柔性锂离子电池的电极

科技进步使可穿戴设备等便携式电子产品得到了快速发展,柔性电池作为其核心部件,受到越来越多研究者的关注。锂离子电池因具有良好的循环稳定性和较长的使用寿命等优点,成为各类产品的主要电源。为满足电子产品柔性化、微型化发展需求,开发高能量密度的柔性锂离子电池成为亟待解决的问题,作为其关键材料之一的柔性电极是重要的研究方向。本文阐述了柔性锂离子电池电极的研究进展,包括基于自身带有电化学活性的碳材料、Mxene材料的一体化柔性电极,基于非电化学活性的聚合物材料、纺织材料、金属基的一体化柔性电极,以及为满足可穿戴设备可编织和大尺寸形变使用需求的宏观柔性新型电极结构设计,分析并探讨了柔性电极目前存在的问题,以期为未来高能量密度柔性锂离子电池的研究提供新的思路。     

原子尺度锂离子电池电极材料的近平衡结构

锂离子电池充放电过程中电极材料的结构变化与材料的电化学反应机理和性能密切相关.通过在原子尺度上直接观察脱/嵌锂前后电极材料的近平衡微观结构,有助于从更深层次认识电极反应机理和性能演化规律,对于全面理解材料的电化学行为以及改善锂离子电池性能具有重要的指导意义.本文详述了球差校正扫描透射成像技术在研究电极材料表界面结构及反应机理方面的进展,探讨了未来建立电极材料原子尺度结构与性能相关联可能的研究方向.     

宏观均相多孔电极电化学阻抗谱基础

电化学阻抗谱可用于诊断多孔电极内电荷转移反应,即界面电荷集聚和电荷传导,以及反应物质输运。本文采用复相量方法,在同态假设条件下,重新推演多孔电极阻抗谱模型,厘清传统多孔电极阻抗谱模型中的模糊性表述。(1) 定义多孔电极表征输入参数,包括电极基体电子电导率σ₁ 、电解质离子电导率σ₂、界面电荷传递电导率g_ct、单位面积界面电容C、固相扩散系数D、速度常数k、电极厚度d、特征孔深L_p 和单位体积表面积S_c;(2) 解析阻抗谱特征输出参数,包括场扩散常数K,特征频率ω₀、ω₁、ω₂、ω₃和 ω_max,它们分别相关于界面传导反应、有限场扩散、氧化还原反应、孔内扩散和最小特征孔尺寸,以及分别对应于从传导到扩散和从扩散到饱和的转折频率f_k1 和f_k2;(3) 当参数X和Z同时变化时(X = σ₁和Z = d,S_c,L_p,C,g_ct,D,k),通过阻抗谱特征参数的演变规律,分析了电荷转移反应中X和Ζ参数耦合竞争;(4)为深入分析电荷转移反应中参数X和Z的耦合竞争,引入了分叉频率f_XZ和f_ZX 。f_XZ和f_ZX所处位置可以用于表征参数X和Z影响电荷转移反应的深度和广度。当分叉频率f_XZ和f_ZX不存在时,表明电荷转移反应中参数X和Z在全频率范围内存在耦合竞争。总之,借助于特征频率和分叉频率,本文一方面研究了动力学参数和微观结构参数对多孔电极中电荷转移反应的影响,另一方面分析谱图的变化及其背后的阻抗谱特征演化规律。本文研究结果可为阻抗谱的系统仿真和辨识提供理论基础,可为多孔电极内电荷转移反应的竞争分析提供技术支撑,还可为电化学储能系统的优化设计提供诊断工具。     

离子液体在多孔碳电极上的电化学性能

制备了数种离子液体及离子液体有机溶液电解质,用线性电位扫描法测试了它们的电化学窗口;并通过循环伏安、交流阻抗、电势阶跃等电化学方法,对它们在多孔碳电极中的电化学性能进行了研究.实验结果表明:溶剂对1-乙基-3-甲基咪唑类离子液体有机溶液电解质的电化学窗口有较大的影响.离子液体及离子液体有机溶液电解质在多孔碳电极上的电化学性能与其电导率密切相关,电导率越大,充电时间常数越小,比容量越大;但比容量降低的倍率远小于电导率降低的倍率.     

锂离子电池电极粘结剂的研究进展

粘结剂是制备电极必须使用的重要材料之一,其选择和使用显著影响电极的宏观电化学性能,其优化是制造高性能锂离子电池电极片必须考虑的重要因素。本文探讨了粘结剂在电极电化学过程中的作用机制,阐述了不同锂离子电池电极粘结剂的特征和优缺点,分析了锂离子电池电极粘结剂的未来发展方向。     

