锂金属电池中的复合负极

锂金属具有理论比容量高、电位低等优点,被认为是电极中的“圣杯”。然而,锂金属负极在循环过程当中存在着不可控的枝晶生长、体积膨胀等问题,严重地阻碍了锂金属电池的商业化进程。本综述首先概述了锂枝晶的形成机理,然后对由小及大,自内而外,总结了近年来三种不同层次的锂金属电池复合负极:锂金属负极内部结构的复合、锂金属电池内部结构的复合以及锂金属电池内部环境与外界操作条件的复合。最后,本综述对未来多层次锂金属电池复合负极的前景做出了展望。     

Alloying in an Intercalation Host: Metal Titanium Niobates as Anodes for Rechargeable Alkali‐Ion Batteries

We discuss here a unique flexible non‐carbonaceous layered host, namely, metal titanium niobates (M‐Ti‐niobate, M: Al³⁺, Pb²⁺, Sb³⁺, Ba²⁺, Mg²⁺), which can synergistically store both lithium ions and sodium ions via a simultaneous intercalation and alloying mechanisms. M‐Ti‐niobate is formed by ion exchange of the K⁺ ions, which are specifically located inside galleries between the layers formed by edge and corner sharing TiO₆ and NbO₆ octahedral units in the sol‐gel synthesized potassium titanium niobate (KTiNbO₅). Drastic volume changes (approximately 300–400 %) typically associated with an alloying mechanism of storage are completely tackled chemically by the unique chemical composition and structure of the M‐Ti‐niobates. The free space between the adjustable Ti/Nb octahedral layers easily accommodates the volume changes. Due to the presence of an optimum amount of multivalent alloying metal ions (50–75 % of total K⁺) in the M‐Ti‐niobate, an efficient alloying reaction takes place directly with ions and completely eliminates any form of mechanical degradation of the electroactive particles. The M‐Ti‐niobate can be cycled over a wide voltage range (as low as 0.01 V) and displays remarkably stable Li⁺ and Na⁺ ion cyclability (>2 Li⁺/Na⁺ per formula unit) for widely varying current densities over few hundreds to thousands of successive cycles. The simultaneous intercalation and alloying storage mechanisms is also studied within the density functional theory (DFT) framework. DFT expectedly shows a very small variation in the volume of Al‐titanium niobate following lithium alloying. Moreover, the theoretical investigations also conclusively support the occurrence of the alloying process of Li ions with the Al ions along with the intercalation process during discharge. The M‐Ti‐niobates studied here demonstrate a paradigm shift in chemical design of electrodes and will pave the way for the development of a multitude of improved electrodes for different battery chemistries.     

金属锂电池的热失控与安全性研究进展

锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用,然而频繁发生的电池起火爆炸事故,使热失控和热安全问题备受人们关注,目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池,金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性,但是不可控的锂枝晶生长,使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题,本文首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段,其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略,包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系,开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜,以及研究热响应聚合物电解质,最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。     

金属有机骨架材料在金属锂电池界面的应用

金属锂电池是下一代高能量密度电池体系的代表。然而,高比能金属锂电池的发展受到界面诸多问题的限制,如:金属锂负极枝晶生长、隔膜界面兼容性、正极界面不稳定等,影响了金属锂电池的界面传质传荷过程,并导致金属锂界面环境恶化、电池的容量衰减、安全性能下降等问题。金属有机骨架(MOF)是一种具有稳定多孔结构的有机无机杂化材料,近年来在高比能金属锂电池领域受到广泛关注。其多孔结构与开放的金属位点(OMs)提供了优异的离子电导率,稳定的空间结构提供了较高的机械强度,多样的官能团与金属节点带来丰富的功能性。本文分析了金属锂电池界面的主要挑战,结合金属锂界面的成核模型,总结了MOF及其衍生材料在解决锂金属负极界面、隔膜界面、以及正负极界面稳定性相互作用等方面的研究进展和作用机理,为解决高比能金属锂电池界面失稳问题提供了解决途径,并展望了MOF基材料的设计与发展方向。     

二次金属离子电池的研究现状*

二次电池是应用范围广泛,发展前景广阔的电化学储能器件。综述了二次金属离子电池体系的基本工作原理和研究现状,对二次金属离子电池储能技术的发展做出了展望。     

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。     

水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展

氢能作为零碳排放能源是被公认的最清洁能源之一,如何有效可持续地产氢是未来人类步入氢能经济首先要解决的问题。电解水技术基于电化学分解水的原理,利用可再生电能或太阳能驱动水分解为氢气和氧气,被认为是最有前途和可持续性的产氢途径。然而,无论是光解水还是电解水,均需要高活性、高稳定性的非贵金属氢析出和氧析出催化剂以使水电解反应经济节能。本文介绍了我们研究所近三年在水电解方面的研究进展,其中着重介绍了：（ⅰ）氢析出催化剂,包括利用低温磷化过渡金属（氢）氧化物的方法制备过渡金属磷化物,同时过渡金属硫化物、硒化物以及碳化物等均被成功合成并被应用为有效的阴极析氢催化剂;（ⅱ）氧析出催化剂,主要包括金属磷化物、硫化物、氧化物/氢氧化物等;（ⅲ）双功能催化剂,主要包括过渡金属磷化物、硒化物、硫化物等。最后,总结展望了发展水电解非贵金属催化剂所面临的挑战与未来发展方向。     

