用于全固态锂电池的有机-无机复合电解质

固态电解质被认为是解决传统液态锂金属电池安全隐患和循环性能的关键材料,但仍然存在离子电导率低,界面兼容性差等问题.设计兼顾力学性能、离子电导率和电化学窗口的有机-无机复合型固态电解质材料是发展全固态锂电池的明智选择.近年来,基于无机填料与聚合物电解质的有机-无机复合电解质备受关注.设计与优化复合电解质结构对提高复合电解质综合性能具有重要意义.本文详细梳理了有机-无机复合固态电解质在全固态锂电池中展现的多方面优势,从满足不同性能需求的复合电解质结构设计角度出发,综述了有机-无机复合电解质在锂离子传导、锂枝晶的抑制、界面稳定性和相容性等方面的研究进展,并对有机-无机复合电解质的未来发展趋势和方向进行了展望.     

磷酸铁锂正极材料的研究进展

锂离子电池正极材料磷酸铁锂(LiFePO4)的理论比容量为170mAh·g-1,电压平台为3.5V(vs.Li/Li+),安全性好,原材料来源丰富,成本低,对环境友好,因此成为当前研究热点之一.文章从LiFePO4的晶体结构和充放电机制入手,分析了其导电性和倍率性能差的原因,回顾了其充放电机制研究的进展,综述了各种改善LiFePO4导电性、提高其倍率性能的方法,最后对LiFePO4正极材料的研究方向进行了展望.     

原位表征技术在全固态锂电池中的应用

近年来,可移动消费电子与电动汽车等产业发展迅速,迫切需要发展高能量密度与高安全稳定性的锂电池,以提高这些设备的长续航与长期稳定运行的能力.这使得全固态锂电池极具潜力,并获得迅速发展.然而,高性能全固态锂电池的发展需要对其充放电机制与性能衰减机理等有深入的认识,对电池内部及界面的微观结构、物相组成、化学成分及局域化学环境...     

全固态金属锂电池负极界面问题及解决策略

全固态金属锂电池有望提高当前商用锂离子电池的安全性及能量密度,被广泛认为是下一代电池的重要研发方向.其中的负极-电解质界面与电池性能紧密相连.本文将该界面存在的问题划分为静态及动态两方面,静态问题包括化学不稳定及物理接触差,体现在电池循环前的巨大阻抗,动态问题包括枝晶生长及孔洞形成,体现在电池循环过程性能的快速衰退.本文就静态及动态问题的起因及其解决策略进行分析,并对高性能全固态金属锂电池的设计策略作出展望.     

基于材料基因组方法的锂电池新材料开发

近年来,在锂二次电池新材料的研发过程中逐渐建立了基于材料基因组思想的高通量计算理论工具与研究平台.在该平台上,通过将不同精度的计算方法组合,实现了基于离子输运性质的材料筛选;通过将信息学中数据挖掘算法引入高通量计算数据的分析,证实了材料大数据解读的可行性.上述平台实现了在锂电池固体电解质的高通量筛选、优化和设计上进行新材料研发的示范应用,通过高通量计算筛选获得了两种可用于富锂正极包覆材料的化合物Li_2SiO_3和Li2SnO_3,有效改善了富锂正极的循环稳定性;通过对掺杂策略的高通量筛选,获得了提高固体电解质β-Li_3PS_4离子电导率和稳定性的方案;通过高通量结构预测设计了全新的氧硫化物固体电解质LiAlSO;并在零应变电极材料结构与性能的构效关系研究中进行了大数据分析的尝试,分析了零应变电极材料的设计依据.上述材料基因组方法在锂电池材料研发中的应用为在其他类型材料研发中推广这种新的研发模式提供了可能.     

铝掺杂锰酸锂正极材料制备及第一性原理研究

采用固相法制备出高纯度纳米LiAl0.25Mn1.75O4并用此制备成了半电池,对其进行充放电循环测试和阻抗测试,并与原始LiMn2O4的测试结果相比较。另采用基于密度泛函理论的第一原理方法,研究了掺铝锰酸锂LiAl0.25Mn1.75O4的能带结构、态密度和原子布居,实验与计算分析结果表明LiAl0.25Mn1.75O4在室温下0.01C放电时首次放电容量为124.8mAh/h,室温0.2C下50个循环周期后放电比容量保持率可达到83.6%;LiAl0.25Mn1.75O4的能带带隙为0.21eV,分态密度中Al-s轨道与O-s轨道在-20eV左右的明显杂化,均表明LiAl0.25Mn1.75O4材料具有高导电率、高结构稳定性、高比容量保持率的性能,这为推动锂离子电池锰酸锂正极材料的发展提供理论依据。     

