有序介孔磷酸钛锂离子电池正极材料制备及电化学性能

选用合适模板剂由溶胶凝胶法合成高度有序介孔结构的磷酸钛正极材料.研究煅烧温度对材料孔结构及材料的电化学性能的影响,合成样品的结构形貌和比表面分别用XRD、BET、TEM及元素分析仪表征.充放电测试结果表明,该介孔结构正极材料表现出优越的电化学性能,以150 mA/g充放电,首次放电容量高达94 mAh/g,而不含模板剂无孔结构的材料放电容量仅37 mAh/g.     

黄麻基碳纤维/MnO/C锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能

利用黄麻碳化后的纤维和吡咯单体作为还原剂,高锰酸钾作为氧化剂,通过原位氧化还原反应法合成了碳纤维/MnO/C一维复合物。扫描电子显微镜(SEM)结果显示,MnO/C纳米颗粒分布在碳纤维的外壁上,MnO被包裹在由聚吡咯碳化而来的碳中,MnO/C纳米颗粒大小为50~150 nm。将制备的产物作为锂离子电池负极材料进行充放电测试,结果表明当电流密度为100mA·g~(-1)时,循环50次后仍具有410 mAh·g~(-1)的比容量,同时也展现了良好的倍率性能。     

锂离子电池Si/RGO@PANI三明治纳米结构负极材料的制备与电化学性能

以石墨烯和纳米硅颗粒为起始原料,苯胺为单体,植酸为掺杂剂,过硫酸铵为氧化剂(引发剂),通过超声波的作用成功原位合成了具有三明治纳米结构的Si/RGO@PANI锂离子电池负极材料。石墨烯片层与导电聚苯胺与纳米硅颗粒构成的夹心结构可形成有效的导电网络,且具有优异的结构稳定性,能够有效缓解硅在嵌锂/脱锂过程中产生的巨大体积效应,表现出良好的循环性能和倍率性能。电化学性能测试表明,这种Si/RGO@PANI三明治纳米结构复合材料适合作为一种优良的锂离子电池负极材料。     

锂离子电池Si/RGO@PANI三明治纳米结构负极材料的制备与电化学性能

以石墨烯和纳米硅颗粒为起始原料,苯胺为单体,植酸为掺杂剂,过硫酸铵为氧化剂（引发剂）,通过超声波的作用成功原位合成了具有三明治纳米结构的Si/RGO@PANI锂离子电池负极材料。石墨烯片层与导电聚苯胺与纳米硅颗粒构成的夹心结构可形成有效的导电网络,且具有优异的结构稳定性,能够有效缓解硅在嵌锂/脱锂过程中产生的巨大体积效应,表现出良好的循环性能和倍率性能。电化学性能测试表明,这种Si/RGO@PANI三明治纳米结构复合材料适合作为一种优良的锂离子电池负极材料。     

α-氧化铁介孔纳米材料的制备及其在锂/钠离子电池中的电化学性能

采用硬模板法合成了具有六方排列的平行圆柱形有序孔道介孔α-氧化铁(α-Fe_2O_3),并将其用作锂离子、钠离子电池的负极材料。所制备的介孔α-Fe_2O_3凭借其独特的有序介孔结构,有效缓解电极在充放电过程中的体积效应,提高了电解液浸润性,促进锂/钠离子的转移和传输,从而在锂离子及钠离子电池中均表现出优异的电化学性能。作为锂离子电池负极时,其首圈放电比容量为983.9 mAh·g~(-1)。经过100次循环后,其放电比容量为1 188.0 mAh·g~(-1)。在钠离子电池中,其首圈放电比容量为687.7mAh·g~(-1)。经过50次循环后,仍有316.9 mAh·g~(-1)的放电比容量。     

锂离子电池负极硅基材料

硅基材料由于其高电化学容量是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料,但其在充放电过程中体积变化大、循环寿命差、首次库仑效率低等是阻碍其商业化的主要问题.本文综述了硅在脱嵌锂时晶体结构及表/界面的变化,以及改善其电化学性能方面的研究进展,并阐述其作为锂离子电池负极材料的研究前景.     

锂离子电池硅复合负极材料研究进展

硅基负极材料具有最高的储锂容量和较低的电压平台,是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一.然而,硅负极巨大的体积效应、较低的电导率以及与常规电解液的不相容性限制了其商业化应用.目前,提高硅负极性能的措施主要包括:通过设计硅基负极材料的组成和微观结构来抑制其体积变化并改善导电性,研发适于硅负极的粘结剂和电解液添加剂,探索...     

