α-Fe2O3空心球的简易合成及其储锂性能研究

利用葡萄糖作为模板,与Fe~(3+)溶液水热合成、高温煅烧后获得了空心球形的Fe_2O_3。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及物理吸附仪对其进行物相结构、形貌及多孔性分析。锂离子电池电化学性能测试结果表明,与立方型α-Fe_2O_3相比,空心球状的α-Fe_2O_3负极材料表现出更加优异的循环稳定性和倍率性能。在200 mA g~(-1)电流密度下首次放电比容量为1295 mAh g~(-1),首次库伦效率为81%。在500 mA g~(-1)电流密度下,空心球状α-Fe_2O_3电极首圈比容量高达1249 mAh g~(-1),首次库伦效率达到73%;循环500圈后,容量保持率为84%,库伦效率达98%以上。在1 A g~(-1)、2A g~(-1)大倍率电流密度下,放电比容量分别为1048 mAh g~(-1)、992 mAh g~(-1),容量保持率分别达到90%与85%。因此,空心结构α-Fe_2O_3负极材料不仅可以有效抑制充放电过程中电极的体积膨胀,还可以缩短锂离子的传输路径,提高电极材料的电化学性能。     

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。     

酰亚胺基锂电池有机聚合物负极材料的制备及电化学性能研究

设计合成了一系列聚酰亚胺基的共轭骨架材料用于锂电池负极.首先,选用具有不同共轭体系的二酐分子用作共聚物构建单元,随后通过亚胺化反应与三聚氰胺共缩聚.最后,通过进一步热处理提高材料的交联程度和稳定性.将该材料用于锂离子电池负极表现出稳定的电化学性能.聚合物的倍率性能测试结果表明:在150 mA·g~(-1)的电流密度下,循环150次后,放电比容量达到471 mAh·g~(-1)以上,在2 A·g~(-1)的较大电流密度下,放电比容量达122.1 mAh·g~(-1),当电流密度返回至100 mA·g~(-1)时,其放电比容量又上升至532.3 mAh·g~(-1)左右,材料具有较好的倍率性能,聚合物材料在充放电过程中,避免了有机小分子材料在与锂离子结合后,易溶于电解液造成的容量损失.同时,共聚物骨架的共轭结构单元和极性基团,可在保证材料的导电性的同时增加材料结合锂离子的能力,因此表现出了优异的倍率性能.     

预锂化法制备高首圈库伦效率的SnO_2-Fe_2O_3@C负极材料

将SnO_2-Fe_2O_3@C负极材料与金属锂片同时浸泡在商用二元电解液中,对SnO_2-Fe_2O_3@C负极材料进行预锂化处理以提高该负极材料的首圈库伦效率。通过XRD、SEM和TEM分析了预锂化时间对材料晶相结构和表面微观形貌的影响。恒流充放电测试结果表明预锂化时间为8小时得到的SnO_2-Fe_2O_3@C负极材料的首圈库伦效率高达94%,在0.2 A·g~(-1)的电流密度下循环100圈后仍有862mAh·g~(-1)的可逆容量,容量保持率为89.3%。     

金属有机框架衍生的高性能锂离子电池负极Co3O4/C复合材料

为克服Co_3O_4负极材料导电率低、循环稳定性差的缺点,选择Co_2(NDC)_2DMF_2(NDC=1,4-萘二甲酸根)为前驱体采用两步煅烧工艺,制备了具有高碳含量的Co_3O_4/C复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱对样品进行了表征。采用热重分析法(TGA)测定了Co_3O_4/C中非晶态碳的含量。作为锂离子电池的负极材料,Co_3O_4/C具有高的可逆比容量、优异的循环性能(在200 m A·g~(-1)的电流密度下,循环200圈后放电比容量稳定保持在1 000 mAh·g~(-1))和良好的倍率性能(在100、200、500、1 000和2 000 mA·g~(-1)的电流密度下,放电比容量为分别1 076.3、976.2、872.9、783.6和670.1 mAh·g~(-1))。材料优异的电化学性能归结为有机配体衍生的高含量非晶态碳的导电和缓冲作用有利于电子的快速传递并有效减缓了金属氧化物充放电过程中的体积膨胀。     

碳包覆纳米SnSb合金作为高性能钠离子电池负极材料

采用喷雾热解法合成了碳包覆的SnSb/C合金复合材料,利用X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)等方法对产物的物相和形貌进行了表征,其中SnSb/C颗粒为10 nm左右的复合材料(10-SnSb/C)作为钠离子电池负极时,表现出优异的循环和倍率性能。首圈放电达到722.1m Ah·g~(-1),首圈库仑效率86.3%,在100、1000、3000 m A·g~(-1)下比容量分别为607.7、645.4、452.2 m Ah·g~(-1),在1000 m A·g~(-1)电流下循环200周后可逆容量达到623 m Ah·g~(-1),容量保持率为95%。SnSb/C复合材料出色的储钠性能源于其完全被碳包裹的纳米结构,该结构可以有效提高活性物质的利用率,促进电子、离子的传导,并且抑制纳米粒子在长循环过程中的粉化和团聚。     

