含异原子石墨炔基电极材料的研究进展

碳材料具有价格低廉、 易制备、 环境友好、 导电性高、 比表面积大以及适合离子存储和迁移等优点, 已成为目前应用于电化学储能器件电极的重要材料之一. 石墨炔(GDY)是一种新型的二维碳同素异形体, 由sp²碳杂化形式的苯环和sp碳杂化形式的炔键构成. 这种独特的化学结构一方面保持了碳材料良好的导电特性, 另一方面形成了新颖的离子传输通道, 为碳材料带来了不同的离子传输和存储特性. 与此同时, 由于石墨炔的空间结构可调性, 可以通过引入异原子微调石墨炔电子结构, 拓展石墨炔在电极材料领域的应用. 本文重点对近几年异原子杂化石墨炔基电极材料在锂离子电池、 钠离子电池、 金属硫电池、 电容器、 金属空气电池和电极保护等储能领域的研究工作进行总结, 并对未来石墨炔类材料在储能领域的发展进行了展望.     

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。     

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。     

碳材料在电化学储能中的应用

电化学储能材料是电化学储能器件发展及性能提高的关键之一. 碳材料在各种电化学储能体系中都起到了极为重要的作用,特别是近期出现的各类新型碳材料为电化学储能的发展带来了新动力,并展现了广阔的应用前景. 本文综述了碳材料,特别是以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料,在典型电化学储能器件（锂离子/钠离子电池、超级电容器和锂硫电池等）、柔性电化学储能和电化学催化等领域的研究进展,并对碳材料在这些领域的应用前景进行了展望.     

碳纳米管与石墨烯在储能电池中的应用

当今社会日益增长的能源与环境需求对储能电池技术的发展既是机遇也是严峻的挑战。纳米碳材料如碳纳米管与石墨烯因其优异的导电能力、良好的机械性能以及独特的形貌与结构特征在储能电池技术领域中的应用越来越普遍。本文通过综述近年来碳纳米管与石墨烯分别作为锂离子电池的复合电极材料、负极活性材料、导电添加剂以及新型锂硫电池用复合导电载体的最新应用进展,重点讨论了这两类纳米碳材料的不同应用模式对储能电池容量性能、倍率性能以及循环寿命的影响。同时对目前研究中存在的问题进行了总结,并对未来发展方向,如开发低成本与环境友好的高质量材料合成技术、提升材料的分散能力以有效构筑复合电极结构以及开发新的应用模式等进行了展望。     

缺陷工程在金属基电池中的研究进展（英文）

清洁能源在开发和利用过程中存在间歇性和不稳定性,开发高性能、高效率、环保清洁的新型储能器件可保障稳定的能源输出,实现能源转型.其中,金属基电池(如金属-空气电池,金属-硫电池等)具有低成本,高能量密度的优势,具有较高的应用价值.电池电极材料(催化剂)的合理设计影响着其储能效率,对可再生能源技术的发展具有重要作用.近年来,随着研究人员对电催化反应机理的深入理解,缺陷工程被普遍认为是增加催化活性位点数量,提升电池性能的有效策略.其原因在于缺陷可以提供大量不饱和位点,从而为电化学过程提供更多活性中心,增强电极催化效率,实现电化学动力学的提升.此外,缺陷工程实现了电池电极材料局部原子结构以及配位环境的可控调节,进一步调整电极材料的电子和结构特性,可显著提升电池的电化学动力学.本文系统总结了缺陷工程促进电催化性能的可行性策略和金属基电池电催化剂缺陷工程的最新进展.首先介绍了金属-空气电池和金属-硫电池的反应机理,明确金属基电池的反应机理和反应过程对于开发性能优异、环境适应性强催化剂至关重要.其次,归纳和总结了缺陷的种类(本征缺陷、阴离子空位、阳离子空位、晶格畸变和杂原子掺杂)及其引入的常用方法(...     

