碳布负载的缺氧型Na2Ti3O7纳米带阵列作为高性能柔性钠离子电池负极材料

作为锂离子电池的理想替代品,钠离子电池因具有能源储备丰富、成本低廉等优点而受到人们的广泛关注。柔性便携式电子产品的发展亟需柔性储能器件的研制。因此,发展一种廉价、高性能的柔性钠离子电池负极材料成了科研工作者的共同目标。在此项工作中,我们通过简单的水热合成和热还原法发展了一种以柔性碳布为基底,与缺氧型的Na₂Ti₃O₇纳米带(NTO)构成三维阵列结构的新型柔性钠离子电池负极材料。复合材料(R-NTO/CC)的导电性和活性位点得到提高,电化学性能也大幅提升,在200 mA·cm^-2的电流密度下,实现100 mAh·cm^-2的面积比容量,且经过200次循环后仍保留最初电容值的80%。此外,这种电极还具有优良的倍率性能,当电流密度提高到400 mA·cm^-2时,仍保持69.7 mAh·cm^-2的面积比容量,是未引入氧空位材料的三倍之多。这种三维缺氧的电极材料可有效提高载流子浓度,缩短离子传输通道,从而大幅提升电极的电化学性能。此工作为设计合成高储钠性能的新型的负极材料提供了一种实用有效的策略。     

原位相分离合成V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料及其储钠性能

钠具有资源丰富、成本低廉等优势,因此钠离子电池被认为是未来替代锂离子电池的最佳候选者之一。然而,寻找合适的电极材料是当前制备高性能钠离子电池面临的难题之一。在众多候选材料中,钒酸盐材料通过引入阳离子增加钒的配位数,使得材料结构的稳定性得到提高,从而改善了钠离子电池的电化学性能。本文研究了一种原位相分离法合成V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等对电极材料形貌、组成和结构进行了表征。实验结果显示,V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料相对于V2O5纳米线材料,结构更加稳定,在0.1 A·g~(-1)电流密度下,初始放电容量由295.4 m Ah·g~(-1)提升到342 m Ah·g~(-1),循环100圈容量保持率由26.6%提高到65.8%,获得了更加优异的倍率性能(在1.0 A·g~(-1)电流密度下,容量由44 m Ah·g~(-1)提高到160 m Ah·g~(-1))。因此,V_2O_5/Fe_2V_4O_(13)纳米复合材料的研究为开拓新型高性能钠离子电池负极材料拓宽了思路。     

NiCo_2S_4六角片作为钠离子电池负极材料的电化学性能及储钠动力学

通过共沉淀以及后续的气相硫化成功制备了横向边长约为2μm,纵向厚度约为30 nm的NiCo_2S_4六角片,并研究了其作为钠离子电池负极材料的电化学性能。电化学性能测试结果显示在1000 mA·g~(-1)的电流密度下,NiCo_2S_4电极循环60次后仍然可保持约387mAh·g~(-1)的可逆比容量。此外,NiCo_2S_4电极还具有良好的倍率性能,在200、400、800、1000和2000mA·g~(-1)的电流密度下,容量分别为542、398、347、300和217mAh·g~(-1)。通过进一步动力学机制分析发现,NiCo_2S_4电极的良好的倍率性能得益于其二维片层状结构诱导产生的赝电容。上述结果表明,NiCo_2S_4纳米六角片是一种极具潜力的钠离子电池负极材料。     

碳包覆Ti_2Nb_2O_9纳米片的制备及其储钠性能

具有两种不同阳离子的二元金属氧化物在钠离子电池中可发生可逆的多电子反应,是一类非常具有应用前景的高容量负极材料。在本项工作中,通过离子交换法和化学剥离法得到HTiNbO_5纳米片,采用水热法将其与蔗糖复合再经由后续热处理得到碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片材料。碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片可用作钠离子电池的负极材料,具有更高的电子导电性和多的反应活性点以及快速的离子传输通道,在50 m A?g~(-1)的电流密度下具有265.2 m Ah?g~(-1)的可逆容量。在0.5A?g~(-1)的大电流密度下,循环200圈之后比容量为160.9 m Ah?g~(-1) (容量保持率75.3%)。研究结果表明Ti_2Nb_2O_9/C纳米片在钠离子电池中具有出色的充放电性能和循环稳定性,为钠离子电池负极材料提供了可行的新选择。     