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。     

高容量有机正极材料杯[4]醌在离子液体中的储锂性能

选用理论容量高达446 mAh·g~(-1)的杯[4]醌(calix[4]quinone,C4Q)作为正极材料,研究其储锂性能。由于C4Q在常规有机电解液中的溶解问题会在一定的程度上限制其性能最大化,我们选用Li[TFSI]/[PY13][TFSI]([PY13][TFSI]:1-丙基-1-甲基吡咯烷鎓双三氟甲基磺酰亚胺)离子液体电解液与C4Q进行匹配组装锂离子电池,较大程度地提升了其循环稳定性和倍率性能。在0.1C的电流密度下,循环100圈后的放电比容量为280 mAh·g~(-1),1 000圈后的容量保持率高达72%。当电流密度增加至1C时,放电容量仍有154 mAh·g~(-1)。     

高容量锂离子电池正极复合材料pillar[5]quinone/CMK-3的制备

以有机醌类化合物柱[5]醌(pillar[5]quinone,P5Q)作为锂离子电池的正极材料,探索了其储锂性能。实验结果表明,P5Q首圈放电容量达到了431 mAh·g^-1,显示出100%的活性位点利用率。然而,P5Q在电解液中的溶解会导致循环过程中容量的衰减。采用超声法将P5Q填入有序介孔碳CMK-3的孔道,制备了P5Q/CMK-3复合材料,以此减少P5Q与电解液的接触,从而减缓了P5Q的溶解速率,提高了电池的循环稳定性。P5Q/CMK-3复合材料100次充放电循环后容量为300 mAh·g^-1,保持率高达71%,说明了该优化方法效果显著,提高了P5Q在锂离子电池中的实际应用价值。     

水洗和回烧工艺对高镍三元材料LiNi0.88Co0.07Al0.05O2微观结构及电化学性能的影响

以镍钴氢氧化物、异丙醇铝为原料,采用水解法合成三元前驱体Ni_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2,再与锂盐混合烧结得到正极材料(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、能量色散X射线谱(EDS)和恒电流充放电测试等对样品的晶体结构、微观形貌、元素价态以及电化学性能进行表征。研究表明,料液比1∶25、水洗3次、600℃回烧2 h合成的LiNi_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2具有较优的综合电化学性能,其在0.2C的放电比容量达207.6 mAh·g~(-1),首次充放电效率为84.8%,1C放电比容量为192.0 mAh·g~(-1),循环100周后,材料的放电比容量仍有148.0 mAh·g~(-1),容量保持率达到77.1%。     

高电化学活性SnO2/TiO2空心微球的制备及其性能

采用一种简便的无模板溶剂热法合成了尺寸在1μm左右、具有堆叠结构的SnO_2/TiO_2空心微球。合成过程的研究结果表明:SnO_2/TiO_2空心微球在形成过程中经历了空心、被填充、分裂到再次形成空心结构的过程。随后,SnO_2/TiO_2空心微球作为锂离子电池负极材料的电化学性能测试结果表明:SnO_2/TiO_2空心微球在0.1 A·g~(-1)的电流密度下,其首次放电容量达到1 484.9mAh·g~(-1),库伦效率为49.0%。经过600次循环后,其放电容量依然可以达到565.6 mAh·g~(-1),显示了高的容量和循环稳定性。     

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。     

基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能

通过氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(Cs)之间的氢键以及静电作用形成GO水凝胶,从而将纳米硅颗粒和碳纳米管(CNT)原位包封于其中,再经冷冻干燥及随后的热处理制得三维硅/碳纳米管/石墨烯(Si-CNT@G)纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)等技术对制得样品的物相、结构和微观形貌等进行了表征。结果表明,所得复合材料在CNT纵横交织的石墨烯网络中,均匀地分布着纳米硅颗粒。当作为锂离子电池的负极材料时,在两种碳介质的协同作用下,有效缓冲硅材料在充放电过程中脱/嵌锂引起的体积变化,缩短了锂离子和电子传输的距离,Si-CNT@G复合材料表现出较好的循环稳定性以及倍率性能。在500 m A·g~(-1)的充放电电流密度下,经过200圈循环后,其放电比容量仍高达673.7 m Ah·g~(-1),容量保持率高达97%;即使将充放电电流密度升至2000 m A·g~(-1)时,该复合材料仍保持有566.9 m Ah·g~(-1)的高可逆放电比容量。独特的制备方法和优越的储锂性能,使得Si-CNT@G纳米复合材料成为理想的高性能锂离子电池负极材料的候选.     