酸浸蚀Al-Si合金制备锂离子电池高性能多孔硅负极材料

本文首次提出利用酸浸蚀Si-Al（含Al 80%）合金粉末的方法制备多孔硅材料. 分析表明制得的多孔硅材料为晶体,并具有由纳米颗粒结集成的海绵状多孔结构,其粒径约20 μm,比表面102.7 m²·g^-1. 多孔硅电极按多孔硅:导电碳:粘结剂 = 1:1:1（by mass）涂成. 在添加15%氟化碳酸乙烯酯（FEC）的1 mol·L^-1 LiPF₆/EC + DMC（1:1,by volume）电解液,在100 mA·g^-1电流密度充放电,多孔硅电极的首次放电比容量2072 mAh·g^-1 Si. 经237次充放电循环后,其放电容量仍可保持在1431 mAh·g^-1 Si,显示了相当高的充放电稳定性. 这归因于其海绵状多孔结构有足够的微空间以承受充电过程中硅的急剧膨胀. 硅微粒的纳米尺寸有利于锂在Li-Si合金中的扩散. 纳米硅微粒可牢固地联成一整体,不易因膨胀、收缩而粉化断裂. 这种构筑多孔硅负极材料的新方法操作简便、成本低廉,有着很好的应用前景.     

锂离子电池的电化学阻抗谱分析研究进展

锂离子电池的电化学阻抗谱（EIS）是研究电化学系统最有力的实验方法之一,在过去的20多年中,EIS 被广泛应用于锂离子电池研究和生产领域,包括研究电极界面反应机理和容量衰减机制,测定相关电极过程动力学参数和电池的健康状态、荷电状态以及电池的内阻。本文分析了锂离子电池中电极极化过程包含的3 个基本物理化学过程———电子输运、离子输运和电化学反应过程,探讨了每一基本物理化学过程包含的步骤及其EIS 谱特征,详细论述了与电子输运相关的基本物理化学过程———接触阻抗和感抗产生的机制;介绍了多孔电极理论及其在锂离子电池中的应用,阐述了基于多孔电极理论进行阻抗谱数值模拟的建模原理与方法。 综述了石墨、硅、二元3d 过渡金属氧化物、LiCoO₂、尖晶石LiMn2O4、LiFePO4、尖晶石Li4Ti5O12、过渡金属氟化物材料等电极的典型阻抗谱特征和各时间常数的归属问题。最后讨论了EIS现存的问题及未来的发展方向。     

多孔电极三相界面形态的研究

研究了多孔气体电极在电池反应中形成的三相界面的形态及其变化规律。传统的电极多采用部分浸没的使用方式,不利于观察。笔者通过改变传统的电极安装方式,将电极在纵向的距离加大,可以任意调节电极纵向高度,有利于观察三相界面的形成形态。通过锌空气电池实验,总结了三相界面形态的形成以及随着反应时间的变化规律,并对三相界面形态的变化使电极内电解液的电导发生变化进而影响电池内电阻进行了理论分析,通过对比实验给出多孔电极润湿性和孔隙结构对三相界面形态的影响。     

基于多孔碳固载离子液体修饰电极的叔丁基对苯二酚的检测研究

制备了多孔碳固载离子液体纳米材料修饰玻碳电极(GCE),用于抗氧化剂叔丁基对苯二酚(TBHQ)的检测研究。不同电极上的交流阻抗结果表明,经过多孔碳固载离子液体修饰后的玻碳电极阻抗显著减小。多孔碳固载离子液体修饰后电极的氧化峰电流为41.93μA,比修饰前增大约5.5倍,说明多孔碳固载离子液体可显著提高电极的导电性,促进电极表面的电子转移,提高检测灵敏度。用时间~电流曲线测得TBHQ的线性范围为1.00~120.00μg/mL,检出限为0.16μg/mL。     

密度泛函理论方法研究锂离子电池电解液体系分子-离子结构

采用密度泛函理论方法,研究锂离子电池碳酸丙烯酯（PC）基电解液体系中锂盐离子与溶剂分子静电相互作用形成的可能结构. 计算结果表明,电解液中溶剂分子-离子的结构取决于体系的溶剂分子数. 在PC基电解液,Li⁺最多只能与4个PC溶剂分子相结合,锂盐阴离子与带正电的PC分子烷基基团相结合,而不以自由离子形式存在. 本文的计算结果能很好地解释文献报道的实验结果.     

二氧化锡/石墨烯柔性电极的制备及其在锂离子电池中的应用

采用简便的抽滤装置制备了三明治结构的不同粒径大小的二氧化锡(SnO_2)/石墨烯柔性薄膜电极,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、比表面积(BET)和电化学等测试技术手段对样品结构、形貌和电化学性能进行表征,研究了二氧化锡颗粒大小对复合电极电化学性能的影响。结果表明,当SnO_2纳米颗粒的粒径为6 nm时柔性复合电极表现出最优的电化学性能,在100 m A/g的电流密度下经过100次循环后,可逆比容量保持在555 m A·h/g,远高于纯SnO_2和粒径过大或过小的SnO_2/石墨烯复合电极。     

全固态锂离子电池的研究及产业化前景

全固态锂离子电池具有安全性能高、能量密度大、工作温度区间广等优点, 是锂离子电池领域的研究热点. 固体电解质的开发是全固态锂离子电池实现应用的先决条件, 目前国内外研究比较广泛、应用前景较好的固体电解质主要有聚氧乙烯及其衍生物体系的聚合物电解质、LiPON薄膜电解质以及玻璃态硫化物体系的无机电解质三种. 近两年,在固体电解质的研究已取得很大进展的基础上, 人们正在将研究重点转向全固态电池结构设计及生产技术上, 并不断有样品电池面世. 本文从固体电解质的发展历史、最新研究进展、电池生产技术以及产业化应用前景这几个方面, 分别对以上三种体系的电解质及其电池进行综述, 以探索全固态锂离子电池的商品化前景.     

