高容量硫/碳复合正极材料

以锂为负极、硫为正极的锂/硫二次电池,由于其较高的理论能量密度(2 600Wh/kg),而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系.但是,硫正极材料存在的活性物质利用率偏低和循环性能较差等缺点制约了锂/硫电池的快速发展.本文主要综述了基于多孔碳材料负载硫来构筑硫/碳复合材料,进而改善硫电极材料电化学性能的研究进展,多孔碳...     

碳空心球/硫复合材料制备和电化学性能研究

采用PMMA为模板制备碳空心球材料,并以碳空心球材料为导电骨架与硫材料复合制得碳空心球/硫复合材料. SEM和TEM照片显示,硫材料能均匀地填充在碳空心球的孔道和腔体内部. 采用恒电流充放电测试碳空心球/硫复合电极的电化学性能. 结果表明,在100 mA·g^-1、500 mA·g^-1、1 A·g^-1、2 A·g^-1 和5 A·g^-1电流密度下,碳空心球/硫复合电极可逆放电容量分别为1145 mAh·g^-1、824 mAh·g^-1、702 mAh·g^-1、586 mAh·g^-1和395 mAh·g^-1,呈现出较优异的倍率循环寿命.     

锂硫电池正极用硫/介孔碳复合材料的制备及电化学性能

制备了以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的介孔碳,并将介孔碳和单质硫采用熔融渗透法复合制得硫/介孔碳复合材料。SEM、TEM和BET结果显示介孔碳成直径约为500 nm的大小均一的球体,存在孔径为2 nm的微孔;单质硫充分填充在介孔碳的微孔中。以硫/介孔碳复合物作为锂硫电池正极材料时显示出高的电化学性能。初始放电容量高达1519 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下充放电200个循环后依然能保持在835 mAh·g^-1。硫/介孔碳复合材料的高倍率性能和优异的循环稳定性,源于介孔碳良好的导电性及其孔结构的固硫作用。     

硫在不同碳载体材料中的电化学性能研究

为了探索碳载体材料结构对于硫的电化学性能的影响,本文通过高温固相法将升华硫与石墨烯、导电炭黑、多孔碳等三种不同结构的碳载体材料复合,制备得到硫含量相近的三种硫碳复合材料. 通过电镜扫描、低温氮吸附、X射线衍射等方法,对所制备的硫碳复合材料的结构和硫的分布状态进行了表征和分析. 并进一步对三种复合材料进行了电化学性能测试,结果表明,硫负载到多孔碳中的电化学性能最好,其初始放电比容量达到了1623.2 mA·h·g^-1,循环100周之后,其放电比容量仍能保持在845 mA·h·g^-1. 这主要因为相比于石墨烯的层状结构和导电炭黑的链状结构,多孔碳材料中含有大量的微孔和介孔,负载硫后,与硫分子的接触面积大,活性物质的利用率高,从而提高了硫的电化学性能.     

碳纳米管/氧化石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能

以碳纳米管和氧化石墨烯(CNTs/GO)为主体材料, 通过化学还原法制备了CNTs/GO 负载硫的复合正极材料CNTs/GO/S. 扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)测试表明, CNTs 均匀插层在GO片间, 从而形成三维多孔结构, 有利于电解液的浸润; 活性物质硫均匀地负载在CNTs/GO 表面. 电化学测试表明,CNTs/GO/S复合材料具有高的比容量和良好的循环稳定性: 在1C倍率电流密度下, 复合材料首次放电比容量高达904 mAh·g^-1, 经过50圈循环之后, 复合材料的比容量仍保持在578 mAh·g^-1.     

高性能硫/碳凝胶复合正极材料的制备及应用

以碳凝胶作导电骨架,合成硫/碳凝胶复合物.XRD、SEM等表征显示,该复合材料完全保持了碳凝胶的形貌,颗粒大小在10μm以下,硫吸附在碳凝胶内部空隙中呈无定形态,表现出良好的电化学性能.以0.1C放电,该材料首圈放电容量达到1311mAh/g.0.2C循环充放,首圈放电容量为1107.1mAh/g,30周充放电后,放电容量仍不低于800mAh/g.     

