锂空气电池研究述评

由于锂空气电池具有很高的理论能量密度因而引起了广泛关注和研究。本文较为全面地论述了各种电解质体系中的锂空气电池的进展,包括:有机体系、水体系、离子液体体系、有机-水双电解质体系和全固态体系的锂空气电池;详细阐述和归纳了它们的工作原理和最新研究现状。对最新提出的锂-空气-超级电容电池的原理和特点进行了较详细的论述。结合氧气在有机电解质中的电化学还原行为指出单一有机电解质锂空气电池存在的问题以及可能的解决办法;同时展示了这类电池中空气电极催化剂的发展现状。结合双电解质锂空气电池、固态电解质锂空气电池、锂-空气-超级电容电池的结构阐述了它们各自的优缺点。本文还展示了一些可望用于单一有机电解质锂空电池、有机-水双电解质体系锂空电池的新型碳材料。最后对锂空气电池的研究发展进行了总结与展望,提出新型电解液、催化剂以及改进锂空气电池构造将会成为今后的发展趋势。     

非水系锂空气电池碳基正极材料

锂空气电池因其极高的理论能量密度和环境友好等优点,有望成为下一代车用动力电源体系。然而,目前锂空气电池尚存在许多的问题和挑战,就正极而言,空气电极活性低的问题已成为制约锂空气电池技术发展最为重要的问题,因此,开发高性能锂空气电池正极催化剂一直以来都是该领域的重要研究课题。碳基催化剂(正极材料)是目前最具吸引力的锂空气电池正极材料之一,近年来得到了广泛的关注和研究。本文总结和介绍了近年来国内外在多孔碳基材料、石墨烯基材料、掺杂碳材料等碳材料作为锂空气电池正极材料方面的进展,包括本课题组在非水系锂空气电池正极材料方面的研究工作,并对碳基正极材料的发展及其在锂空气电池中的应用前景做了展望。     

非水系锂空气电池催化剂

近年来,随着对高性能电池需求的加大,锂空气电池因其超高的理论能量密度成为了研究热点。虽然锂空气电池的发展已取得了一些突破性的进展,但离实际应用差距甚远,仍有很多问题和挑战需要解决。其中,氧电极反应动力学速度缓慢就是一个非常严重的问题。为了促进锂空气电池的发展和应用,国际学术界对改善氧电极动力学速度的催化剂开展了大量的研究工作。本文总结了近年来国内外关于锂空气电池氧电极催化材料的主要研究进展,并对其未来发展作了前景展望。     

锌-空气电池双功能催化剂研究进展

锌-空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度,并有望在能源转化与储存领域的广泛应用,引起国内外研究者的高度关注. 其中,空气电极作为氧催化反应的核心区域,更是整个锌-空气电池研究的重点. 近年来,非贵金属双功能催化剂及其电极以其高活性、低成本以及种类丰富等特点取得了较多的研究成果. 本文综述了非贵金属氧化物催化剂、碳基催化剂、碳载过渡金属化合物复合材料以及自支撑电极在锌-空气电池中的反应机制和研究进展,提出了高效双功能催化剂的构建策略,并对双功能催化剂/电极的发展趋势进行了展望.     

高温驱动氧化锰刻蚀制备纳米氧化锰-多孔石墨烯及其锂空气电池性能研究

本文通过简单的电荷吸附制备了高分散的氧化石墨烯含锰化合物（Mn-GO）,利用高温驱动下氧化锰的生长以及热运动同时实现了GO的还原、刻蚀和纳米氧化锰的负载,即成功构筑了纳米氧化锰-多孔石墨烯复合材料（MnO-PGNSs）. 对影响GO分散性的Mn²⁺的添加量、影响GO层数的分散液浓度以及影响MnO热运动的烧结条件进行了详细的考察. 研究发现,当Mn-GO同时满足优异的分散性、适合的片层厚度和烧结条件（＞800℃,>2h）,才能在GNSs表面刻蚀成孔制备得到MnO-PGNSs. 本文进一步将MnO-PGNSs作为锂空气电池正极材料,结果表明在50 mA·g^-1的电流密度下深度放电后容量达到5100 mAh·g^-1,相比于GNSs和PGNSs,MnO-PGNSs具有更高的比容量. 锂空气电池性能的提高得益于GNSs表面的多孔结构和MnO优异的催化活性.     

锂空气电池空气电极LiCoO2电催化性能研究

自设计建立锂空气电池实验装置,研究以掺入LiCoO2作为电催化剂的空气正极的电化学性能及其放电前后催化剂结构的变化.循环伏安、XRD及充放电测试等表明,LiCoO2能够很大程度地改善空气电极的放电性能.尤其是在放电前,将掺有LiCoO2的空气正极充电至4.1 V,此时LiCoO2的Co元素呈现较高的价态（Co3＋/Co4＋）,催化作用因此更加显著.     