海藻酸钠粘结剂用于钠离子电池红磷-碳负极

通过球磨法制备了红磷-碳(P-C)复合材料,并考察了海藻酸钠(SA)粘结剂用于钠离子电池P-C负极的电化学性能。结果表明,相对于聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂,SA粘结剂使P-C电极展示了较高的可逆容量(在0.1 A·g~(-1)的电流密度下循环20圈后的容量为2 126 m Ah·g~(-1))。使用SA作粘接剂的P-C复合材料优越的电化学性能,归因于SA粘结剂与活性物质之间可能存在的化学作用力,有效缓解了红磷脱嵌钠过程中的体积变化,保持了电极的稳定性。     

细菌纤维素衍生的三维碳集流体用于无枝晶的锂金属负极（英文）

锂金属是下一代高能量密度电池的关键负极,然而其实用化面临着一系列问题,主要包括循环过程中体积变化大、枝晶生长等。使用三维集流体是解决这些问题的有效方法,然而现有大多数三维集流体存在重量大、体积大、表面亲锂性差、成本高等问题。针对上述问题,本文以低成本的细菌纤维素为前驱体,通过直接碳化制备出具有连通网络的轻质三维碳集流体,其表面均匀分布的含氧官能团可以促进锂离子的均匀成核和沉积,有效抑制了枝晶生长。值得注意的是,该集流体的面密度仅为0.32 mg·cm~(-2),在3 m Ah·cm~(-2)比容量的锂金属负极中质量占比仅为28.8%。电化学测试结果表明,该集流体在3 m A·cm~(-2)的高电流密度或4 m Ah·cm~(-2)的高循环容量的工作条件下,稳定循环超过150次,并且在对称电池或与LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)匹配的全电池中也表现出良好的电化学性能。     

Na_2Ti_3O_7纳米片原位制备与钠离子电池负极材料应用（英文）

报道了Na_2Ti_3O_7纳米片的原位生长和钠离子电池负极材料的应用。通过简单的腐蚀市售的钛片制备出相互连接的微纳结构的Na_2Ti_3O_7纳米片。此外,腐蚀后的钦片在不用添加导电剂或粘结剂的情况下,可以直接作为电极材料使用。这种电极材料表现出优越的电化学性能,在50 mA·g~(-1)的电流密度下具有175mAh·g~(-1)的可逆容量,在2000mA·g~(-1)的电流密度下循环3000周后,其容量仍保持120 mAh·g~(-1),容量保持率为96.5%。Na_2Ti_3O_7纳米片电极的优越电化学性能归因于二维结构具有较短的离子/电子扩散路径以及无粘结剂结构能有效的增加电极的电子传导能力。结果表明,这种微纳结构能够有效地克服Na_2Ti_3O_7作为电极材料离子/电子导电性差的缺点。因此,这种无粘结剂结构的Na_2Ti_3O_7纳米片负极材料是一种很有潜力的钠离子负极材料。     

α-氧化铁介孔纳米材料的制备及其在锂/钠离子电池中的电化学性能

采用硬模板法合成了具有六方排列的平行圆柱形有序孔道介孔α-氧化铁(α-Fe_2O_3),并将其用作锂离子、钠离子电池的负极材料。所制备的介孔α-Fe_2O_3凭借其独特的有序介孔结构,有效缓解电极在充放电过程中的体积效应,提高了电解液浸润性,促进锂/钠离子的转移和传输,从而在锂离子及钠离子电池中均表现出优异的电化学性能。作为锂离子电池负极时,其首圈放电比容量为983.9 mAh·g~(-1)。经过100次循环后,其放电比容量为1 188.0 mAh·g~(-1)。在钠离子电池中,其首圈放电比容量为687.7mAh·g~(-1)。经过50次循环后,仍有316.9 mAh·g~(-1)的放电比容量。     