硅基锂离子电池负极材料

硅是目前已知比容量(4200 mAh ·g^-1)最高的锂离子电池负极材料,但由于其巨大的体积效应(> 300%),硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固相电解质层(SEI),最终导致电化学性能的恶化。本文介绍了硅作为锂离子电池负极材料的储能及容量衰减机理,总结了通过硅材料的选择和结构设计来解决充放电过程中巨大体积效应的相关工作,并讨论了一些具有代表性的硅基复合材料的制备方法、电化学性能和相应机理,重点介绍了硅炭复合材料。另外,介绍了一些电极的处理方法和其提高硅基负极材料电化学性能的可能机理。最后,对硅基负极材料存在的问题进行了分析,并展望了其研究前景。     

晶态Li12Si7锂离子电池负极材料的电化学性能研究

通过加热摩尔比为12:7的LiH/Si球磨混合物,避免了Li与Si之间巨大的熔点差异,成功制备了晶态Li₁₂Si₇合金,研究了其电化学性能和储锂机制. 发现Li₁₂Si₇在0.02 ~ 0.6 V的嵌脱锂过程中,只发生晶胞体积的变化,而不产生相变,呈现出明显的固溶储锂机制. 该固溶储锂机制的存在,有效抑制了Si基负极材料嵌脱锂过程中由于相变导致的体积效应,使得晶态Li₁₂Si₇在0.02 ~ 0.6 V电压范围内具有显著改善的电化学性能,其首次库伦效率高达100%,30次循环后的可逆容量保持率约为74%,分别优于相同条件下原始Si电极的55%和37%.     

锂离子电池Si@void@C复合材料的制备及其电化学性能

以纳米Si颗粒为核心,正硅酸四乙酯（TEOS）为SiO₂源,采用Stober法在Si表面包覆一层SiO₂,再以多巴胺为碳源,通过碳化处理将SiO₂表面的聚多巴胺层转化成碳层。最后,用HF刻蚀SiO₂并留下空隙,得到Si@void@C复合纳米颗粒。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和恒流充放电测试对材料的物相、微观形貌和电化学性能进行表征。结果表明,在0.1 A·g^-1电流密度下,Si@void@C负极材料充放电循环100次后充电比容量仍然有1 319.5 mAh·g^-1,容量保持率为78.4%,表现出优异的电化学性能。     

碳包覆碳酸钴锂离子电池负极材料的制备及电化学性能

以葡萄糖作为碳源,通过简单的水热反应获得菱形碳包覆碳酸钴(CoCO₃/C)复合材料,并研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能.晶型和表面形貌通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行表征,用热重-差热分析法(TG-DTA)来测试CoCO₃/C材料中碳的含量,用拉曼光谱分析无定型碳的存在. Barrett-Joyner-Halenda (BJH)则用来分析材料的孔径分布情况.实验表明,碳包覆不仅在CoCO₃颗粒表面包覆了一层无定性碳,使得CoCO₃材料在充放电过程中保持结构的稳定性,也形成了一些大约30 nm左右的介孔,这种孔的存在有助于电解液中离子的传输,从而提高材料的电化学性能.电极材料在0.90C(1.00C = 450 mAh•g^-1)倍率下进行循环测试, 500次后的容量仍保持在539 mAh•g^-1,显示出了较好的循环性能.当增加到3.00C倍率时CoCO₃/C容量为130 mAh•g^-1,再恢复到0.15C倍率时容量依然能够达到770 mAh•g^-1,表现出了CoCO₃/C具有良好的稳定性.     

