O和外层CuO-Cu(OH)₂组成,越靠近膜的表面,CuO/Cu(OH)₂含量比越小,吸附水越多。据此提出成膜的电化学氧化-表面转化历程。     

二氟草酸硼酸钠作为钠离子电池非水电解液添加剂的电化学性能

引入电解液添加剂是提升钠离子二次电池电化学性能的重要途径.本论文制备了二氟草酸硼酸钠（NaDFOB）并作为NaClO₄/碳酸乙烯酯（EC）/碳酸丙烯酯（PC）（ EC:PC体积比=1:1）非水电解液的添加剂,分别考察了其加入量对于电导率特性、电化学氧化分解电压的影响,以及应用于NaNi_0.5Mn_0.5O₂半电池的电化学性能. 结果表明,NaDFOB作为添加剂时对于NaClO₄/EC/PC电解液电导率提升不明显,但是显著提升了电解液的氧化分解电压;以添加0.025 mol·L^-1 NaDFOB的电解液应用于NaNi_0.5Mn_0.5O₂半电池时,首周不可逆比容量由22 mAh·g^-1下降到9 mAh·g^-1,同时0.2C倍率下循环200周容量保持率由44.4% 提升到89.5%,平均每周容量衰减为0.06 mAh·g^-1. 因此,NaDFOB可以作为钠离子电池非水电解液的一种有效添加剂.     

哌啶型离子液体混合电解液在Li/LiCoO2电池中的性能研究

合成并考察了N-甲基-N-乙（丙,丁）基哌啶-二( 三氟甲基磺酰) 亚胺三种离子液体( PP12（3,4）TFSI )作为电解液添加剂的影响. 使用热分析和电化学技术研究了离子液体混合电解液的热稳定性和电化学性能.实验表明,哌啶型离子液体可以提高有机电解液的热稳定性,并且侧链的长短对 LiCoO₂ 电极的电化学性能有重要的影响.当以PP13TFSI配成的混合电解液,在3.0~4.35 V之间、电流密度为150 mA•g^-1时, LiCoO₂ 电极的首次放电容量为156.6 mAh•g^-1,200周循环后容量为133.9mAh•g^-1,容量保持率为85.5%,远远优于在传统有机电解液中的循环性能.     

碱性电解液中K3[Fe(CN)6]在锌阳极上的自发还原和吸附延长锌镍电池的循环寿命

采用K₃[Fe(CN)₆]作为锌镍电池的电解液添加剂,克服了锌阳极的变形。此外,通过一系列实验设计和表征,探索了电解液中金属锌与K₃[Fe(CN)₆]的反应机理。通过XRD (X-ray diffraction)和XPS (X-ray photo-electron spectroscopy)测试,我们发现金属锌在KOH水溶液中能够与K₃[Fe(CN)₆]反应,将[Fe(CN)₆]^3–还原为[Fe(CN)₆]⁴⁻。添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池实现了更长的循环寿命,比不添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池长3倍以上。在相同循环次数下,改性电解质中锌阳极循环不仅形状变化较小,而且没有出现“死”锌现象,电极添加剂和粘结剂也没有发生偏析。此外,不同于一般的有机添加剂,K₃[Fe(CN)₆]的加入不仅不会增大电极的极化,还能够提高锌镍电池的放电容量和倍率性能。因此,考虑到这一改性策略有着较高的可行性和较低的成本,K₃[Fe(CN)₆]添加剂在锌镍电池的实际应用中具有极大的推广潜力。     

单分散SiO2纳米颗粒复合凝胶电解质的应用

以单分散程度较高的SiO₂纳米颗粒(约130 nm)作为填料,聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)作为聚合物基质,采用简便的物理共混法制备出了一种单分散SiO₂纳米颗粒复合凝胶聚合物电解质(MCGPEs)并将其应用于锂电池中。扫描电镜结果表明,SiO₂纳米颗粒在聚合物基体中分散均匀。与传统凝胶聚合物电解质(GPEs)和商业SiO₂颗粒复合凝胶电解质(CGPEs)相比,MCGPEs有着更高的电解液吸液能力和离子电导率,并且具备更强的锂离子迁移能力。此外,使用MCGPEs作为电解质的锂电池,在1.0C下历经300次循环后仍然保持了121.1 mAh·g^-1的较高比容量,表现出了优异的循环性能。同时,其倍率性能也十分优异,在10C倍率下获得了135 mAh·g^-1的比容量,远高于GPEs锂电池(76.2 mAh·g^-1)。     

