钠离子电池碳负极材料的研究进展

钠离子电池具有资源丰富和成本低等优势,在大规模储能领域受到广泛的关注.开发具有高比容量和长循环稳定性的电极材料是钠离子电池走向应用的关键.碳材料作为钠离子电池的负极材料,具有可调控性高与稳定性好等优势,具有应用潜力.目前,研究较为广泛的碳材料主要包括石墨、无定形碳、杂原子掺杂碳、生物质合成碳,但这些碳负极材料存在着钠-...     

电化学储钠材料的研究进展

大规模储能的二次电池不仅需要具有适宜的电化学性能,更需考虑资源、成本和环境效益等应用要求. 锂离子电池储能的大规模应用也将受到制约. 从资源与环境方面考虑,钠离子电池作为储能电池更具应用优势. 然而,从目前的技术现状来看,几类不同的嵌钠正极材料虽显现出可观的嵌钠容量与较好的循环性,但能量密度与功率密度尚待提高. 硬碳材料和合金负极最有希望用于钠离子电池,这类材料的初始充放电效率和循环稳定性仍有待改善. 本文简要分析了锂离子电池与钠离子电池在材料要求方面的差异,回顾了近年来钠离子电池材料探索中的突破性进展,并主要结合本课题组的研究工作讨论了钠离子电池及其关键材料的发展方向.     

锂离子电池预锂化补锂策略研究进展

锂离子电池(LIBs)因高能量密度和长循环寿命而被广泛用于储能电子产品、电动汽车等众多领域。然而,在锂离子电池首次充放电过程中,固体电解质界面(SEI)膜的形成会造成电解液发生不可逆分解、初始活性Li⁺损失(ALL)和不可逆容量损失,会影响电池体系容量和能量密度的发挥,对于硅基负极电池体系而言尤为显著。基于这一问题,亟需开发各种补锂策略来降低活性锂损失,有效提高电池体系的首次库仑效率(ICE),从而实现更高的能量密度和循环稳定性。结合现阶段所做工作,从正负极角度出发,将预锂化补锂策略分为正极预锂化和负极预锂化,主要包括富锂正极材料、富锂预锂化试剂、惰性锂金属粉、含锂有机溶液等一系列预锂化补锂措施。通过系统的分类、比较与总结后,对预锂化以实现电池的高能量密度和长循环寿命提出建议,有助于为预锂化策略走向商业化提供启示。     

室温钠离子电池关键材料研究进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、价格低廉在大规模储能领域有着重要应用前景. 然而,钠离子相对锂离子较大的半径和质量限制了它在电极材料中的可逆脱嵌,导致其电化学性能不佳. 因此研发稳定、高效储钠的高比能电极材料是钠离子电池实用化的关键. 另外,进一步优化与电极材料相匹配的电解质来实现高安全、长寿命钠离子电池的构建,推动其商业化进程,也是迫切需要解决的问题. 本文主要对室温钠离子电池关键材料（包括正极、负极和电解质材料）的研究进展进行简要综述,并探讨了其面临的困难及可行的解决方案,为钠离子电池的发展提供一定参考依据.     

非水溶剂Li-O_2电池锂负极研究进展（英文）

非水溶剂Li-O_2电池因其高的理论能量密度,近年来备受关注。非水溶剂Li-O_2电池的典型结构为金属锂负极、含Li+的非水溶剂电解液和多孔氧气正极。目前,多数Li-O_2电池研究集中在正极的氧气电极反应;金属锂负极极强的还原性导致的副反应使Li-O_2电池中的化学和电化学反应变得更为复杂。因为,电解液和从正极扩散来的O_2都会与金属锂发生反应;锂负极上生成的副反应产物同样会扩散到正极一侧,干扰正极的O_2反应。此外,锂负极上可能生成锂枝晶,降低电池的安全性能,进而阻碍Li-O_2电池的实用化。因此,研究并解决锂负极的电化学稳定性和安全问题迫在眉睫。本文综述了近年来国内外在非水溶剂Li-O_2电池锂负极保护和修饰方面的最新研究进展,包括:可替代的对/参比电极的选择、电解液和添加剂、复合保护层与隔膜的研究、先进实验技术的开发与应用、并针对未来非水溶剂Li-O_2电池的发展进行了展望。     

