电化学储能研究22年回顾

本文回顾了22年来作者的电化学储能研究活动,共分三个部分. 第一部分叙述高比能量、高比功率储能器件研究,包括锂硫电池研究（硫复合正极材料、锂硫电池制作、锂硼合金作为锂硫电池负极、硫-锂离子电池新体系）、超级电容器研究（超级活性炭、以酚醛树脂为原料制备电容炭、碳纳米管阵列中寄生准电容储能材料、氧化镍干凝胶准电容储能材料、归纳出电容炭材料的性能要求、电容器研制、确定“第四类”超级电容器）、锂离子电池研究（锂离子电池与可再生燃料电池的对决、双变价元素正极材料、磷酸钴锂正极材料、高功率锂离子电池的制作）. 第二部分叙述规模储能电池研究,包括液流电池新体系研究（蓄电与电化学合成的双功能液流电池、全金属化合物单液流电池、有机化合物正极的单液流电池）、致力于振兴铅酸电池（推广铅蓄电池新技术、铅炭电池的研究、铅酸电池新型板栅的研究）,储能电池（站）的经济效益计算方法. 第三部分叙述电动汽车发展路线研究,包括氢能燃料电池电动汽车、纯电动汽车与混合动力汽车、对我国电动汽车发展路线的建议、力争电动汽车补贴的合理化、坚守电动汽车“节能减排”宗旨、提出“发电直驱电动车”. 最后的结束语谈了三点感悟.     

新型超级电容器的研发进展

传统超级电容器受低能量密度的限制,在当今器件研发中需更加关注电极材料结构-组成-性能研究。 本文总结了新型赝电容器的发展历程及其研发过程中存在的挑战与解决措施,着重从胶体离子超级电容器电极材料等新型的电极材料和氧化还原电解质两个方面进行综述。 原位合成的胶体离子超级电容器电极材料比非原位合成的电极材料具有更高的反应活性,并且以近似离子的状态存在,有效增加了电极材料的比容量。 氧化还原电解质的使用在不改变电极材料的前提下,进一步提高了超级电容器的能量密度。 初步介绍了新型锂离子电容器。 锂离子电容器同时使用电池型材料和电容型材料,可提高其能量密度。 依据当前超级电容器的研发现状,未来有望将电池材料和电容器材料结合使用,进而形成电池电容器或电容电池,使其同时具有高的能量密度和功率密度。     

低聚离子液体的体相与界面及其电化学储能应用

近年来,随着单阳离子液体的发展,新型低聚物离子液体被合成并应用。这类离子液体可看作是由几个重复的单阳离子组合而成,可以通过改变阳离子带电基团、间隔连接的长度或种类、末端链的长度以及阴离子种类来获得更多不同的结构。因此,低聚离子液体有更复杂的微观结构和内部相互作用,决定了其多特征的物化性质和电化学特性,有望满足更多对溶剂性能有特定要求的应用。例如,与单阳离子液体相比,低聚离子液体具有更大的可调节性、更宽的液态温度范围、更高的热稳定性等优点,使其在电化学储能设备中得到越来越多的应用,如用作超级电容器和锂离子电池的电解液。在本综述中,我们系统地总结并详细解释了低聚离子液体的性质和结构（包括单个离子的结构和本体液内部的纳米组织）之间的关联,主要是双阳离子液体和三阳离子液体;概括了低聚离子液体作为超级电容器和锂离子电池的电解液的相关研究,重点阐述了由低聚离子液体和不同类型电极组成的双电层的结构和性能,以及与相应单阳离子液体电解液的比较结果;提供了降低低聚离子液体粘度和加速离子扩散的优化措施,提出了低聚离子液体电解液未来可能面临的主要问题和发展前景。     

