聚有机二硫化物储能材料的电化学性能研究

有机二硫化物及其聚合物是80年代末才发展起来的一种新型的储能材料，这种材料的分子结构中含有双硫键（－S－S－），基于其可逆的电解聚－电聚合过程（2S^-→/←S－S＋2e^-）而这种材料有一个很大的优点是可以按预定的方式控制其有机基团和分子结构以及通过共聚、共混来改变其物理、化学和电化学性能。本文将介绍这种物质的反应机理、有关动力学参数的测定、电化学行为、导电聚合物对这种材料的电催化作用等方面的研究情况。     

石墨炔在电化学储能器件中的应用

当今社会,电化学储能器件在人类的社会活动中变得越来越重要。电极材料作为电化学储能器件的核心部分,一直是人们研究的焦点。石墨炔是一种新型的二维平面结构的全碳材料,它宽的层间距、大的比表面积、独特的三维孔隙结构和好的导电性使其在能源存储器件电极材料应用中具有巨大的潜力。基于石墨炔温和的制备方法与独特的结构特征,本文详细介绍了近年来石墨炔在储能方面的理论分析和实验进展。通过研究锂/钠在单层、多层石墨炔上的迁移率和存储,理论分析石墨炔基电池具有很好的储锂储钠性能。实验方面,石墨炔作为电极材料在储钠储锂方面的容量与理论值相近。此外石墨炔作为电极材料成功应用于超级电容器和金属-硫电池,并表现出了优异的容量存储性能。石墨炔纳米形貌的调控、石墨炔的热处理,以及异原子的掺杂等均可以有效地提高石墨炔在这些储能器件中的性能。     

电化学储能研究22年回顾

本文回顾了22年来作者的电化学储能研究活动,共分三个部分. 第一部分叙述高比能量、高比功率储能器件研究,包括锂硫电池研究（硫复合正极材料、锂硫电池制作、锂硼合金作为锂硫电池负极、硫-锂离子电池新体系）、超级电容器研究（超级活性炭、以酚醛树脂为原料制备电容炭、碳纳米管阵列中寄生准电容储能材料、氧化镍干凝胶准电容储能材料、归纳出电容炭材料的性能要求、电容器研制、确定“第四类”超级电容器）、锂离子电池研究（锂离子电池与可再生燃料电池的对决、双变价元素正极材料、磷酸钴锂正极材料、高功率锂离子电池的制作）. 第二部分叙述规模储能电池研究,包括液流电池新体系研究（蓄电与电化学合成的双功能液流电池、全金属化合物单液流电池、有机化合物正极的单液流电池）、致力于振兴铅酸电池（推广铅蓄电池新技术、铅炭电池的研究、铅酸电池新型板栅的研究）,储能电池（站）的经济效益计算方法. 第三部分叙述电动汽车发展路线研究,包括氢能燃料电池电动汽车、纯电动汽车与混合动力汽车、对我国电动汽车发展路线的建议、力争电动汽车补贴的合理化、坚守电动汽车“节能减排”宗旨、提出“发电直驱电动车”. 最后的结束语谈了三点感悟.     

电化学储能基本问题综述

储能是能源、信息、交通、医疗、航空航天、先进制造、先进装备、国家安全等领域的关键支撑技术. 电化学储能技术应用广泛,不断发展. 本文小结了电化学储能技术中的储能原理、技术指标、技术成熟度. 从基础科学的角度,主要以锂离子电池为例,简述了电化学储能器件中非传统电化学问题,包括热力学、动力学、尺寸效应、非对称体系、非对称充放电反应路径、表面现象、混合离子输运、固态电池等. 最后,对未来的电化学储能技术的发展提出了个人的理解.     

离子的胶体状态与其电化学储能极限

阳离子氧化还原化学是电化学储能技术中最核心的储能机理,如何高效快速利用氧化还原活性阳离子是发展兼具高功率密度与高能量密度储电技术的关键。 处于胶体状态的阳离子可形成热力学平衡态和非平衡态,具有高反应活性和低离子迁移势垒,展现出独特的电化学特性。 本文着重介绍氧化还原活性阳离子的胶体状态与其在电化学储能上的应用,并从热力学和动力学方面阐述其储能机理,以及活性胶体离子电极和超级电容电池的构筑。 利用胶体的高比表面积、高离子吸附能力和荷电离子梯度分布等特性,创造性地构筑胶体超级电容电池,解决了现有电化学储能电极材料体系中高容量与高功率不能兼具的问题,同时开拓了胶体体系新的应用方向。     