碳膜夹层锂硫电池的电化学性能

选取Super-P（SP）、KB或MWCNTs导电碳膜夹层,并置于硫电极与隔膜间组装成扣式锂硫电池.相关评估结果表明,碳膜夹层可显著提高锂硫电池循环性能,硫电极（载硫量为80%,by mass,下同）循环40周后比容量均在800 mAh·g^-1以上. 上述三种碳膜的物理性质有较大差异,导致相应电池具有不同电性能. KB碳膜夹层电池呈现较强的电化学极化效应;SP碳膜夹层电池循环初期可释放出最高的比容量,而循环稳定性较差;MWCNTs碳膜可视为较适宜的导电碳夹层材料.     

百香果皮基原位氮掺杂多孔碳/硫复合正极的制备及储锂性能

以生物质百香果皮为碳源,KHCO3为活化剂,采用同步活化碳化方法制备原位氮掺杂的分级多孔碳材料,将其与单质硫复合制得多孔碳/硫正极材料。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征技术对制备材料的物相组成、微观形貌、比表面积及孔结构进行研究分析。同时,利用紫外可见吸收光谱研究了多孔碳对多硫化物的吸附作用,用恒电流充放电测试了不同硫含量(60%～80%)的多孔碳/硫复合正极材料的电化学性能。结果表明,制得的多孔碳材料为无定型,具有1 093 m²·g^-1的高比表面积和0.63 cm³·g^-1的孔容;丰富的多孔结构和原位氮掺杂对多硫化物的物理化学协同吸附作用,有效降低了锂硫电池的“穿梭效应”,提高了电池的放电比容量和循环性能。硫含量为60%的多孔碳/硫复合材料,在0.05C和0.2C倍率下可释放1 057.7和763.4 mAh·g^-1的高初始放电比容量,在1C的高倍率下循环300次后的保持率为75%。     

锂硫电池硫膨胀石墨正极材料的电化学性能

应用高温气相扩散沉积法由单质硫制备硫膨胀石墨.该硫膨胀石墨正极可降低反应界面电荷传递阻抗,提高扩散阻抗抑制单质硫或多硫化物在充放电过程的穿梭.其首次放电容量达到972 mAh.g-1,容量保持率为78%,循环效率在80%以上.     

石墨烯/硫复合正极材料的一步水热法制备与电化学性能

将硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃）与氧化石墨烯（GO）的混合溶液,在酸性条件下经过一步水热反应制备还原氧化石墨烯/硫（RGO/S）复合正极材料. 实验探索了水热温度、反应时间、碳硫质量比例对材料的影响. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和恒电流充放电对材料进行分析. 结果表明在180 ℃下,碳硫质量比为3：7时,水热12 h得到的RGO/S复合材料具有优异的循环性能,首次放电比容量为931 mAh·g^-1,50次循环之后其比容量还保持在828.16 mAh·g^-1;RGO/S复合材料的充放电库仑效率在95%以上;同时RGO/S复合材料的倍率性能相比于单质硫有很大提高. 一步水热法能够使硫分子均匀分布在石墨烯片层结构中,同时加强了石墨烯表面基团对硫分子的固定作用.     

高容量锂离子电池核壳型硅/碳复合电极材料的制备与性能

通过自组装方式采用一步法制备了锂离子电池硅碳复合电极材料.使用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)等对样品结构进行表征.结果表明,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包覆的纳米硅颗粒(Si@PVP)均匀嵌入到具有三维网络纳米孔结构的导电石墨化炭黑(GCB)骨架中,形成核壳复合型(Si@PVP-GCB)纳米颗粒,既提高了该复合电极材料的导电性能,又改善了材料的机械强度.在纳米级GCB颗粒内部存在的中空石墨环结构和包覆在纳米Si颗粒外面的PVP包覆层都有效缓冲了纳米Si颗粒在充放电过程中较大的体积变化,从而使纳米Si颗粒更加稳定.电化学测试结果表明,Si@PVP-GCB电极材料在电流密度为50 m A/g时,经过100次循环后其可逆容量仍达到545 m A·h/g时,远高于商品化的石墨微球(GMs)电极材料的容量(理论容量为372 m A·h/g).     