高比能锂-硫电池研究进展

随着全球经济快速发展对高效绿色能源需求的不断增长,锂-硫电池因具有较高的能量密度,成为了下一代高能量密度二次电池研发的重点.然而,锂-硫电池面临的循环寿命短、库仑效率低、安全性能差、较高自放电等问题,使其目前还很难实现商品化.锂-硫电池存在的这些问题主要与正极活性硫材料的高绝缘性、放电过程中产生的多硫化物溶解于电解液、硫正极在充放电过程中的体积膨胀与收缩、以及锂负极支晶化等有关.通过从锂-硫电池硫复合正极、电解液、黏结剂和负极等4个方面综述了高比能锂-硫电池的最新研究进展,其中重点介绍了硫正极复合材料的进展情况.     

钠离子电池合金化负极材料研究及应用进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、分布广泛、价格低廉的优势在大规模储能领域具有重要的应用前景,可与锂离子电池形成优势互补.负极材料是电池化学的关键组成,其能量密度、使用寿命等直接影响着电池性能.合金化材料具有理论比容量高、工作电压适宜等优势,被认为是一类有应用潜力的储钠负极.然而,这类材料发生合金化反应时体积膨胀严重,电极材料易粉化脱落,造成电化学稳定性欠佳.目前,主要通过材料微纳结构设计、界面化学调控、碳材料复合、表面包覆、电解液优化等方法来改善其电化学性能.本文综述了合金化负极材料的最新研究进展,探讨了其发展面临的瓶颈以及解决方案,介绍了基于合金化负极的钠离子全电池构筑策略和应用实例,为高性能钠离子电池的发展提供一定参考依据.     

掺杂对钠离子电池正极材料性能影响机制的研究

钠元素在地壳中的丰度是锂元素的1000倍,资源丰富,价格低廉。同时,钠离子电池负极可采用廉价的铝箔替代铜箔,且低温特性更加优异,在能量型、备用型储能场景均具有较好应用前景,因而钠离子电池被认为是下一代大规模储能技术的理想选择之一。然而,相对锂离子而言,钠离子较大的离子半径和质量极大限制了其在电极材料中的可逆脱嵌,导致电池的工作电压和能量密度相对较低。在钠离子电池材料体系中,正极材料的研究尤为需要长足的进步。本文对现有的典型钠离子电池正极材料进行了综述,包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物,并重点分析了掺杂对钠离子电池正极材料性能的影响。通过元素掺杂可提高材料的循环可逆性、增加其可逆容量、提升钠离子扩散动力学性能,能够在一定程度上改变晶格的性质,增强晶格稳定性、电子导电性、钠离子嵌脱动力学性能等。本文总结了掺杂应用在现有材料中获得的成果,并对正极材料未来的研究方向以及发展前景提出了展望。     

钠离子储能电池关键材料

钠离子电池是一种新型电化学电源,具有原材料资源丰富、成本较低、比容量和效率较高等优点,较为符合规模化储能应用要求,在提升大规模可再生能源并网接入能力、提高电能使用效率和电能质量方面具有应用潜力。在这一背景下,钠离子电池近年来引起全世界范围内的广泛关注,关键材料和相关技术研究进展迅速。本文从钠离子电池的负极材料和正极材料两方面对近年来的主要研究工作进行综述,同时简略介绍了与之匹配的电解质体系的研究进展,讨论了当前面临的主要技术关键点和难点,并尝试对我国科研和产业工作者在该领域的研究工作提出一些建议。     

钠离子电池关键材料研究及应用进展

钠离子资源丰富,分布广泛,价格低廉,因而钠离子电池被认为是下一代大规模储能技术的理想选择之一. 然而,钠离子较大的半径和质量不利于它与电极材料的可逆反应. 开发能够快速、稳定储钠的基质材料是提升钠离子电池性能的关键之一. 此外,如何合理地优化电解质,匹配正负极材料,以实现高性能、高安全、低成本钠离子全电池的构建,切实将其推向市场,也是亟待解决的问题. 本文综述了国内外钠离子电池关键材料（包括正极材料、负极材料和电解质）的研究进展,介绍了一些具有代表性的钠离子全电池实例. 对钠离子电池的基础研究和实际应用具有一定参考价值和借鉴意义.     