高浓度LiI实现硫正极稳定的高效利用

具有高比容量和低成本的锂硫电池被认为是下一代电池的重要候选者.然而,低的硫利用率、严重的穿梭效应以及金属锂负极枝晶的生长制约其实际应用.在电解液中引入添加剂被证实是一种简单有效的性能改善策略.为此,本文将高浓度的LiI引入到Li-S电池的常规电解液中,研究高浓度的LiI电解液对硫正极的利用、金属锂负极的保护以及对应电池电化学性能的影响.结果表明,高浓度的碘化锂电解液能够在金属锂负极表层形成稳定的保护层,抑制了锂枝晶的产生.与此同时,碘化锂的引入大幅度提高电池的比容量、有效改善电池的倍率性能和循环稳定性.通过优化发现,浓度为0.5 mol·L^-1的LiI具有最佳的电化学性能.采用此电解液的锂硫电池,在1 C倍率下,放电容量高达1 200 mAh·g^-1. 200次循环之后,容量仍能保持在880 mAh·g^-1,容量保持率接近75%.此外,电池展示了良好的倍率性能,在5 C倍率下,放电容量依然高达700 mAh·g^-1.     

电解液对水系可充电池MnO2正极电化学性能的影响

研究了水系电解液中Li⁺、Zn²⁺和Mn²⁺阳离子对具有不同晶型结构和形貌的MnO₂正极电化学性能的影响,探讨其储能机理。结果表明,在不含Mn(II)离子的水溶液中,MnO₂电极所表现的电化学性能趋同,容量低,衰减快。含有Zn²⁺离子的水溶液中,MnO₂电极因二价锌离子的嵌入-脱出,容量明显提升,但衰减严重。当溶液中同时含有Zn²⁺、Mn²⁺离子时,基于Mn²⁺和Zn²⁺离子之间的协同作用和Mn²⁺离子氧化/还原反应过程的作用,有效抑制MnO₂颗粒的聚集和结构塌陷,削弱碱式硫酸锌杂质不利的影响,保持了锌离子在MnO₂电极中嵌入-脱出的高容量特性(200 mAh·g^-1,电流密度：100 mA·g^-1),及良好的循环稳定性。     

“Water-in-salt”聚合物电解质制备及其电化学性能研究

为提高柔性锂离子电池安全性和循环稳定性能,本实验以自由基聚合结合冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜为电解质载体,引入21 mol·kg^-1 LiTFSI 高浓度电解液,得到“water-in-salt”聚合物电解质。通过聚合物膜的形貌和孔道结构表征,红外光谱分析,离子电导率及电化学稳定窗口测试等对其基本物化特性进行了研究。冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜内部具有大量微孔结构,有利于电解液的载入。将该吸附了电解液的聚合物电解质膜与锰酸锂(LiMn₂O₄)正极和磷酸钛锂(LiTi₂(PO₄)₃)负极组装全电池进行充放电性能测试。结果表明,制得的柔性聚合物电解质具有良好的拉伸性能,高离子电导率(20°C,4.34 mS·cm^-1)和宽电化学稳定窗口(3.12 V)。以“water-in-salt”聚合物电解质为隔膜组装的LiMn₂O₄||LiTi₂(PO₄)₃ 全电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性。     

纳米MgO掺杂改善LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料

将氢氧化物共沉淀法制备的(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)（OH）₂在500℃热处理5 h得到具有尖晶石结构、纳米尺寸的氧化物M₃O₄(M=Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3).将其与LiOH及不同量的纳米MgO混合均匀,并在850℃热处理24 h制备了Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_1/xMg_xO₂（x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05）正极村料.随着Mg掺杂量的增大,正极材料的晶胞参数增大;少量的Mg掺杂增大了锂离子的扩散系数,而过度掺杂却使锂离子扩散系数有所降低,其中Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_0.98Mg_0.02O₂的锂离子扩散系数最大,其脱出和嵌入扩散系数分别为D_Li-dein=29.20×10^-11cm²·S^-1和D_Li-in=4.760×10^-11cm²·s^-1;其以3C倍率充放电的平均放电比容量为139.3 mAh·g^-1,比未掺杂的原粉约高9.5 mAh·g^-1;另外其循环性能也得到了大幅度改善.     

