Nickel-Rich Layered Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries

Nickel-rich layered transition metal oxides are considered as promising cathode candidates to construct next-generation lithium-ion batteries to satisfy the demands of electrical vehicles, because of the high energy density, low cost, and environment friendliness. However, some problems related to rate capability, structure stability, and safety still hamper their commercial application. In this Review, beginning with the relationships between the physicochemical properties and electrochemical performance, the underlying mechanisms of the capacity/voltage fade and the unstable structure of Ni-rich cathodes are deeply analyzed. Furthermore, the recent research progress of Ni-rich oxide cathode materials through element doping, surface modification, and structure tuning are summarized. Finally, this review concludes by discussing new insights to expand the field of Ni-rich oxides and promote practical applications.     

水分对锂离子电池性能的影响

水分对锂离子电池性能的影响;锂离子电池;电池电化学性能;SEI膜     

Toward High-Energy-Density Aqueous Lithium-Ion Batteries Using Silver Nanowires as Current Collectors

The lack of suitable lightweight current collectors is one of the primary obstacles preventing the energy density of aqueous lithium-ion batteries (ALIBs) from becoming competitive. Using silver nanowire (AgNW) films as current collectors and a molecular crowding electrolyte, we herein report the fabrication of ALIBs with relatively good energy densities. In the 2 m LiTFSI–94% PEG–6% H₂O solution, the AgNW films with a sheet resistance of less than 1.0 ohm/square exhibited an electrochemical stability window as broad as 3.8 V. The LiMn₂O₄//Li₄Ti₅O₁₂ ALIBs using AgNW films as the current collectors demonstrated an initial energy density of 70 Wh/kg weighed by the total mass of the cathode and anode, which retained 89.1% after 50 cycles.     

新型锂离子动力电池

介绍一种新型动力电池——LiFePO4锂离子电池,具体阐述了它的工作原理、制备方法和特点,并展望其在生活、生产中的应用前景。     

多电子反应材料推动高能量密度电池发展：材料与体系创新

全球能源结构转型推动了电化学储能系统的飞速发展,提高能量密度是发展新型二次电池的重要方向和研究热点。然而,受限于传统的嵌入式反应,锂离子电池在能量密度上已经逐渐达到极限。要发展更高能量密度的新型二次电池,需要在新理论、新材料和新体系上进行突破。基于此,本文总结了20年来多电子反应材料概念的形成、理论的发展、材料创制的历程。在“轻元素多电子反应”和“多离子效应”核心设计准则的指导下,具有上述特征的电极材料与电池结构不断发展迭代,引领了高能量密度电池的发展方向。从阳离子氧化还原到阴阳离子协同氧化还原,从嵌入式反应到合金化反应,从传统有机液态体系到电池固态化,本文梳理了典型的多电子反应正负极材料的结构特性、体系创新和工程化前景,剖析了多电子反应电极材料的瓶颈问题,并分析了电池固态化发展所面临的挑战。最后,对高能量密度电池的未来发展趋势和难点进行了归纳与展望。     

高比能锂离子电池层状富锂正极材料改性策略研究进展

层状富锂材料具有超过250 mAh∙g⁻¹的高可逆比容量,被认为是下一代高比能锂离子电池最具商业化前景的正极材料之一。然而,层状富锂材料在实际应用之前仍需解决诸多挑战,如高电压氧释放、层状到岩盐相的结构变化、过渡金属离子迁移等结构劣化,并由此带来了较低的初始库伦效率、电压/容量的衰减以及循环寿命的不足。针对以上问题,进行层状富锂材料改性无疑是一种行之有效的方法。本综述全面介绍了层状富锂材料的结构、组分以及电化学性能,在此基础上对材料改性策略进行了系统阐述,详细介绍了体相掺杂、表面包覆、缺陷设计、离子交换和微结构调控等一系列改性策略的现状以及发展趋势,最终提出了高容量和长循环层状富锂材料和高比能锂离子电池的设计思路。     

硅基锂离子电池负极材料

硅是目前已知比容量(4200 mAh ·g^-1)最高的锂离子电池负极材料,但由于其巨大的体积效应(> 300%),硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固相电解质层(SEI),最终导致电化学性能的恶化。本文介绍了硅作为锂离子电池负极材料的储能及容量衰减机理,总结了通过硅材料的选择和结构设计来解决充放电过程中巨大体积效应的相关工作,并讨论了一些具有代表性的硅基复合材料的制备方法、电化学性能和相应机理,重点介绍了硅炭复合材料。另外,介绍了一些电极的处理方法和其提高硅基负极材料电化学性能的可能机理。最后,对硅基负极材料存在的问题进行了分析,并展望了其研究前景。     