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

Na-ion batteries (SIBs) are promising alternatives for Li-ion batteries owing to the natural abundance of sodium resources and similar energy storage mechanisms. Although significant progress has been achieved in research on SIBs, there remain several challenges to be addressed. One of the major challenges in the construction of high-performance SIBs is the development of suitable anode materials with a large reversible capacity, high cycling stability, and good rate performance. Alloying anode materials mainly composed of elements from Groups IVA and VA, as well as their alloys, have attracted widespread attention because of their low working voltage, high cost-effectiveness, and large theoretical capacity. Alloying-type anode materials can be alloyed with metallic Na to achieve large reversible capacities, ensuring a high energy density. Antimony is a promising anode material for SIBs owing to its high theoretical specific capacity (660 mAh·g⁻¹, corresponding to the full sodiation Na₃Sb alloy), small degree of electrode polarization (~0.25 V), appropriate Na⁺ deintercalation potential (0.5–0.75 V), low price, and environmental friendliness. However, an important challenge for using Sb-based anode materials is that the high specific capacity is accompanied by large volume changes during cycling. Such changes lead to the pulverization of the active materials and their falling off from the collector, which significantly limit their large-scale application in the field of sodium-ion batteries. Therefore, mitigating the volume expansion issue of Sb-based anode materials in the charge-discharge process is very important for the design of high-performance SIBs. In recent years, researchers have attempted to address this issue by designing special structures to prepare various composites, and substantial progress has been achieved in improving the electrochemical performance of SIBs. In this review, the relationship between the structure and properties of Sb-based materials and their applications in SIBs are presented and discussed in detail. The latest research progress on using Sb-based anode materials for SIBs in redox reaction mechanisms along with their morphology design, structure-performance relationship, etc. have been reviewed. The main objective of this review is to explore the determining factors of the performance of Sb-based anode materials to propose suitable modification strategies for improving their reversible capacity and cycle stability. Finally, future developments, challenges, and prospects of Sb-based anode materials for SIBs are discussed. Despite several challenges, Sb-based materials are very promising anode materials for SIBs with alloying reaction mechanisms. To further improve the large-scale application of Sb-based anode materials, it is necessary to optimize the binder, electrode structure, and electrolyte composition. The combination of in-depth studies on the electrochemical reaction mechanisms and advanced characterization technologies is important for the development and construction of advanced Sb-based anode materials for SIBs. Finally, to achieve extensive large-scale applications, it is necessary to further explore environmentally friendly, low-cost, and controllable synthetic technologies to prepare high-performance Sb-based anode materials. This review provides specific perspectives for the construction and optimization of Sb-based anode materials and suggests scope for future work on Sb-based anode materials, thereby promoting the rapid development and practical application of SIBs.      

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

锑(Sb)具有高的理论比容量、较小的电极极化、合适的Na⁺脱嵌电位、价格低廉以及环境友好的优势,而成为一种具有较大应用前景的钠离子电池负极材料。但是,Sb基负极材料的一个重要挑战是在循环过程中高比容量伴随着大的体积变化,进而导致活性材料粉化,并从集流体上脱落,这大大限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。因此,如何解决Sb基负极材料充放电过程中体积膨胀问题对于高性能的钠离子电池设计是至关重要的。本文详细综述和讨论了Sb基材料的结构-性能关系及其在钠离子电池中的应用,详细介绍了钠离子电池Sb基负极材料在氧化还原反应机理、形貌设计、结构-性能关系等方面的最新研究进展。本综述的主要目的是探讨影响Sb基负极材料性能的决定因素,从而提出有前途的改性策略,以提高其可逆容量和循环稳定性。最后,对Sb基钠离子电池负极材料的未来发展、面临的挑战和前景进行了展望。本文可为Sb负极材料的构建和优化提供具体的观点,阐明了Sb基负极材料未来的发展方向,从而促进钠离子电池的快速发展和实际应用。     

Methods of improving the initial Coulombic efficiency and rate performance of both anode and cathode materials for sodium-ion batteries

Sodium-ion batteries(SIBs) have gained more scientists’ interest, owing to some facts such as the natural abundance of Na, the similarities of physicochemical characteristics between Li and Na. The irreversible Na+ions consumption during the first cycle of charge/discharge process(due to the formation of the solid electrolyte interface(SEI) on the electrode surface and other irreversible reactions) is the factor that determines high performance SIBs and largely reduces the capacity of the full c...     

