钠离子电池正极材料研究进展

近年来,钠离子电池由于资源丰富、价格低廉等特点,逐渐成为储能领域的研究热点。然而,钠离子具有较大的离子半径和较慢的动力学速率,成为制约储钠材料发展的主要因素,而发展高性能的嵌钠正极材料是提高钠离子电池比能量和推进其应用的关键。本文详细综述了目前钠离子电池研究的正极材料体系,包括过渡金属氧化物、聚阴离子类材料、普鲁士蓝类化合物、有机分子和聚合物、非晶材料等,并结合这几年我们课题组在正极方面的研究工作,探讨了材料的结构和电化学性能的关系,分析了提高正极材料可逆容量、电压、结构稳定性的可能途径,为钠离子电池电极材料的发展提供参考。     

纳米锰基普鲁士白的制备及电化学储钠性能

采用高温共沉淀法制备锰基菱方相的普鲁士白正极材料,研究合成温度对产物微结构和电化学性能的影响。研究发现,随着合成温度的提高,产物的结晶度、颗粒尺寸和嵌钠容量明显提高。当合成温度为90℃时,产物在15 mA·g^-1下首次充放电容量分别达到142和139 mAh·g^-1。在30和50 mA·g^-1分别循环300和600次时,容量仍保持在111和89 mAh·g^-1。     

铁基普鲁士蓝正极的制备及电化学储钠性能

通过引入抗氧化剂(抗坏血酸)和配位剂(柠檬酸钠),采用共沉淀法在室温下制备出了高钠含量、低缺陷的铁基普鲁士蓝材料。由于高的钠含量和低的晶体缺陷,该材料在0.1C时容量可达110.0 mAh·g^-1。除了普鲁士蓝材料独特的开放框架结构,其多边界结构和低的缺陷,使该材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性。在10C大电流下,容量仍有86.6 mAh·g^-1,1C电流下经过1300次循环,容量保持在90.1 mAh·g^-1,容量保持率达到86.9%。     

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。     

钠离子电池炭基负极材料研究进展

钠离子电池是目前新兴的低成本储能技术,因在大规模电化学储能中具有较好的应用前景而受到了国内外学者广泛的关注与研究。作为钠离子电池的关键电极材料之一,非石墨的炭质材料因具有储钠活性高、成本低廉、无毒无害等诸多优点,而被认为是钠离子电池实际应用时负极的最佳选择。本文详细综述了目前钠离子电池炭基负极材料的研究进展,重点介绍了炭质材料的储钠机理与特性,分析了炭材料结构与电化学性能之间的关系,探讨了其存在的问题,为钠离子电池炭基负极材料的发展提供有益的认识。     

室温钠离子储能电池电极材料结构研究进展

随着风能和太阳能等新能源的大规模发展及未来智能电网的实现,大规模储能系统显得越来越重要.室温钠离子电池以较低的成本再次引起了研究者的兴趣,并成为一种有前途、低成本的储能体系.目前,已提出多种材料可作为钠离子电池的电极材料.一般而言,材料的性质主要由材料的晶体结构决定,本文主要介绍目前提出的多种可行室温钠离子电池电极材料的晶体结构,希望通过总结已有电极材料的晶体结构,对新材料的设计提供指导.     

Fe2O3/rGO纳米复合物的制备及其储锂和储钠性能

金属氧化物可通过电化学转换反应与锂离子及钠离子发生多电子可逆结构转换,是一类极具应用前景的高容量锂离子和钠离子电池负极材料。实验以氧化石墨烯和铁盐为前驱体,采用简单的溶剂法,成功将Fe₂O₃纳米单晶粒子均匀负载于石墨烯的导电片层上,获得Fe₂O₃/rGO(还原氧化石墨烯)纳米复合材料。复合电极在锂离子和钠离子电池中都表现出优异的充放电性能和循环稳定性。实验结果表明石墨烯的包覆不仅能降低Fe₂O₃发生转换反应的电荷传递阻抗,而且能够稳定电极在循环过程中带来的结构转变,极大改善电极大电流充放能力和循环稳定性。本研究为发展高容量的锂离子和钠离子电池负极材料提供了可行的途径。     

铁基普鲁士蓝正极材料的宏量制备及电化学储钠性能

以柠檬酸钠作为配位剂,采用共沉淀法,在室温下制备了铁基普鲁士蓝材料(FePB).当使用20 L容积的反应釜,并将前驱体亚铁氰化钠(Na4[Fe(CN)6])的浓度提高至0.5 mol·L-1时,制备一次可实现高达500 g的产量.电化学测试显示,所得FePB材料具有较高的容量、优异的倍率性能和良好的循环寿命.在0.1C...     