新型锂离子电池电解液添加剂的合成与应用

设计并合成了一系列基于苯环和环状碳酸酯的有机分子双(2,3-环碳酸甘油酯)对苯二甲酸酯、三(2,3-环碳酸甘油酯)均苯三甲酸酯和四(2,3-环碳酸甘油酯)均苯四甲酸酯,采用倍率测试、恒流充放电测试、交流阻抗测试和扫描电子显微镜测试等手段研究了这些添加剂对锂离子电池性能的影响.通过对循环20周前后球化石墨电极形貌的对比,发现含均苯四甲酸酯和均苯三甲酸酯的电解液球化石墨电极表面相对于空白电解液可形成一层致密而稳定的固体电解质中间相膜(SEI),从而优化电极-电解液的界面性能,且电池电阻增加较小;在测试电池的倍率性能时发现,均苯四甲酸酯的加入可以改善电池的倍率性能,而对苯二甲酸酯的加入则未能改善电池的循环性能.     

锂离子电池的电化学阻抗谱分析

电化学阻抗谱(EIS)是研究电极/电解质界面发生的电化学过程的最有力工具之一,广泛应用于研究锂离子在锂离子电池嵌合物电极活性材料中的嵌入和脱出过程。本文从分析嵌合物电极的EIS谱特征入手,探讨了电化学阻抗谱中各时间常数的归属问题,重点讨论了与锂离子嵌脱过程相关的动力学参数,如电荷传递电阻、活性材料的电子电阻、扩散以及锂离子扩散迁移通过固体电解质相界面膜(SEI膜)的电阻等,对电极极化电位和温度的依赖关系。     

锂离子电池正极材料的晶体结构及电化学性能

正极材料是锂离子电池的重要组成部分。作为提供自由脱嵌锂离子的正极材料,其晶体结构的特点决定了锂离子脱嵌路径方式的不同,并对锂离子电池的电化学性能等产生明显影响。本文根据正极材料的晶体结构和锂离子“脱嵌/嵌入”路径方式的不同,重点讨论了一维隧道结构、二维层状结构和三维框架结构正极材料的晶体结构特点、锂离子“脱嵌/嵌入”路径和其电化学性能之间的关系,主要包括一维隧道结构正极材料LiFePO₄,二维层状结构正极材料LiMO₂(M=Co, Ni, Mn)、Li_1+xV₃O₈和Li₂MSiO₄ (M=Fe, Mn) 以及三维框架结构正极材料LiMn₂O₄和Li₃V₂(PO₄)₃。揭示了目前锂离子电池正极材料的研究现状和存在问题,并对今后的发展方向进行了评述。     

层状锰酸锂衍生物的阳离子价态与锂电池的电化学性能研究

采用溶胶-凝胶法, 通过锂盐、镍盐、钴盐与锰盐生成锂镍钴锰氧化合物的前驱体, 随后采用高温固相法合成了Li(Mn_1/3Co_1/3Ni_1/3)O₂. 借助于X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、循环伏安(CV)及充放电测试等现代测试手段研究了材料的晶型结构、离子价态及电化学性能. 前驱体经950 ℃煅烧可获得晶体结构完整、晶胞参数为a＝0.2864 nm, c＝1.4235 nm的六方层状Li(Mn_1/3Co_1/3Ni_1/3)O₂化合物; XPS结果表明Li(Mn_1/3Co_1/3Ni_1/3)O₂化合物表面上的Mn, Ni和Co分别以Mn^4＋, Ni^2＋和Co^3＋存在; 材料的高温放电比容量比室温要高, 在55 ℃下, 在2.5～4.6 V电压范围内, 电流密度为28 mA/g时材料首次放电容量195 mAh/g, 循环10次后容量保持在170 mAh/g; 循环伏安曲线上3.7 V和4.4 V的氧化还原过程对应于Ni^2＋/4＋和Co^3＋/4＋氧化还原电对的反应.     

基于软X射线光谱的锂电池材料的电子结构与演变的研究进展

开发新型高能量密度以及低成本的锂离子电池, 是有效应对能源危机和环境挑战的可行路径之一. 锂离子电池材料的电子结构与电子态的演化决定了材料诸多本征性质以及电池综合性能. 探测并操控电极材料电子态的演化对探求电极反应的物理机理、 促进电池材料发展具有重要意义. 基于同步辐射的软X射线光谱技术可以直接探测费米能级附近的电子态. 本文从阴阳离子氧化还原反应的不同角度对利用软X射线光谱对电子态演变的研究进行了总结, 获得了电极材料电化学循环过程中过渡金属与氧的电子态演化信息, 系统阐述并总结了不同锂离子电池材料中电子态的演化以及氧化还原反应机理的最新研究进展.