自卷曲技术在微型储能器件上的应用

微型能源存储器件在可穿戴电子产品、微型自驱动探测器等领域有重要的应用前景,同时为研究储能器件电极结构、电子/离子传导率以及电化学动力学之间的内在联系提供了理想的平台。自卷曲技术是利用材料内部存在的残余应力而实现二维薄膜材料自行弯曲的一种方法。相比于传统微纳制备工艺,这种方法可以在微米尺度下将二维薄膜电极材料有序卷曲排列,为微型储能器件的制备提供了有效、便捷的途径。本文介绍了近些年自卷曲技术在微型能源存储器件上的重要进展,其中包括材料自卷曲的原理、自卷曲电极及其储能性质,并以此为基础,着重阐述了自卷曲技术制备单根管微型锂离子电池和电容阵列的应用实例。总结并展望了自卷曲技术在微型储能器件应用上的未来挑战和重要机遇。     

导电高分子-金属氧化物复合材料用作锂离子电池正极材料的研究现状

随着人类社会对能源需求量的增大,高效储能材料的开发备受关注。导电高分子-金属氧化物复合材料具备了作为储能器件正极材料的诸多特质,故成为了相关研究领域的热点方向之一。本文以聚苯胺(PAni)和聚吡咯(PPy)为例,综述了近年来导电高分子-金属氧化物复合材料用作锂离子电池正极材料方面的研究进展。概述了此类材料中各组分如何通过有机/无机协同作用实现材料电化学性能的提升,介绍了此类材料的制备方法,结构特点及常用表征手段,以及材料的电化学性能特征。     

用于储锂电池的三维碳结构集流体

三维碳结构材料具有轻质、优异的热学和电学性质,良好的机械性能和电化学稳定性等特点,用作电化学储能器件的集流体能够优化电极材料层中的导电网络同时缓解体积膨胀,实现电极能量密度、功率密度和循环稳定性的同时提升,在电化学储能领域展现出了巨大的应用潜力.本文结合本课题组在碳材料方面的部分研究工作,概述了当前三维碳结构集流体在锂离子电池中的最新研究进展.根据三维网络结构基元之间的连接方式,从共价键组装和非共价键组装的三维碳网络两个方面进行了分类总结,并对碳集流体在锂离子电池中存在的问题及发展方向进行了阐述,从而为进一步设计和优化新型的三维碳结构集流体提供新思路.     

全钒液流电池用电极与质子交换膜的研究进展

钒氧化还原液流电池(VRFB),是一种环保、寿命长、安全性高、电化学性能稳定的新型电化学储能设备,是当前极具发展潜力的储能系统之一.电极与质子交换膜是钒液流电池的关键材料,对电池的电化学性能起着决定性作用.根据两种关键材料的原料与结构的不同,本文从电极与质子交换膜的分类、特点等方面进行了详细描述,并对两种关键材料的结构...     

钾离子电池负极的高性能潜在材料:锑

近年来随着对储能器件的需求增加,钾离子电池受到越来越多的关注。钾的物理化学性质与锂相似,且在地壳中的储量丰富,在储能领域中具有广阔的发展前景。但由于电极材料实际容量远小于理论容量等问题的存在导致应用在钾离子电池的性能仍有不足。金属锑(Sb)具有较高的理论容量被广泛应用在电极材料上,然而在充放电过程体积变化过大导致稳定性较差,需要通过形貌控制、合金化、与碳材料复合等形式来提高结构稳定性。本文主要介绍了Sb材料在钾离子电池负极材料的研究进展,并展望了Sb电极材料的应用前景。     

纳米材料在超级电容器领域的有效设计与可控合成

伴随着电化学储能器件在便携式电子产品、混合动力电动汽车及大型工业规模的电力和能源管理中的应用,设计合成出结构新颖、性能优越的先进纳米电极材料显得至关重要.作为电化学储能器件中的重要一员,超级电容器以其功率密度高、循环寿命长等特点越来越受到人们的广泛关注,而电极材料的组成及结构是其性能高低的决定性因素.本文结合本科研团队近几年来的研究工作,综述了有关超级电容器纳米电极材料的设计与可控合成及其前沿研究进展.     

“蛋黄蛋壳”结构纳米电极材料设计及在锂/钠离子/锂硫电池中的应用

“蛋黄蛋壳”结构纳米材料,具有易于调控的“蛋黄”、“蛋壳”和“空腔”结构,可视作“纳米反应器”,在催化、储能等领域表现出显著的应用潜力。尤其在电化学能源存储和转换方面,该结构纳米电极具有大的比表面积和独特的核壳结构,在充放电过程中可缓解电极的体积变化,提供快速的离子/电子输运通道,强化中间产物的吸附和提升转换反应效率等,能显著提高电极稳定性、倍率性能和循环性能,是一类较为理想的电极材料。本文针对“蛋黄蛋壳”结构纳米电极在锂/钠离子电池、锂硫电池等新兴二次电池领域的实际应用,总结了具有该结构纳米电极的设计与合成策略,包括:模板法、奥斯特瓦尔德熟化、电化学置换、克肯达尔效应等,评述了各种策略的优缺点以及电极材料的应用进展,最后对该类材料在锂/钠体系及锂硫电池二次电池方面的研究与应用前景进行了展望。     