高性能混合相钠离子层状负极材料Na_(0.65)Li_(0.13)Mg_(0.13)Ti_(0.74)O_2

钛基层状氧化物因具有较低的成本、较好的空气稳定性和循环稳定性,以及较高的安全性等优点,被认为是一种具有潜在应用价值的室温钠离子电池负极材料。本文使用固相法首次设计并合成了一种新型P2相Na_(0.65)Li_(0.13)Mg_(0.13)Ti_(0.74)O_2电极材料。通过延长烧结时间,可以制得混有正交相的样品,进一步研究发现该混合相样品具有更加优异的储钠性能。混合相样品首周可逆容量为96.3 m Ah·g~(-1),而纯P2相仅为85.1 m Ah·g~(-1);在1C倍率下循环400周的容量保持率为89.7%,高于P2相的84.4%,并且倍率性能显著提升(混合相样品56.6 m Ah·g~(-1)/5C vs.纯P2相样品47.1m Ah·g~(-1)/2C)。该研究发现共生的两种结构能够提高材料的离子、电子传导,进而可以改善材料充放电过程中离子、电荷分布的均一性,从而提升材料的循环性能。该研究成果有助于拓展其他层状氧化物材料的研究思路,为提高钠离子电池的能量密度和循环性能提供了可行方法。     

三维有序大孔Fe_2SiO_4/SiO_2@C锂离子电池负极纳米玻璃陶瓷-碳复合材料制备及电化学性能

以聚苯乙烯(PS)胶晶作为铸模,采用纳米铸造工艺及后续煅烧的方法合成了三维有序大孔Fe_2SiO_4/SiO_2@C纳米玻璃陶瓷锂离子电池负极材料。溶胶-凝胶工艺产生的凝胶在650℃氩气氛炉中煅烧后,Fe_2SiO_4纳米晶体从含铁元素的SiO_2基玻璃中结晶析出,形成由Fe_2SiO_4纳米晶体、铁离子(Fe3+)修饰的玻璃态SiO_2和非晶碳组成的三维有序大孔纳米玻璃陶瓷。在50 m A·g~(-1)电流密度下进行充放电时,其放电容量可达450 m Ah·g~(-1)以上,电流密度增加到250 m A·g~(-1)时可逆放电容量仍旧稳定地保持在260 m Ah·g~(-1),而具有同样有序大孔结构和含碳量的非晶态SiO_2@C材料的放电比容量在50 m A·g~(-1)电流密度时仅为15 m Ah·g~(-1)。这些结果表明,Fe_2SiO_4纳米晶体及Fe~(3+)有助于SiO_2基玻璃陶瓷实现可逆储锂过程。     

Na3V2(PO4)2O2F钠离子电池正极材料的水热法制备及性能

采用水热法制备了Na_3V_2(PO_4)_2O_2F (NVPOF)钠离子电池正极材料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和恒流充放电(GCD)等方法研究了其形貌、结构与电化学性能。结果显示,纯相NVPOF形貌规则,呈长1～3μm、宽300 nm～1μm、长宽比为2～3的四棱柱形貌。NVPOF具有2对平稳的充放电平台,在0.2C和2C电流密度下,放电比容量达到124.2和70.5 m Ah·g~(-1),经100次循环后,放电比容量仍有105.8和59.6 m Ah·g~(-1),容量保持率达到85.2%和84.5%,库仑效率基本在97%以上,且低温(0℃)电化学性能也有不错的表现。经还原氧化石墨烯(r GO)包覆提高电子电导率,NVPOF@r GO在0.5C和2C的室温放电比容量高达124.4和88.4 m Ah·g~(-1),且2C倍率下循环200圈后的比容量仍有78.7 m Ah·g~(-1),容量保持率高达89%,库仑效率始终保持在99%左右,显示出优异的倍率和循环性能。     

ZnCo_2O_4纳米颗粒组装的毛线团状的微球用于锂离子电池负极材料（英文）

通过液相共沉淀法获得Zn和Co的前驱,经过600℃煅烧处理获得ZnCo_2O_4纳米颗粒组装的毛线团状的微球。电化学测试表明,在0.5 A·g~(-1)的电流密度下循环200次可逆比容量保持为965 m Ah·g~(-1);在0.8 A·g~(-1)的电流密度下循环350次可逆比容量保持为882 m Ah·g~(-1)。倍率性能测试表明在2 A·g~(-1)的电流密度时可逆比容量为736 m Ah·g~(-1)。     