Studies of Nano-sized Co_3O_4 as Anode Materials for Lithium-ion Batteries

Introduction　　Thelargecapacityandhighcellvoltageoflithium basedcells ,coupledwiththeirrelativelylowenvironmen talimpactmakethemanidealcandidateforportablepowersupplies .Studyonpresentmaterialsforlithiumionbatter iesfocusesonimprovingcycleabilityandincreasingca pacityofelectrodematerials.Asoneoftheimportantpartsoflithium ionbatteries ,anodematerialshavebeeninvestigatedintensively .Now ,carbonaceousmaterialsareusedinnearlyalllithiumionbatteriesbecauseoftheirhighcapacity (theoreticalcapaci tyof…     

锂金属负极界面修饰及其在硫化物全固态电池中的应用

随着我国新能源产业的快速发展,全固态电池由于其理论上的高能量密度和高安全性受到广泛关注,而硫化物全固态电池具有离子电导率高的优势成为目前的研发热点,但是金属锂负极的锂枝晶生长和与硫化物电解质之间的不稳定性严重阻碍了硫化物全固态电池的研发.本工作在高温150℃下制备了均匀的LiF界面层来抑制金属锂负极/硫化物电解质之间的界面反应和锂枝晶.LiF/Li之间具有较高的界面能,所以可以有效抑制锂枝晶的生长.LiNbO₂@LiCoO₂//Li₆PS₅Cl//LiF@Li (LNO@LCO//LPSCl//LiF@Li)全电池0.05 C, 0.1 C, 0.2 C和0.5 C倍率的正极放电克容量分别为138.4 mAh/g, 105.0 mAh/g, 80.3 mAh/g和60.4 mAh/g, 0.05 C循环50周后,正极容量保持率为80.2%.该方法为后续金属锂负极在全固态电池中的应用提供了新的方案.     

基于金属有机框架化合物纳米电催化剂的研究进展

金属有机框架化合物具有比表面积大、孔隙率高、结构有序可控等特点,近年来作为电催化材料在电化学能源储存和转化应用中备受关注。本文从金属有机框架化合物作为前驱体制备电催化剂的独特优点入手,总结了目前该类材料在电催化领域的最新研究进展,并对其今后的发展趋势以及面临的机遇和挑战进行了简单的展望。     

锂离子电池纳米氧化镍负极的制备及应用

应用水热法制备纳米氧化镍,观察样品形貌及研究电极电化学性能.结果表明,在水热合成过程中加入表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）,可形成疏松多孔、表面呈蜂窝状、颗粒均匀（100～200 nm）的纳米氧化镍.0.1 A/g电流密度下,该纳米NiO电极首周期放电比容量高达2385.7 mAh/g,100周期之后电极比容量仍然稳...     

多孔金属有机框架材料作为锂金属负极保护层助力长寿命锂氧气电池

在众多能源储存系统中,锂氧气电池以其高达3500 Wh·kg^-1的理论能量密度有望在性能上超越商用锂离子电池.然而,在电池充放电过程中,金属锂不可控的枝晶生长和严重的腐蚀问题极大地阻碍了锂氧气电池的发展.为了解决以上问题,制备了一种具有高比表面积、丰富孔道结构的金属有机框架材料（MOF-801）,并将其设计成金属锂负极的保护层应用在锂氧气电池中.在本工作中,成功合成了具有高达762.9 m²·g^-1比表面积,边长约为800 nm的立方体状纯净MOF-801材料.并且这种材料表现出对于有机电解液体系（四乙二醇二甲醚1 mol·L^-1三氟甲基磺酸锂）和强还原性的金属锂都具有很好的稳定性.得益于该材料丰富的孔道结构以及高比表面积,锂离子得以更均匀地分布在电极表面促进金属锂均匀沉积,有效避免了由于枝晶刺破隔膜而导致的短路甚至火灾事故.此外,MOF-801保护层本身的阻隔作用和材料捕捉水的特性可以帮助减少污染物质（水、氧气、强氧化性物质等）的穿梭效应带来的副反应,缓解锂氧气电池中金属锂负极的腐蚀情况.因此,将经过保护的金属锂组装成的对称电池进行测试,循环寿命长达800 h,同时充/放电过电势仅为0.023 V（未经保护的电池寿命仅为254 h,最终充/放电过电势高达5 V）,且循环阻抗大大降低,证明了这种策略有效地稳定了金属锂/电解液界面.将经过MOF材料保护的电极实际应用在锂氧气电池中,在限容量1000 mAh·g^-1,限电流500 mA·g^-1条件下,可以实现长达170圈的稳定长寿命的循环（是未经保护的电池寿命的2.88倍）.使用MOF-801保护层的锂氧气电池还表现出了高达8935 mAh·g^-1的高比容量.因此,本工作所报道的保护层策略为未来的碱金属空气电池负极保护领域提供了新颖的视角.     