在多元醇体系中一锅法合成具有良好储锂性能的介孔碳-锡复合材料

以介孔碳(MC)为导电和支撑介质, 在多元醇体系中通过简便的化学还原方法制备纳米结构的介孔碳-锡(MC-Sn)复合材料. 采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和恒电流充放电实验对所得产物的形貌、结构及电化学性能进行表征. 结果表明, 大量的Sn纳米颗粒均匀且致密地附着在介孔碳上. 作为锂离子电池负极材料, MC-Sn复合物表现出了较好的循环性能和倍率性能. 例如, 在100 mA•g^-1的充放电速率下循环40圈, 其放电比容量保持在721.5 mAh•g^-1; 当充放电速率增大到1 A•g^-1时, 其放电比容量仍高达265.8 mAh•g^-1. 简单的制备方法和优越的储锂性能,使得MC-Sn复合材料成为一种理想的高性能锂离子电池负极材料.     

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。     

钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)2O2F的控制合成与电化学性能优化

采用简单的水热合成法制备氟磷酸钒氧钠(Na_3V_2(PO_4)_2O_2F,简写为NVPOF),通过调节水热反应溶液的pH值和反应温度等关键参数,有效调节NVPOF的颗粒尺寸和均匀性,优化其电化学性能。研究结果显示,性能最优的NVPOF的合成条件是:pH值为7.00±0.05,水热反应温度为170℃。在该条件下合成的NVPOF正极材料具有优异的电化学性能,表现为0.1C(1C=130 mA·g~(-1))的倍率下放电比容量可达123.2 mAh·g~(-1),且在20C的高倍率下仍可实现85.9 mAh·g~(-1)的比容量,在1C下循环200圈后其容量保持率为96.2%,表明该材料具有高容量、优异的倍率和循环性能。所制备的NVPOF颗粒为纳米尺度且具有很高的均匀性,可缩短Na~+的传输路径从而缩短其传输时间,且NVPOF晶体结构具有高稳定性,是一类具有高性能的钠离子电池正极材料。     

热处理温度对LiMnPO4/C复合纳米纤维电化学性能的影响

以乙酸锂、乙酸锰、浓磷酸和PVP为原料,采用静电纺丝法制备了LiMnPO_4/C纳米纤维锂离子电池正极材料,并研究了煅烧温度对LiMnPO_4/C纳米纤维样品形貌、结构和电化学性能的影响。通过X射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其样品进行了结构和形貌表征。结果表明,经700℃焙烧的LiMnPO_4/C样品为橄榄石型结构,在SEM下呈直径约为310 nm纤维状。该样品在室温0.2 C倍率下首次放电比容量可达157.3 mAh·g~(-1),循环1000圈后的放电比容量在150 mAh·g~(-1)左右,容量保有率为95.3%,具有较高的循环稳定性。     

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。     

简便的两步直接固相反应法制备N、Se共掺杂碳限域的NiSe纳米晶及其储钠性能

通过简便的两步直接固相反应,即在室温下的固相自组装反应制备Ni席夫碱配合物前驱体,然后通过高温固相热解碳化和硒化反应,原位制备了N,Se共掺杂碳限域的NiSe纳米晶复合物。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和热重分析(TGA)等表征技术分别对其物相、形貌结构、组分和含量等进行分析,并通过循环伏安、恒电流充放电和电化学阻抗谱等方法测试其电化学储钠性能。研究结果表明,复合物中NiSe粒子的平均尺寸为100 nm,被均匀限域在N,Se共掺杂的碳基体中;得益于该结构的优势,复合物作为钠离子电池负极材料时,在0.1 A·g~(-1)的电流密度下充放电循环100次后仍保持291 mAh·g~(-1)的可逆充电比容量,保持了首圈充电比容量的88%。同时,在5 A·g~(-1)的电流密度下,可逆充电比容量为197 mAh·g~(-1)。     

LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用

全固态薄膜锂离子电池具有易微型化与集成化等优点,因此,非常适合为微系统供电。负极对全固态薄膜锂离子电池的性能有重要影响。现有电池通常采用金属锂作为负极,然而其枝晶生长问题及低的热稳定性限制了相应电池在工业、军事等高温、高安全场合应用。为此,本文系统研究了LiNbO₃薄膜的电化学性能,结果表明:LiNbO₃薄膜呈现高比容量(410.2 mAh·g^-1)、高倍率(30C时比容量80.9 mAh·g^-1)和长循环性能(2000圈循环后的容量保持率为100%),以及高的室温离子电导率(4.5×10^-8 S·cm^-1)。在此基础上,基于LiNbO3薄膜构建出全固态薄膜锂离子电池Pt|NCM523|LiPON|LiNbO₃|Pt,其展现出较高的面容量(16.3μAh·cm^-2)、良好的倍率(30μA·cm^-2下比容量1.9μAh·cm^-2)及长循环稳定性(300圈循环后的容量保持率...