钠离子电池工作原理及关键电极材料研究进展

由于钠资源价格低廉、分布广泛等优点,钠离子电池及其关键电极材料的研究近年来引起了广泛的关注.然而,与锂相比,钠的离子半径大得多,使其在储钠材料中的迁移速度过慢而严重地限制了钠离子电池倍率性能的提升和储钠容量的表达,而且钠元素具有更高的相对原子质量,也在理论上限制了钠离子电池的能量密度.因此,开发先进的、利于钠离子脱嵌的电极材料是开发高性能钠离子电池的关键.本文在钠离子电池工作原理的基础上,着重介绍了几类典型的关键电极材料,并对它们的研究进展进行了简要综述.     

NaF-M(M=Fe,Cu)钠离子电池转换正极材料的研究

以纳米TiN为研磨剂,采用机械球磨技术制备了NaF-M（M = Fe, Cu）纳米复合物,探索了这类复合物作为钠离子电池转换正极材料的可能性. 电化学测试表明,NaF-Fe和NaF-Cu纳米复合物电极在钠离子电解液中能实现与Na⁺的逆向转换反应,其可逆放电容量达150 mAh.g^-1以上,并具有较好的循环寿命. 只要创造了适合相转变反应进行的微区结构,钠离子的转换反应也可以通过可逆的电化学转换反应实现,并从起始的富钠放电态直接充电至贫钠的荷电态. 本工作为开发高容量钠离子电池正极材料提供了新途径.     

电化学转换反应及其在二次电池中的应用

电化学转换反应作为一种新的电极反应机制,近年来受到相当多的关注. 转换反应不仅能够利用金属化合物的多价态氧化还原,大幅度提高电化学容量利用率,而且对于主体晶格的结构、嵌脱阳离子的尺寸并无特殊要求,可以应用于众多不同种类的金属化合物,针对不同的金属离子设计高容量正负极活性材料. 因此,基于转换反应构建高容量电极材料正成为二次电池发展的一个新方向. 本文简要分析了电化学转换反应的基本原理和实现条件,并结合作者课题组近年来的研究工作探讨了这类反应在锂离子及钠离子电池中的潜在应用.     

钠离子电池先进功能材料的研究进展

钠离子电池作为一种新型的化学电源,因钠资源储量丰富、成本低廉等优势,在规模储能领域具有应用前景,近年来受到了人们的广泛关注.为了获得比能量高、循环寿命长和快速充放电能力强的先进钠离子电池,人们正致力于开发比容量高、循环性能好和倍率性能佳的储钠电极材料和离子电导率高、电化学窗口宽的功能电解液,并取得了重要进展.目前,有前景的正极材料主要有高容量的层状氧化物、高电位的氟磷酸盐和长寿命的磷酸盐;可用的负极材料主要包括循环稳定性强的钛基层状氧化物和碳材料、比容量大的金属/非金属单质和低成本的金属化合物;有效的功能电解液有酯类电解液和醚类电解液.本综述详细总结了上述几类电极材料和电解液的最新研究进展,重点介绍了它们的电化学性质、科学难题及解决策略.     

电化学双电层电容器用新型炭材料及其应用前景

活性炭是目前使用最为广泛的一种电化学双电层电容器（EDLC）的电极材料,但其固有的缺点制约了EDLC性能的进一步提高。用新型高性能炭电极材料可使EDLC比能量和比功率性能进一步提高。这些新型炭材料包括基于石墨层状结构的纳米门炭,基于碳纳米管阵列结构的毛皮炭,通过高温置换反应制备的骨架炭以及电极可整体成型的纳米孔玻态炭。本文介绍了这些炭材料的电化学特性及其在电化学双电层电容器中的应用,指出用这4种新型炭材料制备EDLC的比能量或比功率性能远高于目前活性炭基EDLC,具有良好的应用前景。     