一代材料，一代电池：正极材料研究推动锂离子动力电池的升级换代

一代材料,一代电池。锂离子电池正极材料的研究不断推动着动力电池的升级换代。第一代动力电池的正极材料为锰酸锂LiMn₂O₄,其低温性能好、成本低和安全性高,但电池能量密度不够高。第二代动力电池正极材料为磷酸铁锂LiFePO₄和三元正极材料镍钴锰NCM/镍钴铝NCA。磷酸铁锂正极材料的优势是长寿命、低成本、高安全性。三元锂正极材料的特点是大容量、高能量密度、快充效率高。第三代动力电池的正极材料是高电压镍锰酸锂LiNi_0.5Mn_1.5O₄和镍酸锂LiNiO₂,主要解决第二代面临的低成本和长续航不能兼顾的问题以及更长里程问题。文章首先回顾第一、二代的锰酸锂、磷酸铁锂和三元正极材料的研究历程、优缺点及发展近况,之后介绍和展望下一代高电压镍锰酸锂和镍酸锂正极材料。     

石榴石型固态锂电池中的物理问题

采用固体电解质的固态锂电池具有实现高能量密度和高安全性的潜力,在新能源汽车和可穿戴电子设备领域的应用大有可为.石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固体电解质具有高离子电导率和对锂稳定等特点,是当下最受人瞩目的固体电解质材料之一.本文从物理的角度,探讨热力学和动力学两种因素对LLZO电化学稳定性的影响,离子界面输运机理及其在陶瓷和复合电解质中的应用.针对固态锂电池突出的界面问题,从界面匹配、电荷转移、体积应变、热量传递等方面,讨论固态锂电池循环寿命和实际安全性,给出构建理想界面的关键因素.最后,从电极、电解质和电池结构设计等方面分析如何构建高能量密度的固态锂电池电芯.本文希望通过对LLZO最新理论和实验研究成果的分析总结,阐明石榴石型固态锂电池中的关键物理问题,为高性能固态锂电池的发展提供依据.     

高氯酸消解-ICP-OES测定炭复合磷酸铁锂中的锂、铁、磷

磷酸铁锂是锂电行业主要的产业化原料之一,与传统钴酸锂相比,在比能量、寿命、成本、环境兼容性上有显著优势.以锂离子电池用正极材料炭复合磷酸铁锂为研究对象,采用电感耦合等离子体发生光谱仪(IC P-O ES)同时测定其中的锂、铁、磷含量.对样品消解、谱线选择、仪器工作参数、溶剂效应消除、谱线背景干扰消除、分析方法正确度、精...     

锂离子电池正极材料LiMnPO4研究进展

综述了新型锂离子电池正极材料LiMnPO4的研究进展,重点对该材料的结构、结构与电化学性能的关系、阳离子掺杂对材料性能的影响、多种合成方法和材料改性措施进行了较详细的评述,并对该材料的应用前景进行了展望.     

室温钠离子电池材料及器件研究进展

在众多电化学储能技术中,室温钠离子电池除具有能量密度高、循环寿命长的特点外,还具有其他电池体系所不具有的资源丰富和成本低廉的优势,是一种较理想的规模储能电池体系.中国科学院物理研究所自2011年以来致力于低成本、安全环保的钠离子电池技术的研发,在正、负极材料和电解质材料开发中取得了多项原创性的研究成果,并研制出Ah级钠离子软包电池.例如,首次发现Cu~(2+)/Cu~(3+)氧化还原电对高度可逆并设计了Na-Cu-Fe-Mn-O基低成本层状氧化物正极材料;首次通过简单的一步碳化法制备出性价比高的无烟煤基负极材料;首次将一种新型的钠盐NaFSI应用于碳酸酯非水电解质以大幅度提升电极材料的性能等.本文综述了物理所在钠离子电池材料及器件研究中所取得的重要进展和突破,期待经过进一步不懈地努力为实现钠离子电池的产业化做出重要贡献.     

硫化物固态电解质材料界面及其表征的研究进展

发展高能量密度和高安全性的全固态锂电池技术对于推动我国锂电池产业技术的更新换代,强化我国在这一领域的技术优势具有重要的现实意义.固态电解质是全固态锂电池的核心组成部分,其中硫化物固态电解质因其高的离子电导率、较好的机械延展性以及与电极良好的界面接触等优点,被认为是最具商业化潜力的固态电解质之一.然而其空气稳定性较差,与电极接触的界面存在界面副反应、锂枝晶生长及界面机械失效等缺点,严重制约了其在高能量密度全固态锂电池中的应用.本文首先综述硫化物固态电解质空气稳定性的研究方法及其退化机制、提高材料空气稳定性的策略与方法;其次对其与正负极界面的相容性、稳定性及其解决策略进行了总结与分析;最后总结归纳近年来电极/硫化物固态电解质界面的原位表征技术的研究进展,并展望了未来硫化物固态电解质材料界面的研究重点和发展方向.     

FAAS测定锂离子电池正极材料LiMn2O4中的杂质钠

采用火焰原子吸收光谱法测定锂离予电池正极材料LiMn2O4中杂质Na的含量.综合考虑了消电离剂氯化铯、盐酸浓度、基体对测Na产生的影响,通过控制酸的浓度和在标准溶液中加入定量基体和消电离剂氯化铯来消除测定误差.由实验结果可知本方法简便易行,灵敏度和准确度高,精密度好,回收率在96.2%-103.8%之间,相对标准偏差(RSD)小于2%(n=10),能够满足锂离子电池正极材料分析的要求.     