放电态Li-AgVO3一次电池作为可充Li-O2电池再利用研究

废弃电池中活性材料再利用是目前处理废弃的一次电池既节约又节能的方法.基于此,本工作详细地研究了废弃的Li-AgVO₃一次电池作为可充Li-O₂电池的再利用.结果显示放电后的Li-AgVO₃电池可以作为Li-O₂电池被再次激活.在Li-AgVO₃电池放电过程中,原位生长在钒氧化物电极上的银纳米颗粒可以进一步有效地催化Li-O₂电池中氧还原和氧析出反应（ORR/OER）.通过控制Li-AgVO₃一次电池的放电深度,可以得到具有不同尺寸和分布状态的Ag纳米颗粒的银/钒氧化物复合电极.将这些不同放电状态的复合电极作为Li-O₂电池的空气正极并测试了它们的电化学性能.电化学测试结果表明,放电到2.3 V的复合电极电化学性能最优,比容量高达9000 mAh·g_carbon^-1,充放电过电位最低,可稳定循环95周.其优异电化学性能归因于银纳米颗粒合适的尺寸和均匀的分布,明显提高了电极导电能力并为ORR/OER电催化反应提供了丰富的活性位点.     

基于有机电解液的锂空气电池研究进展

随着化石燃料的逐渐消耗和城市环境污染的日益严重,纯电动和混合动力汽车的开发使用越来越受到人们的重视. 受到锂离子电池能量密度的限制,目前电动汽车的连续行驶距离仍远低于内燃机动力汽车. 作为新一代电动车供能设备,基于有机电解液的锂空气电池由于结构相对简单,理论能量密度极高,成本低廉,已成为学术界的研究热点. 本文从反应机理、电解液、空气电极以及金属锂负极等四个方面入手,详细介绍了近年来锂空气电池的重要研究进展以及在基础研究方面存在的科学问题,指出了该体系面临的挑战和今后的重要研究方向.     

金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展

随着能源危机加剧和生态环境恶化, 可持续发展能源受到更大的重视. 金属空气电池作为一种绿色能源是具有很大发展潜力的新一代电池. 与传统电池相比, 此类电池有着更高的理论能量密度, 尤其是锂空电池, 能量密度可达3505 Wh/kg, 然而阴极缓慢的氧还原反应成为制约其发展的关键因素之一. 在简要介绍氧还原反应机理基础上, 着重介绍了近年来氧还原催化剂如贵金属及其合金、过渡金属氧化物/硫化物、功能化碳材料和金属氮化物的研究进展, 并根据目前所存在问题指出未来研究方向, 包括深入研究氧还原反应机理, 明确催化剂活性位; 研究催化剂结构等对催化活性的影响, 优化制备条件, 以提高催化活性和稳定性; 根据氧还原机理设计开发新型氧还原催化剂.     

Metal-organic frameworks and their derivatives for Li-air batteries

Metal-organic frameworks(MOFs) are a class of outstanding materials in Li-air batteries because of their high surface areas,tailorable pore sizes and diverse catalytic centers.However,MOF-based batteries are facing challenges such as poor electronic conductivity and inferior long-cycle stability that limit their further development.This review first summarizes the progress of pristine MOFs and MOF-derived materials in Li-air batteries in the past 5 years,then provides a perspective for subsequen...     

非水系二次锂-氧电池正极

非水系二次锂-氧电池(NRLOB)在当前所研发的二次电池中理论能量密度最高,但存在循环性能差,充、放电电流密度低等显著问题;这些问题主要同其氧正极上的电化学反应相关,关键在于过氧化锂Li₂O₂可逆生成、分解反应能否在较高的速率下连续地进行。本文综述了近年来NRLOB正极电化学反应机理、正极碳材料、催化剂和电极结构、电解液分解导致电极副反应等方面的研究现状;归纳了今后需要进一步研究的主要问题。     

原位负载Au纳米层在锂空气电池正极中的电催化特性

通过自发交换法使Au与非水性锂空气电池中的泡沫镍集流体发生反应,实现了金纳米层催化剂的原位负载.将其作为非水性锂空气电池正极,研究了不同气氛(纯氧、大气和模拟大气)下电池的电化学性能.结果表明,Au纳米层催化剂对氧还原反应/氧逸出反应起到了双功能催化作用,使得氧气电极在不同气氛下的首次放电容量与电压均显著提升,容量分别提升至9169,1604和1853 m A·h/gcarbon;同时氧气电极在模拟大气下的充电过电位降低,能量效率提高,循环性能得到一定提升.     

Integrating NiCo Alloys with Their Oxides as Efficient Bifunctional Cathode Catalysts for Rechargeable Zinc–Air Batteries

The lack of high‐efficient, low‐cost, and durable bifunctional electrocatalysts that act simultaneously for the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) is currently one of the major obstacles to commercializing the electrical rechargeability of zinc–air batteries. A nanocomposite CoO‐NiO‐NiCo bifunctional electrocatalyst supported by nitrogen‐doped multiwall carbon nanotubes (NCNT/CoO‐NiO‐NiCo) exhibits excellent activity and stability for the ORR/OER in alkaline media. More importantly, real air cathodes made from the bifunctional NCNT/CoO‐NiO‐NiCo catalysts further demonstrated superior performance to state‐of‐the‐art Pt/C or Pt/C+IrO₂ catalysts in primary and rechargeable zinc–air batteries.     