NaTiSi2O6/C复合材料用于锂离子电池负极材料

The development of human society and the continuously emerging environmental problems call for cleaner energy resources. Lithium-ion batteries, since their commercialization in the early 1990s, have been an important power source of mobile phones, laptops as well as other portable electronic devices. Their advantages include environment-friendliness, light weight, and no memory effect compared with lead-acid or nickel-cadmium batteries. Electrode materials play an important role in the performance of lithium-ion batteries. The traditional commercial anode material, graphite, has a theoretical specific capacity of 372 mAh·g^-1 and working potential close to 0 V (vs Li⁺/Li), making it prone to the formation of lithium dendrite, which may cause short circuit especially when large current is applied. Another commercial anode material Li₄Ti₅O₁₂, which also undergoes an intercalation reaction during lithiation process, has a theoretical specific capacity of 175 mAh·g^-1 along with three lithium-ion intercalations per formula unit. This is relatively small, and it has a relatively high working potential of 1.55 V (vs Li⁺/Li), which reduces its output voltage and specific energy when assembled in full battery. To overcome the shortcomings mentioned above, it is essential to search for new anode materials that are low-cost, environment-friendly, and easy to synthesize. Silicate materials have gained widespread attention owing to their low cost and facile synthesis. Herein, we report for the first time a novel titanosilicate, NaTiSi₂O₆, synthesized by sol-gel and solid sintering. It is isostructural to pyroxene jadeite NaAlSi₂O₆, belonging to monoclinic crystal system with a space group of C2/c. By in situ pyrolysis and carbonization of glucose, nanosized NaTiSi₂O₆ mixed with carbon was successfully obtained with a specific surface area of 132 m²·g^-1, calculated according to the Brunauer–Emmett–Teller formula. The specific charge/discharge capacity in the first cycle at current density of 0.1 A·g^-1 is 266.6 mAh·g^-1 and 542.9 mAh·g^-1, respectively, with an initial coulombic efficiency of 49.1%. After 100 cycles, it retains a specific charge capacity of 224.1 mAh·g^-1, corresponding to a capacity retention rate of 84.1%. The average working potential of NaTiSi₂O₆ is 1.2–1.3 V (vs Li⁺/Li), slightly lower than that of Li₄Ti₅O₁₂. The reaction mechanism while charging and discharging was determined by in situ X-ray diffraction test as well as selected area electron diffraction. The results showed that NaTiSi₂O₆ undergoes an intercalation reaction during lithiation process, with two lithium-ion intercalations per formula unit. This makes NaTiSi₂O₆ a new member of the silicate anode material family, and may provide insights into the development of new silicate electrode materials in the future.     

锂离子电池用非晶态Si/Al/Si薄膜负极材料

采用磁控溅射法在铜箔集流体上沉积了具有“三明治”结构的Si/Al/Si三层薄膜. 高分辨率透射电镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)分析结果表明, 该薄膜为非晶态. 扫描电镜(SEM)和能量散射X射线能谱(EDS)结果表明, 该薄膜总厚度约为4.0 μm, 循环100周后体积膨胀率为225％. 在1.5~0.005 V(vs. Li+/Li)和0.1 mA/cm2条件下, 该薄膜电极前5周衰减较快, 而后趋于平缓. 首次放锂量为0.88 mA·h/cm2, 循环5周后, 放锂量为0.71 mA·h/cm2, 100周后的放锂量仍能保持在0.61 mA·h/cm2. 研究结果表明, Al的加入有效地抑制了Si膜的体积膨胀, 使之具有良好的循环寿命. 交流阻抗结果表明, 随着循环次数的增加, 极化电阻首先从46.9 Ω·cm2(第1周)降低到36.2 Ω·cm2(第50周), 而后又升高到47.3 Ω·cm2(第100周). Al的加入提高了Si膜的导电性, 有效地降低了其极化电阻, 改善了Si膜的电压滞后现象.     

有序介孔C/NiO复合材料的合成及其电化学性能

以嵌段共聚物F127(Mw=12600, PEO106PPO70PEO106)为模板剂, Ni(Ac)2·4H2O为Ni源, 低分子量的酚醛树酯为碳源, 通过溶胶-凝胶三元共组装方法合成高度有序介孔C/NiO复合材料. 对样品进行X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、N2吸脱附等结构表征及循环伏安(CV)等电化学性能测试. 结果显示, NiO晶体和碳组成了C/NiO复合材料的基本骨架, 该复合材料具有高度有序的介孔结构. NiO晶体的存在极大地提高了复合材料的电化学性能, 当C/NiO达到4:1(苯酚与Ni(Ac)2·4H2O的摩尔比)时复合材料的比电容达到444.1 F·g-1, 而有序的介孔结构并没有被破坏, 使得该材料具有较好的应用前景.     

纳米MnO锂离子电池负极材料的制备与性能

以高锰酸钾和抗坏血酸合成的MnC₂O₄·2H₂O为前驱体, 通过固相烧结制备了纳米MnO材料. 分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和恒电流充放电技术考察了其晶相结构、颗粒形貌和电化学性能.分析结果表明, 该纳米MnO具有面心立方的岩盐结构, 结晶度良好. 其颗粒是由粒径为50-100 nm的一次颗粒结合而成的二次颗粒, 大小约为400-600 nm. 当充放电电流密度为46.3 mA·g^-1时, 纳米MnO的首次库仑效率可达68.9%, 可逆比容量为679.7 mAh·g^-1. 在141.1 mA·g^-1的电流密度下循环50圈后, 比容量由584.5mAh·g^-1降至581.5 mAh·g^-1, 容量保持率高达99.5%, 表现出优异的循环性能. 此外, 当电流密度增加到494.7 mA·g^-1 (~2C)时, 其比容量依然可达290 mAh·g^-1, 表现出较好的倍率性能和快速充放电能力. 因此, 纳米MnO具有比容量高、循环稳定、倍率性能好和安全环保等优点,是一种非常有前景的锂离子电池负极材料.     