石墨炔在电化学储能器件中的应用

当今社会,电化学储能器件在人类的社会活动中变得越来越重要。电极材料作为电化学储能器件的核心部分,一直是人们研究的焦点。石墨炔是一种新型的二维平面结构的全碳材料,它宽的层间距、大的比表面积、独特的三维孔隙结构和好的导电性使其在能源存储器件电极材料应用中具有巨大的潜力。基于石墨炔温和的制备方法与独特的结构特征,本文详细介绍了近年来石墨炔在储能方面的理论分析和实验进展。通过研究锂/钠在单层、多层石墨炔上的迁移率和存储,理论分析石墨炔基电池具有很好的储锂储钠性能。实验方面,石墨炔作为电极材料在储钠储锂方面的容量与理论值相近。此外石墨炔作为电极材料成功应用于超级电容器和金属-硫电池,并表现出了优异的容量存储性能。石墨炔纳米形貌的调控、石墨炔的热处理,以及异原子的掺杂等均可以有效地提高石墨炔在这些储能器件中的性能。     

基于无机电致变色材料的变色储能器件

电致变色和电化学储能的原理均是基于电荷在电极中的嵌入或脱出而发生的氧化还原反应,具有相同的电化学本质。将电致变色和电化学储能功能集成在一起的电化学器件即电致变色储能器件。以锂离子电池为代表的电化学储能器件已广泛商业化,单一功能的电致变色器件也已被广泛报道并有商业化应用,但有关电致变色储能器件的研究仍然停留在实验阶段。该类器件在电化学储能的同时,可以改变其在可见光甚至红外波段的透射率,并可用颜色指示器件的荷电状态,为电化学器件提供新的应用前景。电致变色储能器件主要包括电致变色超级电容器、电致变色电池和光驱动电致变色智能窗等。电致变色超级电容器和电致变色电池以同时具有电致变色效应和电荷存储性质的材料为正负电极,光驱动电致变色智能窗则还包括将光能转化为电能的光电转换部分。这些器件可用于建筑节能智能窗、静态显示、智能传感等。此外,在柔性基底上制备的可穿戴电致变色储能器件在智能服装、植入显示器和电子皮肤等方面具有应用潜力。本文从基本原理、研究进展和应用领域等方面对无机电致变色储能材料与器件进行综述,并提出未来的研究展望。     

绿色电化学储能器件超级电容器的实验设计与实践*

以超级电容器实验为例,将绿色化学科学研究转化为实验教学的基本设计思路,学习双电层电容器和法拉第准电容器的工作原理、组装及性能测试方法(循环伏安法和恒流充放电法),分析循环伏安曲线、比电容、能量密度和功率密度,总结2者的不同。实践结果表明:电化学基础和科学研究的成功联通,让学生对电化学概念和原理有了更深刻的理解,并获得关于清洁能源储存器件的实践经验,同时也增强了学生的绿色化学素养。     

具有高效电化学储能的中空网状笼还原氧化石墨烯

通过ZnO模板辅助电沉积法制备了中空网状笼还原氧化石墨烯,具有纳米管、多孔结构、网状结构和3D微米中空笼等多层次架构. 这样的结构能够同时促进电化学活性物种的传输,提高电极材料的利用率,以及提升超级电容器性能. 该类中空网状笼还原氧化石墨烯做超级充电器电极材料时表现出了优良的电化学性能,研究结果显示,在1.0 A•g^-1时比电容达到393 F•g^-1. 而且当电流密度从1.0 A•g^-1增加到20 A•g^-1,电容仅衰减了21.2%,10000周循环后比电容损失小于1%,表明具有优异的电容稳定性.     

胶体离子超容电池体系中的尺度与反应

寻求兼具高能量密度和高功率密度的储能器件是电化学储能领域一直以来的发展目标,也是应对全球能源危机发展可再生能源的有效举措.胶体离子超容电池体系基于电极材料水平上的创新,将电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度及长循环寿命集结于一体,是极具发展前景的一种新型储能体系.胶体离子超容电池体系的优异电化学性能源于其活性物质的多尺度与反应特性,这要求从微观上的化学尺度到宏观上的器件系统尺度对整个电化学单元实现多尺度调控以及复杂的原位耦合反应设计.在前期工作的基础上,从尺度和反应两个重要方面重新审视胶体离子超容电池体系产生优异电化学性能的本质.     

