水系锌离子电池负极集流体关键问题及设计策略

水系锌离子电池具有成本低廉、环境友好、安全、能量密度较高等特点,有望应用于大规模电化学储能装置.然而,目前使用的商业化锌箔负极相对正极活性材料大大过量,显著降低了电池的能量密度,且存在严重的穿孔和极耳脱落等问题.使用集流体负载锌作为负极可有效提高放电深度,同时避免电极穿孔失效.但是,集流体界面易产生锌枝晶与副反应,严重影响电池的循环寿命.本综述首先分析了锌枝晶与副反应的产生原因及其对锌负极电化学性能的影响,并从集流体材料成分选择与结构构建两方面总结了锌负极集流体的设计思路,包括选择亲锌性材料、设计择优取向基底与构建三维集流体结构.设计合适的集流体可有效调控锌金属的沉积与剥离行为,从而推进水系锌离子电池的实用化.     

锂离子电池负极材料铜锌锡硫纳米颗粒的制备及其电化学性能

以金属氯化物为金属源,硫脲为硫源,聚乙二醇和乙二醇为混合溶剂,采用溶剂热法一步合成了球形的铜锌锡硫纳米颗粒.利用X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了铜锌锡硫纳米颗粒的物相、结构、形貌;利用电池测试系统对以铜锌锡硫纳米颗粒为锂离子电池负极材料组装的锂离子电池的电化学性能进行了测试.结果表明:所得到的产物为具有锌黄锡矿结构的纯相铜锌锡硫,颗粒直径在300～500nm.铜锌锡硫纳米颗粒作为锂离子电池的负极材料具有较好的稳定性,有望在锂离子电池研究和应用中得到推广.     

水系锌离子二次电池锌负极的研究进展

锌离子二次电池具有优异的充放电性能、高功率密度和能量密度、低成本、高安全性和环境友好的特点,极具发展前景。金属锌,因优异的导电性、低的平衡电势、高的理论比容量和低成本等因素,是水系二次电池中理想的负极材料,然而也存在着枝晶生长、腐蚀和钝化等问题,限制了锌离子二次电池的可逆容量和循环寿命,通过优化调节锌负极的形貌与表面修饰等方法可以提高电池性能。本文综述了水系锌离子二次电池负极材料的研究进展,涵盖了金属锌负极、复合锌负极和锌合金,且展望了锌负极的发展前景。     

水系锌电池Se@Zn负极的制备及性能

采用原位化学反应策略,在Zn电极表面生长出Se单质,通过XRD、XPS、SEM和能谱表征,结果表明Se在Zn电极表面的成功合成,且Se在锌电极表面均匀分布。将Se@Zn电极和裸Zn电极分别组装为对称电池和以MnO₂为正极的全电池进行性能比较,结果表明,Se@Zn对称电池在1 mA/cm²下可以运行1000小时以上,并保持27 mV的极化电压。Se@Zn||MnO₂全电池在2 A/g电流密度下容量为136 mA·h/g,在1000次循环后,Se@Zn||MnO₂全电池仍接有近100%的库仑效率,容量保持率为88%。     

水系锌离子电池锌负极保护策略

水系锌离子电池采用金属锌作为负极材料,具有绿色环保、安全等优势,有望用于大规模储能。锌金属的储量比锂更加丰富,也更容易开采与提纯。同时,锌具有较低的氧化还原电位(-0.76V vs SHE)和较高的理论比容量(820 mAh·g^-1)和体积容量密度(5 854 mAh·cm^-3)。由于充放电过程中存在锌枝晶和不可逆副产物(如H₂、ZnO、Zn₄(OH)₆SO₄)等问题,造成锌负极的库仑效率较低,严重缩短了电池的循环寿命,限制了其实际应用。本文针对锌负极在实际应用中遇到的困难与瓶颈,从微观层面分析了锌负极沉积/溶解的动力学与热力学机理,并从锌电极表面改性、锌片内部结构优化、电解液改性和新型隔膜等方面,介绍了锌负极保护的各种策略,并通过具体实例,分析了其制备方法和改性机理以及最终对电池性能的改善效果,为实用高效的锌负极保护方法提供了思路。最后,文章讨论了锌负极在商业化过程中面临的机遇和挑战,并对未来的研究前景和热点进行了展望。     