高分子Langmuir-Blodgett膜的研究进展

利用Langmuir-Blodgett(LB)膜技术能够使薄膜中聚合物分子链获得高度有序的排列与组装,并使沉积后的膜具备可控的特殊结构以及不同寻常的物理化学性质.高分子LB膜可用于制造非线性光学材料、光电子器件、传感器单元、电极修饰膜,也可作为研究催化反应、电子转移、仿生模拟的理想模型.本文评述了芳杂环类合成高分子(聚酰亚胺、聚噻吩、聚乙烯基咔唑和聚苯胺)与几种天然高分子(木质素、纤维素、壳聚糖和蛋白质)的LB膜最近的研究进展,并详细讨论了高分子LB膜的制备、结构与表征,指出了这两类高分子LB膜的研究重点,并对该两类高分子LB膜潜在的应用进行了展望.     

拉曼光谱测试技术在可充电铝离子电池储能机理的研究进展

拉曼光谱是一种无损的分析技术,可以提供样品化学结构和分子相互作用的详细信息。由光谱学方法与常规电化学方法相结合产生的电化学原位光谱是一种动态探测电极材料结构和相组成的强大技术,能够方便地提供电极界面分子的微观结构信息,这使得其在储能领域中有广阔的应用前景。拉曼光谱能够有效地原位表征可充电铝离子电池氯化铝基电解液中络合离子、不同正极材料在充放电过程中的变化规律。结合X射线衍射技术（XRD）或X射线光电子能谱技术（XPS）等表征技术,拉曼光谱能够有效地揭示可充电铝离子电池的储能机理,包括对电池电解液和电极材料的研究以及电极表面反应的原位监测,对电池材料和界面结构性质的研究可以为电池材料和微观结构的优化设计提供指导,对电极表面反应的原位监测,有助于对电极界面反应的机理进行深入的研究,从而指导正极材料结构改进,促进可充电铝离子电池的发展。     

无定形FePO4作为钠离子电池正极材料的研究进展

随着能源与环境问题的日益加剧,发展绿色能源存储与转化技术变得越来越重要.作为一种环境友好型储能器件,钠离子电池的快速发展激发了对高性能正极材料的需求.在各类正极材料中,无定形磷酸铁(FePO₄)因其较高的理论比容量和优异的电化学可逆性而受到了广泛关注.基于此,本文综合评述了无定形FePO₄作为钠离子电池正极材料的研究进展.首先,介绍了无定形FePO₄的基本特征及其应用;然后,系统总结了其常见的合成方法,如模板法、水热法等;介绍了增强无定形FePO₄储钠性能的策略,强调了形貌结构和性能之间的紧密联系;最后,对该领域进行了总结与展望.     

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.     

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。     

钒基电极材料研究进展

发展低成本、高性能、高安全的锂离子、钠离子电池是解决能源储存问题的一个重要途径. 由于具有丰富的化学价态,开放式的化学结构和较高的理论容量,钒基材料是一种非常有潜力的锂离子电池、钠离子电池电极材料. 在过去的几年中,钒基电极材料如钒的氧化物、硫化物、磷酸盐等在电池中的应用取得了长足的进展,有必要对相关的研究进展作一个总结. 本文介绍了钒基电极材料的近期研究进展,重点总结了钒基电极材料应用所面临的离子扩散系数低、结构稳定性差等科学问题,并从活性材料本身的改性以及与外部材料复合作用两个角度重点分析了应对这些问题所采用的策略. 一方面,通过对钒元素的化合价态进行调控来提高材料的电导性,并采用异原子掺杂来加快离子扩散系数. 另一方面,借助同/异种纳米结构间的耦合作用增强材料的结构稳定性. 基于基底的骨架作用,实现三维有序阵列结构电极的制备,进而促进材料能量密度与功率密度的共同提升. 最后,讨论了钒基材料进一步发展所面临的挑战,希望能够为将来相关电极材料的研究提供一些参考.     

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼有锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景. 但其产业化仍存在一系列的基础及工艺方面的问题,具体包括器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等. 本文结合作者课题组的研究工作介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.