双金属MOFs及其衍生物在电化学储能领域中的应用

双金属有机骨架及其衍生物一方面具有单金属有机骨架孔道丰富、比表面积大、结构可调、活性位点丰富等特点,另一方面具有双组分与多孔结构之间的协同效应,因而受到了研究人员的密切关注,在储能、催化、分离、传感器、医药、气体存储等领域广泛应用。和单金属MOFs类似,双金属MOFs的导电性不佳、结构易坍塌,这极大地限制了其在电化学储能中的应用。通过对双金属MOFs进行热处理,易得到分布均匀的多孔碳@双金属氧化物/硫化物/磷化物/硒化物等衍生物,不仅保持了独特的多孔结构,而且提高了材料的导电性和结构稳定性,有利于在电化学储能中的应用。因此,本文从双金属MOFs中的主要金属离子入手,综述了双金属MOFs及其衍生物用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、金属空气电池等电化学储能器件的最新应用进展。在此基础上,总结了双金属MOFs在电化学储能应用中的优势,并对其制备、作用机理和后处理研究提出了建议。     

碳材料在电化学储能中的应用

电化学储能材料是电化学储能器件发展及性能提高的关键之一. 碳材料在各种电化学储能体系中都起到了极为重要的作用,特别是近期出现的各类新型碳材料为电化学储能的发展带来了新动力,并展现了广阔的应用前景. 本文综述了碳材料,特别是以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料,在典型电化学储能器件（锂离子/钠离子电池、超级电容器和锂硫电池等）、柔性电化学储能和电化学催化等领域的研究进展,并对碳材料在这些领域的应用前景进行了展望.     

液态金属原位引发制备半互穿网络水凝胶构建低污染电化学传感界面

复杂组分在传感界面的非特异性吸附会严重影响传感器的灵敏度与准确度。虽然构建致密的亲水性抗污涂层能够抑制表面非特异性吸附,但是其绝缘性又会显著增大传感界面阻抗,严重削弱响应电流。因此,如何兼顾传感界面抗污性与导电性,构建灵敏的传感基底是电化学免疫传感器目前急需解决的关键问题。为此,利用镓化铟液态金属（Liquid Metal, LM）原位引发乙烯基吡咯烷酮（N-vinylprrolidone, NVP）聚合,同时利用壳聚糖（Chitosan, CS）与聚乙烯基吡咯烷酮（poly（N-vinylprrolidone）, pNVP）之间强烈的氢键结合作用,再分步交联成功获得一种半互穿网络水凝胶传感界面,并以此构建电化学免疫传感器。研究表明,所构建的传感器能够对胃动素实现灵敏检测,线性范围为10 pg/mL~10 μg/mL,检测限为6.91 pg/mL（S/N=3）,并且在5%的血清样品中检测结果不受影响。此外,所构建的免疫传感器也显示出优异的重复性、稳定性和选择性。以上结果成功证明了基于液态金属纳米复合凝胶作为电化学传感基底的可行性,也为其它电化学免疫传感器的构建提供重要的借鉴意义。     

LDHs的制备方法及在电化学储能中的应用进展

层状双金属氢氧化物(LDHs)由于其组成和形态之间的可调性使其在电化学能量储存和转化中受到越来越多的关注。本文主要综述了LDHs的合成方法,性质和一些常见的掺杂/复合的LDHs,以及其在电化学储能设备中(尤其在电化学超级电容器中)的应用。此外,还对LDHs在电化学储能设备中应用的研究现状进行了简单介绍。最后,对作为电化学储能设备电极材料的LDHs的未来发展趋势进行了总结和展望。     

基于有机物电极的电化学能量存储与转化

由于高安全的特性,水系二次电池被认为是未来大型储能的有效解决方案之一. 然而,现有水系电池主要以含金属元素的无机化合物为电极活性材料,其在大型储能中的实际应用仍受到循环寿命、环境问题、原料成本或金属元素丰度的限制. 相较于无机电极材料,部分有机电极材料具有原料丰富、结构丰富、可持续及环境友好等优点. 此外,有机物材料分子内空间大,能够存储不同价态电荷,因此近年来被广泛关注. 本文综述了课题组近期在有机物电极方面的研究进展,内容聚焦含羰基有机物通过C=O/C-O-的可逆转化存储单价金属阳离子(Li⁺, Na⁺)、双价金属阳离子(Zn²⁺)、质子(H⁺)所涉及的电化学过程,及其在水系锂、钠离子电池、水系锌离子电池、质子电池以及分步电解水中的应用.     