液态金属电极的电化学储能应用

液态金属电极电导率高,电极界面容易构建,在充放电过程中可有效避免电极结构形变、枝晶生长等问题,在储能电池领域具有重要应用价值. 本文主要讨论了液态金属电极在液态金属电池、钠硫电池和ZEBRA电池中的应用进展,重点介绍了液态金属电池关键材料体系、充放电机制及电池构型等,评述了液态金属电极储能应用中涉及的熔盐电解质、固态陶瓷隔膜、多场影响因素等方面的重要研究进展,分析了高温密封、腐蚀防护等关键问题,明确了液态金属电极在储能电池应用中的发展方向.     

Colloidal Supercapattery: Redox Ions in Electrode and Electrolyte

Redox chemistry is the cornerstone of various electrochemical energy conversion and storage systems, associated with ion diffusion process. To actualize both high energy and power density in energy storage devices, both multiple electron transfer reaction and fast ion diffusion occurred in one electrode material are prerequisite. The existence forms of redox ions can lead to different electrochemical thermodynamic and kinetic properties. Here, we introduce novel colloid system, which includes multiple varying ion forms, multi‐interaction and abundant redox active sites. Unlike redox cations in solution and crystal materials, colloid system has specific reactivity‐structure relationship. In the colloidal ionic electrode, the occurrence of multiple‐electron redox reactions and fast ion diffusion leaded to ultrahigh specific capacitance and fast charge rate. The colloidal ionic supercapattery coupled with redox electrolyte provides a new potential technique for the comprehensive use of redox ions including cations and anions in electrode and electrolyte and a guiding design for the development of next‐generation high performance energy storage devices.     

木质素多孔碳材料在电化学储能中的应用

木质素可再生资源成本低、含碳量高、芳香度高和易集中收集,被认为是具备潜力大规模工业化制备新型多孔碳材料的重要碳质原料之一,对缓解化石资源消耗及可持续发展具有重大的意义。多孔碳材料具有较高的电导率、较高的比表面积、丰富的孔道结构及良好的稳定性等特点,作为储能材料有广阔的应用前景。本文介绍了模板法、活化法及水热法制备木质素多孔碳材料的国内外最新研究进展,详细总结了不同热解工艺参数对木质素多孔碳材料微观结构的影响规律,重点阐述了其作为锂离子电池、钠离子电池和超级电容器电极材料的研究进展。针对功能化木质素多孔碳材料制备工艺复杂及储能性能差等瓶颈问题,提出离子/电子扩散动力学的优化、多种储能机制的协同作用和绿色、简便制备工艺的开发等研究策略,指出研发先进炭化技术构筑合理分级孔径结构,精准调控适宜层间距且高度有序排列碳层、功能化改性表面微环境及直接构建炭化工艺参数与电化学性能之间的因效关系是制备高储能性能木质素多孔碳材料的未来研究方向。     

TMDs beyond MoS2 for Electrochemical Energy Storage

Atomically thin sheets of two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) have attracted interest as high capacity electrode materials for electrochemical energy storage devices owing to their unique properties (high surface area, high strength and modulus, faster ion diffusion, and so on), which arise from their layered morphology and diversified chemistry. Nevertheless, low electronic conductivity, poor cycling stability, large structural changes during metal-ion insertion/extraction along with high cost of manufacture are challenges that require further research in order for TMDs to find use in commercial batteries and supercapacitors. Here, a systematic review of cutting-edge research focused on TMD materials beyond the widely studied molybdenum disulfide or MoS₂ electrode is reported. Accordingly, a critical overview of the recent progress concerning synthesis methods, physicochemical and electrochemical properties is given. Trends and opportunities that may contribute to state-of-the-art research are also discussed.     