有限域聚合法制备碳纳米管-聚苯胺复合材料及其电化学性能

通过有限域聚合法将聚苯胺(PANI)均匀地生长在碳纳米管(CNTs)表面, 得到CNTs-PANI纳米复合材料. 通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外(FTIR)光谱对样品的形貌及成分进行表征. 将得到的复合材料组装成电化学超级电容器, 进行电化学的循环伏安和恒流充放电测试. 结果显示, 运用此有限域聚合法所制备的复合材料中PANI 可以非常均匀地包裹在CNTs表面, 复合材料的比容量可以达到117.7 F·g-1(有机电解液), 远远高于所用纯碳纳米管(25.0 F·g-1)和纯聚苯胺(65.0 F·g-1)的比容量, 从而表明有限域聚合法是一良好的纳米复合材料的制备方法.     

聚苯胺/碳纳米纤维复合材料的制备及电容性能

采用原位聚合法制备了聚苯胺/碳纳米纤维(PANI/CNF)复合材料,用傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)和孔分布及比表面积测定仪研究了复合材料的表面官能团、组成、表面形貌及比表面积,并运用循环伏安(CV)法和计时电位法测试了PANI/CNF布作为电极材料的电化学性能.研究结果表明:PANI/CNF复合材料具有粗糙的毛刺结构,PANI沿碳纳米纤维均匀分布;PANI/CNF电极氧化还原反应的可逆性良好;在100mA·g-1电流密度下,当PANI含量为44.4%(w)时,复合材料比电容量高达587.1F·g-1,比能量为66.1Wh·kg-1,电流密度为800mA·g-1时比功率可达1014.2W·kg-1;在5A·g-1的电流密度下,1000次循环充放电后,复合材料的比电容量衰减28%.PANI/CNF复合材料具有良好的导电性和快速充放电能力,是一种优良的超级电容器电极材料.     

氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能

以FeCl₃-甲基橙(MO)为模板, 通过化学原位聚合法成功制备出氧化石墨烯/聚吡咯(GO/PPy)插层复合材料. 采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等测试技术对复合材料进行物性表征. 此外, 利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗测试方法对复合材料在两种不同水系电解液(1 mol·L^-1 Na₂SO₄和1 mol·L^-1 H₂SO₄)中的电化学性能进行了研究. 结果显示: 氧化石墨烯和聚吡咯表现出各自优势并发挥协同作用, 使得GO/PPy插层复合材料在中性和酸性电解液中都显示出可观的比电容. 电流密度为0.5 A·g^-1时, GO/PPy 插层复合材料在Na₂SO₄和H₂SO₄电解液中的比电容分别为449.1 和619.0 F·g^-1, 明显高于纯PPy的比电容. 经过800 次循环稳定性测试后, 两种不同电解液中, 复合材料初始容量的保持率分别为92%和62%. 其中酸性电解液体系中初始容量更大, 而中性溶液中具有更稳定的循环性能.     

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.     

Synthesis of Monoclinic Li_(0.33)MnO_2 and Its Electrochemical Properties in Different Potential Windows

Li0.33MnO2 cathode material was synthesized by solid state reaction. The material showed a small coherent domain size about 10 nm determined by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The electrochemical properties of the material were studied in different potential windows of 3.5―2.0 V and 4.3―2.0 V. An irreversible transformation to spinel phase was observed in the initial several cycles, which was more prominent on cycling at 4.3―2.0 V. Electrochemical impedance spectroscopy showed that the Li+ diffusion coefficient of the material was about 2×10–9 cm2/s. Li0.33MnO2 showed a reversible discharge capacity of 140 and 200 mA·h/g in the potential windows of 3.5―2.0 V and 4.3―2.0 V, respectively. But the capacity retention at 4.3―2.0 V was poor due to the thicker spinel layer formed on the material surface.     