钠离子电池电极材料的设计策略——固态离子学视角

钠离子电池是目前最有前景及可行性的新兴储能候选体系。对于钠离子电池而言，如何实现其电极材料的理性设计及构筑，是重要的科学问题。本文立足于钠离子/电子输运这一核心问题，从固态离子学视角探讨钠离子电池电极材料的设计策略。首先，对于体相电极材料，输运特性的明晰、调控以及缺陷化学模型的建立，是传统电极材料开发的关键。其次，对于纳米电极材料，随着尺寸的减小，电极材料的热力学性质、动力学特性以及钠离子微观储输机制都会发生相应变化，因此从纳米离子学视角，以尺寸效应调控电极材料具有重要的科学价值及现实意义。最后，无论对于体相材料还是纳米材料，从材料的本征输运特性出发，通过电化学电路的设计和构筑来优化电极动力学，可以为钠电电极材料的理性设计及可控制备提供理论指导。我们相信，通过本文系统地对钠离子电池电极材料设计策略的梳理，必将对钠离子电池的开发，提供有意义的指导，并为最终的产业化打下良好的基础。     

原位透射电镜研究正交相五氧化二铌纳米片的电化学储钠机制

由于正交相五氧化二铌(T-Nb₂O₅)为ReO₃型层状结构,锂、钠离子可以在其(001)平面快速脱嵌,而在[001]方向的传输一般较难。本研究通过原位透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)方法研究钠在T-Nb₂O₅纳米片(001)面内及[001]方向的钠离子电化学嵌入行为,发现由于纳米片晶体存在大量的位错和畴界,钠离子可通过这些缺陷穿越(001)面扩散,并进而在深层的(001)面内快速扩散。同时,本研究还发现刚合成的T-Nb₂O₅纳米片在[001]方向上存在调制结构,存在交替分布的压应变和张应变区域,而钠离子的嵌入可以调节这些应变分布。     

电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na⁺的去除与Cl^-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl^-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。     

三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极

金属锂具有超高的理论容量(3860 mAh·g^-1)和低氧化还原电位(-3.04 V vs.标准氢电极),是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料。然而,循环过程中的体积膨胀、锂枝晶生长和“死锂”等问题严重的限制了其实际应用。合理设计三维骨架调控金属锂的成核行为是抑制锂枝晶生长的有效策略。本文中,我们发展了一种“软硬双模板”的方法合成了兼具大孔和介孔的三维碳-碳化钛(Three-dimensional macro-/mesoporous C-TiC,表示为3DMM-C-TiC)复合材料。多级孔道为金属锂的沉积提供了足够的空间,缓冲充放电中巨大的体积变化。此外,TiC的引入显著增强多孔骨架的导电性,改善锂金属的成核行为,促进金属锂的均匀成核和沉积,抑制锂枝晶生长。3DMM-C-TiC||Li电池测试表明,在循环300圈以后,库伦效率仍保持在98%以上。此外,所得材料与LiFePO₄ (LFP)组成的全电池也表现出优异的倍率和循环性能。本工作为无枝晶锂金属负极的设计提供了新的思路。     

锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^-1)以及合适的脱锂电位(< 0.5 V),且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好,被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而,SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%),易导致材料颗粒粉化、脱落,严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来,人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发,阐述了该材料面临的主要瓶颈问题;继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面,系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略,并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳,最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。     

Fabricating multi-porous carbon anode with remarkable initial coulombic efficiency and enhanced rate capability for sodium-ion batteries

Due to the abundant sodium reserves and high safety, sodium ion batteries (SIBs) are foreseen a promising future. While, hard carbon materials are very suitable for the anode of SIBs owing to their structure and cost advantages. However, the unsatisfactory initial coulombic efficiency (ICE) is one of the crucial blemishes of hard carbon materials and the slow sodium storage kinetics also hinders their wide application. Herein, with spherical nano SiO₂ as pore-forming agent, gelatin and polytetrafluoroethylene as carbon sources, a multi-porous carbon (MPC) material can be easily obtained via a co-pyrolysis method, by which carbonization and template removal can be achieved synchronously without the assistance of strong acids or strong bases. As a result, the MPC anode exhibited remarkable ICE of 83% and a high rate capability (208 mAh/g at 5 A/g) when used in sodium-ion half cells. Additionally, coupling with Na₃V₂(PO₄)₃ as the cathode to assemble full cells, the as-fabricated MPC//NVP full cell delivered a good rate capability (146 mAh/g at 5 A/g) as well, implying a good application prospect the MPC anode has