液态锂在铜的微通道中的流动行为

本文采用分子动力学方法模拟了液态锂在铜的微通道内的流动行为. 通过构建铜(111), (100)和(110)晶面的微通道内壁, 研究了液态锂在流固界面上的微观结构以及在铜微通道中的流动速度分布情况, 并探讨了微通道尺寸对液态锂流动行为的影响. 研究结果表明铜微通道内的液态锂在靠近铜固体壁附近区域呈有序的层状结构分布, 并受铜内壁晶面微观结构的影响. 铜(111)和(100)面内壁附近的液态锂有序层分布结构更明显. 外驱力作用下的液态锂在微通道内的流动速度呈抛物线分布, 流固界面和流动方向对液态锂的流动速度都会产生影响. 液态锂在铜(111)面内壁上流动的速度最大, 且出现了速度滑移; 在铜(110)面内壁上流动速度最小. 通过对不同尺寸的微通道内液态锂流动行为的研究, 发现流动速度的大小随着微通道尺寸的增加而增大, 且最大速度与微通道尺寸呈二次函数关系, 与有关理论计算结果符合得很好.     

Mn3O4包覆对LiNi0.5Mn1.5O4正极材料界面电化学性能的提高

本文采用化学湿磨法,首次将金属氧化物Mn₃O₄包覆于LiNi_0.5Mn_1.5O₄颗粒表面,使得电极材料的电子电导率从1.53×10^-7 S/cm 提高到3.15×10^-5 S/cm. 电化学测试结果表明Mn₃O₄包覆大大提高LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料的倍率性能和高温循环稳定性. 最佳包覆样品为2.6wt% Mn₃O₄包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄,在10 C倍率下具有108 mAh/g的高放电容并且在55 °C下100次循环后仍有78%的容量保持率,远大于未包覆样品67%的容量保持率.     

新型锂离子电池正极材料LiMPO_4(M=Fe,Mn)的谱学和电化学研究

采用固相反应与液相反应,合成了新型锂离子电池正极材料LiMPO4(M=Fe,Mn)。粉末X光衍射表明材料均为纯相。对材料的显微拉曼光谱和红外光谱进行了研究和指认。循环伏安研究表明,含锂磷酸盐是一类有潜力的锂离子电池正极材料。     

X射线光电子能谱在固态锂离子电池界面研究中的应用

固态锂离子电池因具有高安全、高能量密度等多种优势而备受关注,但目前固态锂离子电池尚未大规模商业化,主要原因是固态锂离子电池中存在的关键科学问题和技术问题尚未解决,特别是界面问题,例如界面的高电阻与不稳定性.X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)作为重要的表面分析手段...     

二维材料在生物传感器中的应用

自石墨烯发现以来,大量二维层状材料被相继发现.二维材料中载流子被限制在界面1 nm空间内,使其对化学掺杂非常敏感,有望引起生物传感领域的技术变革.生物传感过程无论基于何种传感机制,都包含了检测物识别和信号转化过程.检测物识别通常依靠传感界面的生物探针来完成,信号转换依靠二维材料来实现信号输出.在传感界面处对生物探针和二维材料进行原子级精准构筑,则可精确调控传感过程中的物理化学过程,优化器件的各项指标.本文综述了二维生物传感界面构筑领域的研究进展,重点介绍了目前几种常见的二维生物传感器的传感机制和不同类型的生物探针精准构筑方法,探讨了未来生物传感界面研究的发展方向.     

扫描电化学显微镜在功能材料分析中的应用

扫描电化学显微镜是一种扫描探针技术,利用微电极检测发生在固／液、液／液或者气／液界面反应物或者反应产物的连续变化。这里将对该技术原理进行详细说明。过去我们工作主要都集中在固定化酶的活性成像。最近研究的领域开始拓展到与能源转变相关材料上,如染料敏化太阳能电池和（生物）燃料电池的氧气催化还原。起初的尝试已经扩展到如何扩宽研究材料的范围和成像模式的应用范围。扫描电化学显微镜的反馈和产生～收集模式已被用于研究染料敏化太阳能电池半导体／电解质界面的光激发染料阳离子再生过程。现在开始关注更多的与太阳能的再生,燃料电池或染料敏化太阳能电池相关的复杂反应,这些复杂的反应包括外部质量传输过程、内部质量和电荷传输过程、多孔物质反应中心的本身活性等。     

范德华尔斯材料在转角光学中的研究进展

极化激元是光与不同极化子相互作用形成的半光半物质的准粒子,可用于亚波长尺度的光场调控,在光学成像、非线性效应增强及新型超构材料设计等领域扮演着举足重轻的角色.近年来,随着人们对转角范德华尔斯材料体系的制备工艺和物性研究的不断深入,其中许多新奇的极化激元现象也被揭示.本文综述了近年来转角范德华尔斯材料在光学领域的研究进展...