芘基共轭微孔聚合物用于锂离子电池电极材料性能研究

共轭微孔聚合物由于其高的比表面积、优良的物理化学稳定性以及沿分子链延伸的共轭结构等特点,使其在锂离子电池电极材料方面具有巨大的应用前景.本工作以四溴芘和对苯二硼酸为构建单元,通过Suzuki偶联反应合成了具有高比表面积的芘基共轭微孔聚合物PyDB,并研究了其作为锂离子电池电极材料的电化学性能.当PyDB用作锂离子电池正极材料时,在50 mA·g^-1的电流密度下,放电容量达到163 mAh·g^-1,即使在3000 mA·g^-1的电流密度下仍具有62 mAh·g^-1的可逆容量,在100 mA·g^-1的电流密度下循环300次仍具有167 mAh·g^-1的容量.当该聚合物用作负极材料时,在50 mA·g^-1电流密度下的放电容量达到495 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下循环300次,仍具有245 mAh·g^-1的容量.PyDB优异的电化学性能主要归因于其延伸的共轭结构和高比表面积的多孔结构,大的共轭结构有利于分子链的掺杂反应和电子传导,高比表面积的多孔结构有利于提供大量的活性位点并促进离子的迁移.     

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...     

紫外光辐照接枝MMA改性锂离子电池PE隔膜

采用紫外光辐照接枝的方法,通过本体聚合,将甲基丙烯酸甲酯（MMA）接枝至聚乙烯（PE）隔膜表面,以改善其对电解液的润湿性能。结果表明：通过紫外光辐照可实现有效的表面接枝,当引发剂质量浓度为0.10 g/mL,光照时间为150 s时,表面接枝率达到49.15%,通过扫描电镜、原子力显微镜等对膜表面形貌变化进行了观察,静态...     

A Review on Regenerating Materials from Spent Lithium-Ion Batteries

Recycling spent lithium-ion batteries (LIBs) have attracted increasing attention for their great significance in environmental protection and cyclic resources utilization. Numerous studies focus on developing technologies for the treatment of spent LIBs. Among them, the regeneration of functional materials from spent LIBs has received great attention due to its short process route and high value-added product. This paper briefly summarizes the current status of spent LIBs recycling and details the existing processes and technologies for preparing various materials from spent LIBs. In addition, the benefits of material preparation from spent LIBs, compared with metals recovery only, are analyzed from both environmental and economic aspects. Lastly, the existing challenges and suggestions for the regeneration process are proposed.     

碳在锂离子电池硅碳复合材料中的作用

随着低比容量硅碳复合材料(<500 mAh/g)在锂离子电池中的商业化应用,硅基负极材料也从实验室研究走向了产业化发展。近年来的研究工作中,许多方法被用来解决硅在循环过程中体积变化(>300%)所带来的一系列问题。在材料结构方面,从最初的硅材料纳米化、硅与其他材料复合等技术手段转变到了硅碳复合材料二次颗粒的结构设计、表面包覆层设计等方法;在应用性能方面,除了早期文献报道的材料比容量、循环性能等参数外,还增加了材料比表面积、振实密度、首次及循环库仑效率等更符合电池实际应用要求的性能参数研究,从而极大地推动了硅基负极材料的商业化应用进程。本文首先综述了近年来硅碳复合材料组成、结构设计的发展脉络,进一步分析了由石墨、软碳、硬碳、碳纤维和石墨烯等碳源合成的硅碳复合材料的结构特点,并对其电化学性能进行分析对比,总结了碳在硅碳复合材料结构及其性能上发挥的作用。最后,对硅碳复合材料制备过程中的结构设计要求和碳材料的选择进行了分析和展望。     

静电纺丝技术在锂离子动力电池中的应用

锂离子动力电池,作为动力源,要求其具有较高的比容量、倍率性能、热稳定性及优异的循环性能。静电纺丝技术是一种新型纳米纤维制备技术,因其制备的纳米纤维膜具有比表面积大和孔隙率高等特点,近年来在锂离子电池领域得到了广泛应用,有望成为大幅改善锂离子动力电池性能的关键技术。基于锂离子动力电池的特性,当前静电纺丝技术主要用于制备高孔隙率的纳米纤维膜、高分子共混膜及无机-高分子复合膜等隔膜材料以提高隔膜的机械性能和热稳定性;此外,静电纺丝技术还被用于改善磷酸铁锂等聚阴离子型正极材料及石墨负极材料的电化学性能。本文还针对上述研究中存在的问题,提出了未来静电纺丝技术在锂离子动力电池中应用的可改进的研究方案。     