甘氨酸电解液添加剂对水系锌离子电池电化学性能的影响

水系锌离子电池因其高安全性、高容量、低价格等优点,有望成为下一代规模储能设备。然而,副反应、锌枝晶和有限的使用寿命阻碍了其实际应用。我们将电解质添加剂甘氨酸(Gly)引入到常规水系ZnSO₄电解质中。Gly中的极性基团(—COOH和—NH₂)可以调节Zn²⁺的溶剂化结构,从而重新分配Zn²⁺的沉积以避免枝晶和副反应发生。结果表明,在ZnSO₄电解质中添加50 mmol·L^-1的Gly后(ZnSO₄-Gly),Zn||Zn对称电池在1 mA·cm^-2和1 mAh·cm^-2下,表现出良好的循环寿命(3 000 h),明显高于使用ZnSO₄电解质的性能(300 h)。以ZnSO₄-Gly为电解液的Zn||MnO₂全电池,在比电容和倍率性能方面比无添加剂器件表现得更好。     

锂离子电池用纳米Sn/SnSb合金三维复合负极的制备及性能

采用多步电沉积法制备的三维多孔铜箔作为集流体、低温液相化学还原法制备的纳米Sn/SnSb 合金作为负极材料, 制备出一种新型三维多孔结构的纳米Sn/SnSb合金复合负极. 通过与普通负极电化学性能的对比实验发现, 这种新型三维复合负极具有如下优点: 三维多孔网络结构提高了负极活性材料与集流体之间的结合力, 使不含粘结剂电极的制备成为可能; 有效缓解了高容量负极活性材料在充放电过程中的体积膨胀, 提高了负极活性材料的循环性能, 当循环到第30周时, 普通负极剩余容量为初始容量的33%, 而三维复合负极剩余容量为初始容量的41%; 三维铜箔集流体的特殊结构为高容量负极活性材料提供了一个良好的导电环境, 使电极反应进行得更加完全, 从而获得了更高的电极比容量, 普通负极初始容量为480 mAh·g-1, 而三维复合负极达到了800 mAh·g-1. 纳米Sn/SnSb合金三维复合负极良好的电化学性能为锂离子电池负极结构的设计开发提供了新的思路.     

基于有机溶剂原位制备的致密疏水铜金属层在保护锌负极中的应用

通过在 N-甲基吡咯烷酮(NMP)有机溶剂中锌电极与 CuI之间的置换反应,在锌电极上原位构建了一层致密且疏水的铜金属保护层(Cu@Zn)。铜金属保护层能有效地隔离锌电极与电解液的接触,减少锌电极-电解液界面的析氢和腐蚀等副反应。同时,铜金属保护层还具有较好的亲锌性,更小的界面电阻,更低的成核能垒,有利于锌离子均匀沉积,从而有效抑制了锌枝晶的生成。Cu@Zn对称电池实现了超过 1 700 h(1 mA·cm^-2)和 1 330 h(3 mA·cm^-2)的循环寿命。采用商用 MnO₂与之匹配得到的Cu@Zn||MnO₂全电池不仅在1 A·g^-1下具有168.5 mAh·g^-1的可逆比容量,还可稳定循环2 000次以上。     