锂离子电池负极材料纳米多孔硅/石墨/碳复合微球的制备与性能

以硅藻土为原料, 通过镁热还原反应得到多孔硅, 进一步利用砂磨得到纳米多孔硅, 然后通过球磨将其与片状石墨和沥青均匀混合, 采用喷雾干燥技术造粒, 高温煅烧后制备了纳米多孔硅/石墨/碳复合微球. 对所得复合微球的结构和理化性质进行了表征. 纳米多孔硅/石墨/碳复合微球作为锂离子电池负极材料展示出较高的可逆容量、 优异的循环稳定性(100次循环后容量仍为790 mA·h/g, 容量保持率可达96.7%)及较好的倍率性能.     

SnO_2/中空洋葱状碳纳米复合材料的制备及电化学性能

以炭黑为原料,硝酸铁为催化剂前驱体,氮气气氛下1000℃高温炭化制备了直径为40nm的中空洋葱状碳纳米颗粒(OC).用SnCl2/乙醇溶液浸渍,空气中350℃氧化得到SnO2/OC复合材料.进一步对该复合材料进行酸处理制备OC包覆的SnO2电极材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和热失重分析(TGA)对OC和SnO2/OC复合材料进行表征;利用恒电流充放电和循环伏安(CV)方法对复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行表征.结果表明:酸处理后的复合材料的循环性能得到明显改善,50次循环后可逆容量保持为446mAh·g-1,OC起到了缓冲SnO2膨胀和阻止团聚的作用.     

碳包覆纳米SnSb合金作为高性能钠离子电池负极材料

采用喷雾热解法合成了碳包覆的SnSb/C合金复合材料,利用X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)等方法对产物的物相和形貌进行了表征,其中SnSb/C颗粒为10 nm左右的复合材料(10-SnSb/C)作为钠离子电池负极时,表现出优异的循环和倍率性能。首圈放电达到722.1m Ah·g~(-1),首圈库仑效率86.3%,在100、1000、3000 m A·g~(-1)下比容量分别为607.7、645.4、452.2 m Ah·g~(-1),在1000 m A·g~(-1)电流下循环200周后可逆容量达到623 m Ah·g~(-1),容量保持率为95%。SnSb/C复合材料出色的储钠性能源于其完全被碳包裹的纳米结构,该结构可以有效提高活性物质的利用率,促进电子、离子的传导,并且抑制纳米粒子在长循环过程中的粉化和团聚。     

High-Temperature Magnesiothermic Reduction Enables HF-Free Synthesis of Porous Silicon with Enhanced Performance as Lithium-Ion Battery Anode

Porous silicon-based anode materials have gained much interest because the porous structure can effectively accommodate volume changes and release mechanical stress, leading to improved cycling performance. Magnesiothermic reduction has emerged as an effective way to convert silica into porous silicon with a good electrochemical performance. However, corrosive HF etching is normally a mandatory step to improve the electrochemical performance of the as-synthesized silicon, which significantly increases the safety risk. This has become one of the major issues that impedes practical application of the magnesiothermic reduction synthesis of the porous silicon anode. Here, a facile HF-free method is reported to synthesize macro-/mesoporous silicon with good cyclic and rate performance by simply increasing the reduction temperature from 700 °C to 800 °C and 900 °C. The mechanism for the structure change resulting from the increased temperature is elaborated. A finite element simulation indicated that the 3D continuous structure formed by the magnesiothermic reduction at 800 °C and 900 °C could undertake the mechanical stress effectively and was responsible for an improved cyclic stability compared to the silicon synthesized at 700 °C.     

AlN-Fe纳米复合薄膜:一种新型锂离子电池负极材料

采用脉冲激光沉积技术(PLD)制备了不同比例的Al N-Fe纳米复合薄膜(Al N和Fe摩尔比为3:1;2:1;1:1;1:2),首次研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学行为。发现当Al N和Fe的比例为2:1时,复合薄膜具有最佳的电化学性能。在500 m A·g~(-1)电流密度下,Al N-Fe(2:1)经过100次循环充放电后容量仍能保持510 m Ah·g~(-1)。对其电化学反应机理研究发现,在放电过程中,Al N-Fe纳米复合薄膜中的Al N发生分解,Al N-Fe生成Li Al合金和Li_3N。纳米Fe颗粒的引入有效提高Al N的电化学活性;在充电过程中,部分Li_3N与Fe纳米颗粒反应生成了Fe_3N,其余部分Li_3N重新生成Al N。随后的充放电过程由Fe_3N、Al N和Al三者与Li的可逆反应共同参与,保证了Al N-Fe纳米复合薄膜优异的电化学性能。该研究为设计开发新型锂离子电池电极材料提供了一种新的思路。