Oxocarbon Salts for Fast Rechargeable Batteries

Oxocarbon salts (M₂(CO)_n) prepared through one‐pot proton exchange reactions with different metal ions (M=Li, Na, K) and frameworks (n=4, 5, 6) have been rationally designed and used as electrodes in rechargeable Li, Na, and K‐ion batteries. The results show that M₂(CO)₅/M₂(CO)₆ salts can insert two or four metal ions reversibly, while M₂(CO)₄ shows less electrochemical activity. Especially, we discover that the K₂C₆O₆ electrode enables ultrafast potassium‐ion insertion/extraction with 212 mA h g^?1 at 0.2 C and 164 mA h g^?1 at 10 C. This behavior can be ascribed to the natural semiconductor property of K₂C₆O₆ with a narrow band gap close to 0.9 eV, the high ionic conductivity of the K‐ion electrolyte, and the facilitated K‐ion diffusion process. Moreover, a first example of a K‐ion battery with a rocking‐chair reaction mechanism of K₂C₆O₆ as cathode and K₄C₆O₆ as anode is introduced, displaying an operation voltage of 1.1 V and an energy density of 35 Wh kg^?1. This work provides an interesting strategy for constructing rapid K‐ion batteries with renewable and abundant potassium materials.     

单层镍锰层状双金属氢氧化物用于锂-氧电池双功能催化剂

将块体镍锰层状双金属氢氧化物(Ni_3Mn-LDHs)通过液相剥离法制备成单层Ni_3Mn-LDHs,然后采用自组装法获得Ni_3MnLDHs/CNT复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对复合材料的结构进行分析,通过恒流充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)研究电极的电化学过程。结果表明:Ni_3Mn-LDHs/CNT复合材料可以有效提升ORR和OER的催化活性,与CNT正极相比较,Ni_3Mn-LDHs/CNT正极在锂-氧电池中的放电容量提高了近300%,并且具有优异的倍率性能和循环稳定性。     

Advances in the Cathode Materials for Lithium Rechargeable Batteries

The accelerating development of technologies requires a significant energy consumption, and consequently the demand for advanced energy storage devices is increasing at a high rate. In the last two decades, lithium‐ion batteries have been the most robust technology, supplying high energy and power density. Improving cathode materials is one of the ways to satisfy the need for even better batteries. Therefore developing new types of positive electrode materials by increasing cell voltage and capacity with stability is the best way towards the next‐generation Li rechargeable batteries. To achieve this goal, understanding the principles of the materials and recognizing the problems confronting the state‐of‐the‐art cathode materials are essential prerequisites. This Review presents various high‐energy cathode materials which can be used to build next‐generation lithium‐ion batteries. It includes nickel and lithium‐rich layered oxide materials, high voltage spinel oxides, polyanion, cation disordered rock‐salt oxides and conversion materials. Particular emphasis is given to the general reaction and degradation mechanisms during the operation as well as the main challenges and strategies to overcome the drawbacks of these materials.     

石墨烯基氧还原催化剂在金属空气电池中的应用

随着金属空气电池技术的不断发展,氧还原催化剂成为限制其动力化的最主要瓶颈之一。近几年来,石墨烯基氧还原催化剂(GORRC)由于优异的氧还原催化活性而备受关注。本文结合石墨烯基氧还原催化剂的研究现状,将其分为三类:石墨烯作氧还原催化剂载体,氮掺杂石墨烯作为氧还原催化剂,以及氮掺杂石墨烯与其他催化剂形成的复合催化体系,并对这三种石墨烯基氧还原催化剂进行了详细的综述。石墨烯作为一种优良的催化剂载体,能够显著降低活性物质负载量,提高氧还原催化剂的催化活性和长期稳定性。氮掺杂石墨烯显示了优良的氧还原催化性能。氮掺杂石墨烯与其他催化剂复合后,由于两者之间的相互作用,可得到性能更为优异的氧还原催化剂。最后,本文还对石墨烯基氧还原催化剂及其在金属空气电池中的研究前景和发展方向进行了展望,指出了将来的研究重点。     

Molybdenum Disulfide Based Nanomaterials for Rechargeable Batteries

The rapid development of electrochemical energy storage systems requires new electrode materials with high performance. As a two-dimensional material, molybdenum disulfide (MoS₂) has attracted increasing interest in energy storage applications due to its layered structure, tunable physical and chemical properties, and high capacity. In this review, the atomic structures and properties of different phases of MoS₂ are first introduced. Then, typical synthetic methods for MoS₂ and MoS₂-based composites are presented. Furthermore, the recent progress in the design of diverse MoS₂-based micro/nanostructures for rechargeable batteries, including lithium-ion, lithium-sulfur, sodium-ion, potassium-ion, and multivalent-ion batteries, is overviewed. Additionally, the roles of advanced in situ/operando techniques and theoretical calculations in elucidating fundamental insights into the structural and electrochemical processes taking place in these materials during battery operation are illustrated. Finally, a perspective is given on how the properties of MoS₂-based electrode materials are further improved and how they can find widespread application in the next-generation electrochemical energy-storage systems.