双金属MOFs及其衍生物在电化学储能领域中的应用

双金属有机骨架及其衍生物一方面具有单金属有机骨架孔道丰富、比表面积大、结构可调、活性位点丰富等特点,另一方面具有双组分与多孔结构之间的协同效应,因而受到了研究人员的密切关注,在储能、催化、分离、传感器、医药、气体存储等领域广泛应用。和单金属MOFs类似,双金属MOFs的导电性不佳、结构易坍塌,这极大地限制了其在电化学储能中的应用。通过对双金属MOFs进行热处理,易得到分布均匀的多孔碳@双金属氧化物/硫化物/磷化物/硒化物等衍生物,不仅保持了独特的多孔结构,而且提高了材料的导电性和结构稳定性,有利于在电化学储能中的应用。因此,本文从双金属MOFs中的主要金属离子入手,综述了双金属MOFs及其衍生物用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、金属空气电池等电化学储能器件的最新应用进展。在此基础上,总结了双金属MOFs在电化学储能应用中的优势,并对其制备、作用机理和后处理研究提出了建议。     

基于玉米秸秆合成的多孔生物质炭材料及其电化学储能

以玉米秸秆为原料,合成了高比表面积(2167 m²/g)的多孔生物质炭材料。 优化实验条件即可获得性能最佳的生物质炭电极材料,其在电流密度为1 A/g时的比电容高达390 F/g。 更重要的是,以所得最佳多孔生物质炭为电极材料,3 mol/L 的KOH溶液为电解质,组装了液相对称超级电容器。 该超级电容器在功率密度为818 W/kg时,其能量密度高达7 Wh/kg,在循环10000圈后的电容保持率为91.1%。 同时,将两个这种超级电容器串联充电之后,能够点亮15个LED灯并驱动小风扇正常工作。 这些结果表明,将基于玉米秸秆的多孔生物质炭作为先进电极材料应用于超级电容器具有较大的实际应用价值。     

MXene-Based Nanocomposites for Energy Conversion and Storage Applications

Novel nanomaterials and advanced nanotechnology continuously push forward the rapid development of sustainable energy conversion and storage equipment. An emerging family of two-dimensional transition-metal carbides, nitrides and carbonitrides, also known as MXenes, have attracted increasing attention and in depth investigation. Benefitting from their unique intrinsic properties, MXenes have attracted significant attention and they have been considered as promising candidate materials for the development of environmentally friendly energy resources. A large number of studies show that MXenes have great potential in energy conversion and storage fields. Despite of their exceptional properties, MXenes also have some inherent characteristics, such as low capacities and unstable retention performances, which severely hinder their prospect applications in energy conversion and storage fields. In this Minireview, the latest progress on MXenes and their hybrid composites with small molecules, polymers, carbon or metal ions, and their applications in energy conversion and storage fields is highlighted, including their use in different types of batteries, supercapacitors, hydrogen/oxygen evolution reactions, electromagnetic interference absorption/shielding and solar steam generation. In addition, the critical challenges and further development prospects of MXene-based materials are also introduced.     

Conductive Microporous Covalent Triazine‐Based Framework for High‐Performance Electrochemical Capacitive Energy Storage

Nitrogen‐enriched porous nanocarbon, graphene, and conductive polymers attract increasing attention for application in supercapacitors. However, electrode materials with a large specific surface area (SSA) and a high nitrogen doping concentration, which is needed for excellent supercapacitors, has not been achieved thus far. Herein, we developed a class of tetracyanoquinodimethane‐derived conductive microporous covalent triazine‐based frameworks (TCNQ‐CTFs) with both high nitrogen content (>8 %) and large SSA (>3600 m² g^?1). These CTFs exhibited excellent specific capacitances with the highest value exceeding 380 F g^?1, considerable energy density of 42.8 Wh kg^?1, and remarkable cycling stability without any capacitance degradation after 10 000 cycles. This class of CTFs should hold a great potential as high‐performance electrode material for electrochemical energy‐storage systems.