碳包覆Li_3VO_4作为锂离子电池负极材料的研究

采用溶胶-凝胶法合成碳包覆Li3VO4复合材料(Li3VO4/C),通过X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TG)对其进行了表征,探究了该材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明,该材料具有良好的循环性能和优异的倍率性能。在1.25 C(1 C=400 m Ah/g)的电流密度下,其首次充电比容量为199.6 m Ah/g,循环150次后,其容量保持率为89.2%。此外,在充放电倍率分别为0.5、1、2、5、10 C时,其充电比容量分别为228.7、202、180.5、149.9、116.6 m Ah/g。     

CuO表面修饰锐钛矿TiO2纳米管阵列及其电化学嵌锂性能

以(CH_2OH)_2、NH4F和HCl为电解液,纯Ti片、CuCl_2和Na NO3为主要原料,联用阳极氧化和水热法制备CuO表面修饰锐钛矿TiO_2纳米管阵列锂离子电池负极材料(CuO/TiO_2)。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射(XRD),研究样品的形貌特征、元素分布、价态和微观物相组成。利用电池充放电测试仪和电化学工作站,探讨材料的电化学嵌锂性能。结果表明,表面修饰后的锐钛矿TiO_2纳米管阵列外侧出现了大量绒毛状纳米CuO,单个绒毛结构的宽度约4 nm,长度约10 nm。在0.3C的电流密度下进行恒电流充放电测试,首次放电容量为550 m Ah·g~(-1),充电容量为490 m Ah·g~(-1)。50次循环后,可逆电流容量仍保持在320 m Ah·g~(-1),具有良好的循环稳定性和电化学特性。     

空间限域和化学键锚定协同作用提高红磷储钠(钾)性能

正在高性能钠/钾离子电池负极材料的研究中,合金类负极材料红磷因其高的理论容量和合适的氧化还原电位受到研究者的广泛关注~(1,2)。当用作钠离子电池负极材料时,三电子转移反应伴随Na3P的生成,表现出高达2596 m Ah·g~(-1)的理论容量。在研究钾离子电池负极材料时,郭再萍等人首次通过实验提出基于K-P合金(K3-xP)的形成,红磷可提     

废弃生物质水葫芦多孔碳用于锂离子和钠离子电池负极的研究

水葫芦作为一种廉价的生物质资源,对其进行物理、化学处理后得到疏松多孔的碳材料。将该碳材料用于锂离子电池负极时,在1000 mA g~(-1)的电流密度下循环100次可逆容量保持在283 mAh g~(-1),即使在10 A g~(-1)的电流密度下,可逆容量仍高达125 mAh g~(-1),表现出较好的倍率性能。用作钠离子电池负极时,在100 mA g~(-1)的电流密度下可逆容量达到145 mAh g~(-1),在1000 mA g~(-1)下循环100次可逆容量依然可以保持在123 mAh g~(-1)。该电极材料优异的电化学性能可归因于其疏松多孔的结构,这有利于活性材料与电解液充分接触,同时为锂/钠离子存储提供更多的位点,并且有利于离子的快速传输。     

基于NiCo_2O_4纳米片电极的非对称混合电容器（英文）

在这项工作中,我们采用简单的水热方法在泡沫镍基底上生长了钴酸镍纳米片。结果表明,合成的NiCo_2O_4纳米片直接用作超级电容器电极,呈现出优异的电化学性能。在电流密度为1 m A·cm~(-2)时,其面积比电容达到1.26 C·cm~(-2);经过10000次充放电循环后,其比电容仍能保持初始容量的97.6%。以NiCo_2O_4纳米片为正极,活性炭为负极组装的超级电容器在功率密度为1.56和4.5 W·cm~(-3)时,其能量密度分别达到0.14和0.09 Wh·cm~(-3)。经过10000次循环后,器件仍能保持初始比电容的95%。以上结果证明合成的钴酸镍纳米片电极在未来的储能器件中具有良好的电化学应用前景。     