LiFePO4包覆的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2锂离子电池正极材料:增强的库伦效率和循环性能

In this work, we present a new design for a surface protective layer formed by a facile aqueous solution process in which a nano-architectured layer of LiFePO₄ is grown on a Li-rich cathode material, Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂. The coated samples are then calcined at 400 or 500℃ for 5 h. The sample after calcination at 400℃ demonstrates a high initial columbic efficiency of 91.9%, a large reversible capacity of 295.0 mAh·g^-1 at 0.1 C (1 C=300 mA·g^-1), and excellent cyclability with a capacity of 206.7 mAh·g^-1after 100 cycles at 1 C. Meanwhile, voltage fading of the coated sample is effectively suppressed by protection offered by a LiFePO₄ coating layer. These superior electrochemical performances are attributed to the coating layer, which not only protects the Li-rich cathode material from side reaction with the electrolyte and maintains the stability of the interface structure, but also provides excess reversible capacity.     

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.     

锂离子电池用Cr2O3/TiO2复合材料的电化学性能

采用高温固相反应法合成了Cr₂O₃/TiO₂复合材料, 运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电测试、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等对其结构、形貌和电化学性能进行了表征. 研究结果表明: TiO₂掺杂能够显著改善Cr₂O₃的充放电循环性能, Cr₂O₃/TiO₂复合材料在充放电循环22周后仍有454 mAh·g^-1的可逆循环容量, 容量保持率达到了73.6%, 主要归因于TiO₂掺杂能够显著提高Cr₂O₃的电导率. Cr₂O₃/TiO₂复合材料首次放电过程中由于电极体积膨胀导致的固体电解质相界面(SEI)膜迅速增厚和活性材料电导率的降低可能是其首次充放电过程中存在较大不可逆容量和循环容量衰减的重要原因.     

HBF4溶液中全铅液流电池

报道了一种HBF₄水溶液中的全铅液流电池,正、负电极电解液均采用Pb（BF₄）₂的HBF₄水溶液.在酸性的四氟硼酸铅电解液中考察了石墨电极和玻碳电极作为工作电极的循环伏安性能,石墨电极较适于用作全铅液流电池的正、负电极.采用石墨电极作为电池的正、负电极并在四氟硼酸铅酸性电解液中进行充放电实验,其中Pb（BF₄）₂浓度分别为0.5、1.0和1.5 mol·L^-1,且保持游离的HBF₄浓度为1.0 mol·L^-1.该电池为单液流电池,不需要隔膜分隔正、负极的电解液,电流密度为10、20和40 mA.cm^-2,当限定充电容量为7.0 mAh.cm^-2,放电电压截止到1.0 V时,平均库仑效率大于87%,平均能量效率大于68%;当电解液采用1.0或1.5 mol·L^-1 Pb（BF₄）₂+1.0 mol·L^-1HBF₄水溶液时,在10及20 mA.cm^-2电流下的能量效率最高可超过74%.     

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.     

锂离子电池用三维氧化锡/石墨烯水凝胶负极材料

通过溶液水解反应在氧化石墨烯表面引入氧化锡(Sn O2)纳米颗粒,再经过自组装作用形成具有三维结构的氧化锡/石墨烯水凝胶(Sn O2-GH)负极材料。其中三维多孔的石墨烯水凝胶为碳质缓冲基体,Sn O2纳米颗粒为活性物质,其颗粒尺寸为2-3 nm,均匀分布在石墨烯层上,担载量可以达到54%(w,质量分数)。直接将该材料用作锂离子电池负极时,在5000 m A?g~(-1)的大电流密度下循环60次容量稳定在500 m Ah?g~(-1),电流减小到50 m A?g~(-1)循环80次后容量仍高达865 m Ah?g~(-1)。这些优异的循环稳定性和大电流充放电性能主要得益于三维石墨烯水凝胶的疏松、多孔结构和良好的导电性。石墨烯水凝胶能够提高电极比表面积,保证电解液对电极的浸润程度;内部空隙能够为锂离子的传输提供快速通道,缩短离子传输距离和时间。同时丰富的内部空间能够有效避免Sn O2纳米颗粒团聚,缓冲Sn O2巨大体积膨胀,维持电极结构的稳定性,是一种非常适于大电流充放电的锂离子电池负极材料。