硫/碳纤维复合膜的制备及电化学性能

采用热丝化学气相沉积法先在铁箔上沉积了致密的碳纤维膜,后通过加热渗硫法制得硫/碳纤维复合膜,并将其用作锂硫电池正极材料。通过扫描电子显微镜和X射线衍射表征膜的形貌和结构,采用恒流充放电法和阻抗测量法测试复合膜的电化学性能。结果表明,随热丝与铁箔基底间距减小,碳纤维膜致密度先升高后降低;随H2与(Ar+C3H6O)的体积流量比减小,碳纤维膜致密度升高。当丝基距为6 mm,流量比为30/40时,铁箔上沉积了厚度为50μm的致密碳纤维膜,其中碳纤维有良好的垂直取向性和较高结晶度。在硫/碳纤维复合膜正极中,密集的碳纤维形成均匀分布且垂直取向性良好的导电骨架,当电流密度为0.4 mA.cm-2时,硫/碳纤维复合膜正极的初次放电比容量为1 128 mAh.g-1,50次循环后的放电比容量为811 mAh.g-1。     

不同形貌的ZnMn复合氧化物制备及电化学性能研究

通过简单共沉淀法和高温煅烧制备了不同形貌的ZnMn复合氧化物,并将其作为铝空气电池空气电极催化剂。采用XRD和SEM等手段表征其物相结构、形貌,同时采用阴极极化曲线、交流阻抗、塔菲尔曲线和恒电流放电等电化学测试手段,研究了三种不同形貌的ZnMn复合氧化物作为催化剂在铝空气电池中的性能。结果表明：球形ZnMnO3作为铝空气电池催化剂较不规则絮状和刺球形,表现出更好的催化性能、氧还原性能、导电性能和更高的放电电压平台。     

Au@PS纳米颗粒掺杂PDMS/(PVDF-TrFE)复合薄膜的制备及介电-疏水性能

结合乳液聚合和还原法在250 nm的聚苯乙烯(PS)微球表面均匀负载了Au纳米颗粒.通过溶液共混法,使Au@PS纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷(PDMS)/聚偏氟乙烯-三氟乙烯[P(VDF-TrFE)](质量比为2∶3)均匀混合,制备出结构致密、Au@PS均匀分布的微突起的复合薄膜.研究了不同Au@PS纳米颗粒掺杂量对复合薄膜的结构、熔融结晶行为和介电疏水特性的影响.研究发现,Au@PS纳米颗粒的引入阻碍了P(VDFTr FE)的β相的产生,但对PDMS/P(VDF-TrFE)复合薄膜的化学健结构没有显著影响;随着Au@PS纳米颗粒含量的增多,复合薄膜结晶温度和玻璃化转化温度升高,熔点略有降低.由于界面极化和微电容效应协同作用,掺杂Au@PS复合薄膜的介电常数有显著提升.PS球表面均匀负载的Au纳米颗粒减少了导电网络的构成,使介电损耗维持在较低值.掺杂5%(质量分数) Au@PS的复合薄膜介电常数达到22(100 Hz),分别为纯PDMS和PDMS/P(VDF-TrFE)的8. 8倍和3. 14倍,同时具有优异的疏水特性,接触角达到112. 31°.     

N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能

通过高温碳化聚吡咯纳米管制备了氮掺杂碳纳米管(N-CNTs), 并采用共沉淀法将镍钴层状双氢氧化物(NiCo-LDH)原位生长在N-CNTs上, 制备出具有三维互联网状结构的N-CNTs/NiCo-LDH复合材料. 研究了镍钴摩尔比对N-CNTs/NiCo-LDH复合材料形貌结构和电化学性能的影响. 结果表明, 当镍钴摩尔比为1∶2时, N-CNTs/Ni₁Co₂-LDH具有最佳的电化学性能. 在1 A/g电流密度下, 其比电容可达1311.8 F/g; 当电流密度为 10 A/g时, 电容保持率高达88.3%, 展现出优异的倍率性; 在经过2500次循环后, 电容保持率仍可达76.4%, 具有良好的循环稳定性.由N-CNTs/Ni₁Co₂-LDH与活性炭(AC)电极所构建的N-CNTs/Ni₁Co₂-LDH//AC水系混合型超级电容器, 在750 W/kg功率密度下, 具有27.19 W·h/kg的高能量密度.