基于有机溶剂原位制备的致密疏水铜金属层在保护锌负极中的应用

通过在 N-甲基吡咯烷酮(NMP)有机溶剂中锌电极与 CuI之间的置换反应,在锌电极上原位构建了一层致密且疏水的铜金属保护层(Cu@Zn)。铜金属保护层能有效地隔离锌电极与电解液的接触,减少锌电极-电解液界面的析氢和腐蚀等副反应。同时,铜金属保护层还具有较好的亲锌性,更小的界面电阻,更低的成核能垒,有利于锌离子均匀沉积,从而有效抑制了锌枝晶的生成。Cu@Zn对称电池实现了超过 1 700 h(1 mA·cm^-2)和 1 330 h(3 mA·cm^-2)的循环寿命。采用商用 MnO₂与之匹配得到的Cu@Zn||MnO₂全电池不仅在1 A·g^-1下具有168.5 mAh·g^-1的可逆比容量,还可稳定循环2 000次以上     

全固态无负极锂金属电池纳米化复合集流体构筑

全固态无负极锂金属电池(AFSSLB)是一种通过初次充电形成金属锂负极的新型锂电池,它的负极与正极容量比为1,能使任意锂化正极系统达到最大能量密度。无机固态电解质的引入使无负极锂金属体系兼具高安全性。然而,电池循环过程中的锂离子通量不均导致的界面接触损失和锂枝晶生长会不断加剧,从而造成电池循环容量迅速衰减。本文构筑了纳米化的银碳复合集流体,显著增强了全固态无负极锂金属电池中集流体-电解质界面的性能。使用该集流体的固态电池循环过程中接触良好,界面阻抗为～10?·cm^-2。从而实现了超过7.0mAh·cm^-2锂金属的均匀稳定沉积,并在0.25mA·cm^-2的电流条件下实现循环200次以上。     

新型三维网状锡-钴合金负极材料的结构与性能

应用电沉积技术制备了三维网状结构的Sn-Co合金负极材料, 采用XRD、SEM和电化学方法考察了该负极材料的结构和性能. XRD分析表明, 该三维网状结构的Sn-Co合金镀层为六方固溶体结构. 其电化学性能测试表明: 三维网状结构Sn-Co合金微晶电极的性能稳定, 其首次放电容量高达493.4 mAh•g−1, 首次库仑效率达80.03％, 而平面结构Sn-Co合金电极的首次库仑效率为63.47％. 经50周充放电循环后, 三维网状结构Sn-Co合金电极的放电容量为329.6 mAh•g−1, 放电容量保持率为66.8％；SEM分析表明: 三维网状Sn-Co合金电极表面是由大小不一、高低不同的“岛”紧密排列在一起；“岛”和多孔结构的存在, 缓冲了锂嵌入时体积的膨胀, 部分抑制了材料结构的变化, 减缓了电极容量的衰减, 改善了电极的循环性能.     

锂离子电池纳米氧化镍负极的制备及应用

应用水热法制备纳米氧化镍,观察样品形貌及研究电极电化学性能.结果表明,在水热合成过程中加入表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）,可形成疏松多孔、表面呈蜂窝状、颗粒均匀（100～200 nm）的纳米氧化镍.0.1 A/g电流密度下,该纳米NiO电极首周期放电比容量高达2385.7 mAh/g,100周期之后电极比容量仍然稳...     

功率型锂离子电池负极材料TiO2/石墨烯的制备及其电化学性能研究

采用无表面活性剂回流法制备了蜂窝状TiO2/石墨烯(GNs)复合材料.扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)表征结果表明,TiO2颗粒约5～10 nm,均匀地分散在石墨烯的表面.锂电池测试显示,1C充电容量稳定在240.1 mAh.g-1;30C充电容量为169.5 mAh.g-1;当电流调回1C时,其充电容量仍可完全恢复(241.7 mAh.g-1);10C 300周期循环电极容量保持率为89.8%.     