Mixed Polyanionic Compounds as Positive Electrodes for Low‐Cost Electrochemical Energy Storage

Low‐cost electrochemical energy storage systems (EESSs) are urgently needed to promote the application of renewable energy sources such as wind and solar energy. In analogy to lithium‐ion batteries, the cost of EESSs depends mainly on charge‐carrier ions and redox centers in electrodes, and their performance is limited by positive electrodes. In this context, this Minireview evaluates several EESS candidates and summarizes the known mixed polyanionic compounds (MPCs)—a family with robust frameworks and large channels for ion storage and migration. After comprehensive analysis, it is pointed out that a deeper exploration of MPCs may generate numerous novel crystallographically interesting compounds and excellent cathode materials for low‐cost energy storage applications.     

Research of Nanomaterials as Electrodes for Electrochemical Energy Storage

This paper has experimentally proved that hydrogen accumulates in large quantities in metal-ceramic and pocket electrodes of alkaline batteries during their operation. Hydrogen accumulates in the electrodes in an atomic form. After the release of hydrogen from the electrodes, a powerful exothermic reaction of atomic hydrogen recombination with a large energy release occurs. This exothermic reaction is the cause of thermal runaway in alkaline batteries. For the KSL-15 battery, the gravimetric capacity of sintered nickel matrix of the oxide-nickel electrode, as hydrogen storage, is 20.2 wt%, and cadmium electrode is 11.5 wt%. The stored energy density in the metal-ceramic matrix of the oxide-nickel electrode of the battery KSL-15 is 44 kJ/g, and in the cadmium electrode it is 25 kJ/g. The similar values for the KPL-14 battery are as follows. The gravimetric capacity of the active substance of the pocket oxide-nickel electrode, as a hydrogen storage, is 22 wt%, and the cadmium electrode is 16.9 wt%. The density of the stored energy in the active substance oxide-nickel electrode is 48 kJ/g, and in the active substance of the cadmium electrode it is 36.8 kJ/g. The obtained results of the accumulation of hydrogen energy in the electrodes by the electrochemical method are three times higher than any previously obtained results using the traditional thermochemical method.     

TMDs beyond MoS2 for Electrochemical Energy Storage

Atomically thin sheets of two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) have attracted interest as high capacity electrode materials for electrochemical energy storage devices owing to their unique properties (high surface area, high strength and modulus, faster ion diffusion, and so on), which arise from their layered morphology and diversified chemistry. Nevertheless, low electronic conductivity, poor cycling stability, large structural changes during metal-ion insertion/extraction along with high cost of manufacture are challenges that require further research in order for TMDs to find use in commercial batteries and supercapacitors. Here, a systematic review of cutting-edge research focused on TMD materials beyond the widely studied molybdenum disulfide or MoS₂ electrode is reported. Accordingly, a critical overview of the recent progress concerning synthesis methods, physicochemical and electrochemical properties is given. Trends and opportunities that may contribute to state-of-the-art research are also discussed.     

多孔电极在电化学体系中的应用

查全性教授是中国现代电化学的奠基人之一. 在他的带领下,武汉大学化学系电化学研究室在基础电化学和应用电化学领域取得了卓越的成绩. 查教授及同事们在过去几十年里,栽培学生无数. 后来,一部分学生有幸成为推动世界电化学学科发展的中坚力量. 在这篇综述中,作者将概述查教授及同事们在电化学领域打下的夯实基础,及作者在多孔电极方向的研究进展. 本文的所有作者均于不同时期毕业于武汉大学. 站在巨人的肩膀上,我们实属荣幸！     

Electrochemical Energy Storage Electrodes via Citrus Fruits Derived Carbon: A Minireview

This review investigates the synthesis and electrochemical performance of the electrode of the electrochemical energy storage (EES) devices obtained from peels and scraps of the citrus fruits. The EES devices include batteries, supercapacitors, and hybrid systems that have considerable value and various applications. The electrode is considered as the most important part of all EES devices. Tremendous efforts have been done to enhance the electrochemical energy storage electrode (EESE). The citrus fruits abundance leads to a decrease in their price and makes possible to use them as ingredients to fabricate EESE. Also, the electrochemical analyses determined that citrus fruits have considerable potential to use as the EESE. Using citrus fruits peels and scraps as biomass substances to prepare EESE leads to the electrodes which have low cost, environmentally friendly and appropriate electrochemical applications.