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。     

锂离子电池高电压和耐燃电解液研究进展

电解液作为锂离子电池的重要组成部分,起着传输离子的作用,电解液的性质对电池的容量、循环性能及安全性能等影响巨大.近年来,随着高电压、高能量密度锂离子电池的开发应用,现有常规碳酸酯电解液存在正极稳定性差、闪点低、易燃烧等问题.因此,发展高电压耐燃电解液是应用高电压高容量正极材料、发展高电压高容量高安全性锂离子电池的迫切需要.主要综述了高电压电解液、耐燃性电解液及兼具抗氧化性和耐燃性的高浓度电解液的研究进展和现状.在此基础上,对锂离子电池新型电解液的发展方向进行了展望.     

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)。     

静电纺聚偏氟乙烯@硅藻土锂离子电池隔膜的制备及性能

以聚偏氟乙烯(PVDF)和硅藻土为原料,通过静电纺丝法制备PVDF@硅藻土复合纤维膜,用于锂离子电池隔膜。 研究了隔膜的吸液率、热稳定性和电化学性能等。 添加硅藻土可有效提高复合膜的电解液吸收率和电化学性能,其中吸液率可达623.6%,相比于PVDF膜和聚丙烯(PP)膜具有优异的循环性能和倍率性能。     

高比能钠离子电池预钠化技术研究进展

钠离子电池有望取代锂离子电池实现大规模储能应用。然而,储钠负极材料具有较低的初始库伦效率,制约了高比能钠离子电池的开发。预钠化技术被认为是补偿负极活性钠损失、提升电池能量密度的最直接有效的方法,对于钠离子电池的商业化应用具有重要意义。本文全面总结近年来预钠化技术的最新研究进展,包括短接法预钠化、电化学预钠化、钠金属物理预钠化、化学预钠化和正极补钠添加剂等,并从反应原理、安全性、可操作性、处理效率和可放大性等角度分析讨论现有各技术方案的优势及面临的挑战;着重介绍化学预钠化和正极补钠添加剂,这两类最具应用前景的预钠化技术的最新成果,进而从实用化角度深入探讨仍待解决的科学问题和技术难点。本文可为预钠化技术的进一步优化和高比能钠离子电池的开发提供思路。     

Design Strategies of Si/C Composite Anode for Lithium-Ion Batteries

Silicon-based materials that have higher theoretical specific capacity than other conventional anodes, such as carbon materials, Li₂TiO₃ materials and Sn-based materials, become a hot topic in research of lithium-ion battery (LIB). However, the low conductivity and large volume expansion of silicon-based materials hinders the commercialization of silicon-based materials. Until recent years, these issues are alleviated by the combination of carbon-based materials. In this review, the preparation of Si/C materials by different synthetic methods in the past decade is reviewed along with their respective advantages and disadvantages. In addition, Si/C materials formed by silicon and different carbon-based materials is summarized, where the influences of carbons on the electrochemical performance of silicon are emphasized. Lastly, future research direction in the material design and optimization of Si/C materials is proposed to fill the current gap in the development of efficient Si/C anode for LIBs.     

锂离子电池用钴基氧化物的结构设计及本征活性调控的研究进展

锂离子电池的商业石墨负极材料的容量已经接近理论值,限制了动力电池的发展,开发容量高、稳定性好、循环寿命长和倍率性能优良的新型负极材料显得尤为重要。钴基氧化物材料由于其具有较高的比容量,是锂离子电池的理想负极材料之一。本文分别从结构设计和化学成分调控2个方面,结合本课题组近年来的研究及国内外重要文献综述了钴基氧化物作为锂离子电池负极材料的研究进展。在结构设计方面,通过构建一维结构、二维结构、三维结构、空心结构、碳材料支撑结构以及异质结构来增加钴基氧化物的反应活性位点数量;而在化学成分调控方面则通过引入无定型结构、非金属杂原子掺杂、金属杂原子掺杂、构筑高熵氧化物来提高钴基氧化物的本征活性,从而提高钴基氧化物的锂离子电池性能。最后,对钴基氧化物在锂离子电池领域未来的发展进行了展望。