木质素纳米炭的制备及作为锂离子电池负极的性能研究

采用生物炼制工业中残渣提取的酶解木质素与乙酸锌在碱性条件下水热复合, 制备出低分子量木质素/氧化锌复合物(LWL/ZnO), 再通过碳化和酸洗后得木质素纳米炭材料(NLC). 通过对其形貌结构进行表征后发现, NLC呈粒径小于50 nm的纳米颗粒结构, 比表面积为833.25 m²/g, 介孔率高达58.07%, 其中孔径约10 nm的介孔发达. 电化学性能测试结果表明, NLC作为锂离子电池负极材料具有良好的循环性能和倍率性能, 在200 mA/g的电流密度下循环200次后仍能保持705 mA·h/g的可逆比容量.     

锂离子电池锡镍合金负极材料的掺杂改性

采用化学还原共沉积法,对Sn-Ni合金分别进行Sb、Cu和Co掺杂改性;研究了掺杂对Sn-Ni合金电化学性能的影响.结果表明:掺杂后的合金材料综合电化学性能都有所提高,其中Co改性Sn-Ni合金的性能最佳.20次循环后,Sn-Ni-Co合金的放电容量仍高达365 mAh.g-1,比Sn-Ni合金的高49%;而Sn-Ni-Sb和Sn-Ni-Cu合金在相同条件下的放电容量仅分别提高37%和24%.     

锂离子电池负极硅-热解碳-石墨复合材料的制备及性能

以沥青为碳前驱物,通过加热分解法制备了具有不同热解碳含量的硅-热解碳-石墨复合材料,并测试及分析了材料的形貌、结构及电化学性能。结果表明,沥青质量在320～560℃的温度区间内迅速减小,沥青质量的减小是由于氢元素的去除。经过高温分解制得的热解碳与沥青的质量比率为65%。在硅-热解碳-石墨复合材料中,硅颗粒分散在石墨表面,热解碳覆盖在硅颗粒表面,热解碳增强了硅颗粒与石墨间的界面结合力。适当含量的热解碳增大了复合材料的放电比容量且改善了循环稳定性;过量的热解碳不能进一步提升复合材料的放电容量。     

锂离子电池锡薄膜负极制备及电化学性能研究

应用真空蒸发法在泡沫铜基底上制备锡薄膜负极.XRD、SEM分析表征薄膜的物相结构及其微观形貌,并测试了材料的电化学性能.结果表明,泡沫铜基底的三维结构增强了活性物质与基底的结合力.在同一基底温度下,锡颗粒随蒸发时间延长逐渐增大,电池电化学性能降低;而在同一时间内,升高基底温度,颗粒无明显变化,电池循环寿命有了很大提高.样品A″电池(基底温度:200℃,蒸发时间:0.5 h)经100次充放电循环后比容量仍达407.3 mAh·g-1.     

基于三维集流体的无枝晶锂金属负极

随着电化学储能市场的迅猛发展, 当前商用锂离子电池难以满足人们对高能量密度储能器件的需求. 锂金属具有高比容量和低氧化还原电位等优点, 被认为是下一代二次电池的理想负极材料. 然而, 锂金属负极在充放电过程中会出现体积变化大、 枝晶生长、 界面不稳定等问题, 严重阻碍了其在二次电池中的实际应用. 三维多孔材料具有骨架/空间互穿网络结构、 比表面积大、 孔隙发达和机械性能好等物理特性, 用作金属锂负极的集流体, 在锂沉积/溶解过程中可以起到降低局部有效电流密度、 均匀电场分布和降低锂离子浓度梯度的作用, 有望实现锂的均匀成核和无枝晶沉积, 同时抑制了电极的体积膨胀. 尽管有关三维集流体的研究报道不断出现, 但综合系统评价现有各种三维集流体体系的工作鲜见报道. 本文聚焦锂金属负极三维集流体的构建及应用研究进展, 首先分析了三维集流体抑制锂枝晶生长的基本原理及局限性, 继而重点关注了三维集流体的结构调控、 表面改性和功能化等应对策略对锂成核、 沉积过程的影响, 并对不同材质三维集流体的优缺点进行了归纳总结. 最后, 面向实用化, 分析并展望了三维集流体应用于锂金属电池的发展前景.