锂离子电池电极材料固体核磁共振研究进展

对于研究材料的结构变化和考察原子所处的化学环境，固体核磁共振技术是一种有效的手段。通过⁶Li和⁷Li核磁共振谱的变化，可以清楚地了解锂离子电池电极材料中Li与邻近金属或碳原子的配位情况及在充放电过程中对应于锂离子嵌/脱过程中材料的结构变化，对于研究电极材料的电化学性能有重要的意义。本文综述了固体NMR技术在研究锂离子电池电极材料的结构及嵌锂机理方面的一些进展。     

含聚苯胺类锂离子电池复合电极材料研究进展

聚苯胺是目前研究最为广泛的导电高分子材料之一,具有特殊的电学、光学性能,在电子工业、信息工程、国防工程等的应用开发进行了深入研究。聚苯胺经掺杂后可形成P型和N型导电态,这种掺杂机制使得聚苯胺的掺杂和脱掺杂完全可逆,而掺杂度受pH值和电位等因素的影响,且电化学活性同比传统锂电极材料在充放电过程中具有更优异的可逆性能,因此有关在设计聚苯胺参与锂电池电极复合材料的研究也越来越受到重视。本文综述了不同结构聚苯胺锂离子电池复合材料的制备方法,并着重介绍了聚苯胺基复合材料锂离子电池等领域研究的电化学性能,最后展望了聚苯胺基复合材料的应用前景。     

Facile Synthesis of Porous Mn2O3 Nanoplates and Their Electrochemical Behavior as Anode Materials for Lithium Ion Batteries

Porous Mn₂O₃ nanoplates were prepared by a facile polyol solution method combined with a simple post‐annealing process. The porous Mn₂O₃ nanoplates were characterized by XRD, field‐emission SEM, high‐resolution TEM, and N₂ adsorption/desorption isotherm measurements. The formation process for the Mn₂O₃ nanoplates was proposed as a morphology‐conserved transformation strategy. These porous nanoplates exhibited improved electrochemical performance with excellent cycling stability and good rate capability when applied as anode materials in lithium ion batteries.     

Co-Sn合金作为锂离子电池负极材料的研究

采用高能机械球磨法合成了富Co的Co3Sn2合金, 测试了Co-Sn合金作为锂离子电池负极材料的充放电性能. 考察了在机械球磨过程中加入碳和高温处理球磨后样品对合金组成和电化学性能的影响. XRD测试结果表明, 加入碳后所得样品的主要成分为CoSn2. 于400和600 ℃处理后主要成分转变为CoSn和Co3Sn2. CoSn2, CoSn和Co3Sn2的充放电容量随着Sn含量的降低依次降低, 但循环性能得到提高.     

表面包覆保护的离子电池新型正极材料LiFeBO3电化学性能

以偏硼酸锂和草酸亚铁为原料,采用固相反应,合成了用于动力锂离子电池新型正极材料LiFeBO<,3>,并用乙丙共聚物(EPM)对该材料进行包覆保护处理;采用XRD、SEM和元素分析等测试技术对样品进行表征.实验表明.LiFeBO<,3>具有较高的放电重量比容量,而且包覆EPM后的硼酸铁锂具有更好的电化学性能,5%EPM包覆的硼酸锂首次放电容量达190 mA·h/g,0.5 C下充放电循环50次后容量衰减只有4.2%.     

锂离子电池Sn基合金负极材料

发展高安全性、高能量、低成本、长寿命锂离子电池是当前动力电池应用面临的巨大挑战。电池的性能主要取决于正负极电极材料的性能。Sn基合金负极具有高能量和安全特性,是一种很有产业化前景的锂离子电池负极材料。本文综述了Sn基合金电极作为锂离子电池负极的最新研究进展,对Sn基合金负极的不同制备方法进行了总结,重点介绍了锡基合金负极材料在电化学性能方面所存在的问题及其原因,包括锡基活性物质的损失、SEI膜和氧化膜的形成、纳米粒子的团聚和锂离子嵌入过程中死锂的产生等影响合金充放电性能的因素,最后展望了以提高Sn基合金负极电化学性能为目的的研究趋势。