锂离子电池用三维氧化锡/石墨烯水凝胶负极材料

通过溶液水解反应在氧化石墨烯表面引入氧化锡(Sn O2)纳米颗粒,再经过自组装作用形成具有三维结构的氧化锡/石墨烯水凝胶(Sn O2-GH)负极材料。其中三维多孔的石墨烯水凝胶为碳质缓冲基体,Sn O2纳米颗粒为活性物质,其颗粒尺寸为2-3 nm,均匀分布在石墨烯层上,担载量可以达到54%(w,质量分数)。直接将该材料用作锂离子电池负极时,在5000 m A?g~(-1)的大电流密度下循环60次容量稳定在500 m Ah?g~(-1),电流减小到50 m A?g~(-1)循环80次后容量仍高达865 m Ah?g~(-1)。这些优异的循环稳定性和大电流充放电性能主要得益于三维石墨烯水凝胶的疏松、多孔结构和良好的导电性。石墨烯水凝胶能够提高电极比表面积,保证电解液对电极的浸润程度;内部空隙能够为锂离子的传输提供快速通道,缩短离子传输距离和时间。同时丰富的内部空间能够有效避免Sn O2纳米颗粒团聚,缓冲Sn O2巨大体积膨胀,维持电极结构的稳定性,是一种非常适于大电流充放电的锂离子电池负极材料。     

NaOH浓度对Na_(0.44)MnO_2储钠性能的影响（英文）

我们通过球磨法及后续的高温焙烧合成出了短棒状的Na_(0.44)MnO_2,并研究了其作为碱性水溶液钠离子电池正极时,电解液NaOH浓度对其电化学性能的影响。结果表明,提高NaOH浓度有利于抑制嵌氢反应的发生并改善电极的循环性能和倍率性能,但同时也会造成析氧反应的提前触发,浓度过高时则又会降低其倍率性能。Na_(0.44)MnO_2在8 mol·L~(-1) Na OH中表现出了最佳的电化学性能,0.5C (1C=121 mA·g~(-1))的电流密度下,比容量达到79.2 mAh·g~(-1),50C时,仍能释放出35.3m Ah·g~(-1)的比容量,在0.2–1.2 V (vs. NHE)的电压窗口内,500周后容量保持率64.3%。此外,我们也发现缩小电压窗口可以减少副反应、改善循环性能。Na_(0.44)MnO_2在浓碱电解液中也表现出了优异的耐过充能力。上述结果不仅表明通过优化电解液体系和测试条件可大大改善Na_(0.44)MnO_2的储钠性能,同时也证实了Na_(0.44)MnO_2作为一种水溶液钠离子电池正极材料,在大规模储能领域具有良好的应用前景。     

δ-MnO2改性石墨烯气凝胶的制备及电化学性能

通过对还原石墨烯气凝胶(RGOA)进行δ-MnO_2纳米颗粒改性制备出锂离子电池负极,并获得了良好的电化学性能。同时研究了δ-MnO_2的负载量对三维复合RGOA/δ-MnO_2负极材料电化学性能的影响,发现随着δ-MnO_2负载量的增加,锂离子电池性能先增后减,在δ-MnO_2负载量合适时(160 mg)比容量达到最大值(1 701.9 mAh·g~(-1)),该值明显高于δ-MnO_2负极的理论容量1 230 m Ah·g~(-1)。此外,该RGOA/δ-MnO_2-160 mg负极即便在5 A·g~(-1)的大电流下经历600次循环后仍能保持210.5 mAh·g~(-1)的比容量。如此优异的电化学性能归因于RGOA的大比表面积和高导电性,以及δ-MnO_2颗粒的高比容量和高催化活性。此外,三维石墨烯气凝胶中大量的孔洞有利于提供足够的空间负载超细δ-MnO_2颗粒,避免了δ-MnO_2在嵌锂过程中的体积膨胀以及抑制了固液界面保护膜(SEM)的加厚。通过计算赝电容对锂离子电池比容量的贡献,证实RGOA/δ-MnO_2电极的充放电过程为赝电容行为所主导,这也是取得良好比容量和循环性能的另一重要原因。