水系锌离子电池嵌入负极材料TiX2 (X = S,Se)的储锌机制

水系锌离子电池(ZIBs)以其低成本、高安全性和环境友好的优点受到了研究者的广泛关注,成为大规模电化学储能系统的理想选择之一。然而锌金属负极在应用时面临着锌枝晶生长、腐蚀反应和副反应等难以克服的障碍,严重制约了水系锌离子电池的发展。探索可替代锌金属的储锌负极是应对上述问题的有效策略,因此研究者围绕过渡金属氧化物、硫化物和导电聚合物开展了深入研究。以TiX₂ (X = S, Se)为代表的二维过渡金属硫族化合物(TMDs)具有较大的层间距和快速的离子传输通道,可作为锌离子电池的负极,但其储锌反应机制尚未得到完整的揭示。在本文中,我们使用密度泛函理论(DFT)计算方法系统地研究锌离子在TiX₂中的嵌入反应。首先我们采用群论去描述嵌锌TiX₂的稳定层间构型的特点,定义了一个依赖于超胞并且只涉及平移旋转两种对称操作的群,其子群可以用来描述层间构型的对称性,而且用来描述最稳定构型的子群总是倾向于有最大的阶数。基于该计算得到的一系列对应于不同放电深度的TiX₂的稳定结构,我们发现TiS₂和TiSe₂两种材料在锌嵌入/脱出过程中的开路电压(OCV)均低于0.5 V。态密度(DOS)的计算结果表明TiX₂具有很好的电子导电性,而分波态密度(PDOS)的结果显示随着锌的嵌入闭壳层的Ti⁴⁺还原成开壳层的Ti³⁺,并且伴随着Zn―X键的生成。Bader电荷分析的结果表明随着X的嵌入,X相比Ti得到了更多的负电荷,意味着X也参与了TiX₂的氧化还原过程。爬坡弹性带方法(CINEB)计算的结果证实了Zn²⁺在TiX₂中具有较低的扩散能垒(对于TiS₂是0.333 eV,对于TiSe₂是0.338 eV)。本文的研究结果不仅从本质上证明了TiX₂适合作为锌离子电池的嵌锌负极材料,而且为其他高性能TMDs电池材料的DFT研究提供了新的见解。     

General Approach to Single and Hybrid Metal Oxide Fiber Structures for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries

Owing to the high specific capacity and energy density, metal oxides have become very promising electrodes for lithium‐ion batteries (LIBs). However, poor electrical conductivity accompanied with inferior cycling stability resulting from large volume changes are the main obstacles to achieve a high reversible capacity and stable cyclability. Herein, a facile and general approach to fabricate SnO₂, Fe₂O₃ and Fe₂O₃/SnO₂ fibers is proposed. The appealing structural features are favorable for offering a shortened lithium‐ion diffusion length, easy access for the electrolyte and reduced volume variation when used as anodes in LIBs. As a consequence, both single and hybrid oxides show satisfactory reversible capacities (1206 mAh g^?1 for Fe₂O₃ and 1481 mAh g^?1 for Fe₂O₃/SnO₂ after 200 cycles at 200 mA g^?1) and long lifespans.     

金属硫化物在可充电电池中的研究进展

低成本、长寿命、高安全性、高性能且易于大规模生产的锂/钠离子电池已被证实为重要的二次储能设备。 电极材料对锂/钠电池性能与循环寿命影响极大,金属硫化物由于具有高比容量和低电势而极具潜力成为锂/钠离子电池负极材料。 在电化学循环过程中,由于金属硫化物容易产生穿梭效应和体积变化,从而电极材料结构被破坏,进一步导致电池容量衰退、稳定性降低。 本文总结了多种金属硫化物的微观结构调控策略,从三维空间构建到与其它材料的复合,增强了电极的导电性和减缓体积变化带来的负面影响,进而获得性能优异的金属硫化物负极材料。 通过对金属硫化物的结构与性能的讨论,对其研究前景进行了积极的展望。     

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。     

氯化钠对锂离子电池石墨负极的修饰改性

Numerous carbonaceous materials have been studied as anodes of lithium ion batteries during the past several years[1￣4].Graphite was favored for battery applications because it exhibits a high specific capac- ity, low working potential close to that of l…     

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。     

金属草酸盐基负极材料——离子电池储能材料的新选择

商业化锂离子电池石墨负极和锂盐过渡金属氧化物正极材料的储锂容量都已接近各自的理论值,探索下一代高能量密度电极材料是解决现阶段锂离子电池容量限制的关键。近年来,新型金属草酸基负极材料,借助其在金属离子电池中多元化储能机制诱发的较高储能效应在碱金属离子电池绿色储能材料领域备受关注。本文就金属草酸基材料在锂、钠、钾金属离子电池方面的最新研究进行了综述,着重介绍了材料的晶型结构、多元化储能机制及储能过程中的动力学特征,简单阐述了材料在电化学储能中存在的问题,分析了金属草酸基负极材料在形貌晶型控制、界面碳复合改性和金属元素掺杂方面的改性策略。最后,预测了金属草酸基负极材料在碱金属离子电池体系的发展方向。