高分子基电极材料在电化学储能中的应用进展

高效电化学活性材料是实现高性能电化学储能设备的关键核心之一.如何在原子层次对电极材料微观结构进行精密调控,并发展有效合成策略和方法实现的结构控制合成,以提升器件电化学性能是备受关注的科学问题和基础研究的前沿.高分子材料理化结构丰富、官能团种类可调,已成为现代工业发展中的重要基石.特别是刚性芳杂环高分子基材料由于含有芳杂环结构,利于高温聚合且残炭率高,在碳化后具有良好的元素、形貌继承性,因此刚性芳杂环高分子基材料近年来在电化学储能领域也得到了广泛应用.系统总结了刚性芳杂环高分子基电极材料在超级电容器、钠离子电池、锂硫电池等电化学储能器件中的应用.并特别介绍了本课题组通过本征掺杂方式创制出的系列元素、形貌可控的高分子基电极材料.最后,总结并展望了高分子基材料在能源领域中未来的研究方向.     

用于储锂电池的三维碳结构集流体

三维碳结构材料具有轻质、优异的热学和电学性质,良好的机械性能和电化学稳定性等特点,用作电化学储能器件的集流体能够优化电极材料层中的导电网络同时缓解体积膨胀,实现电极能量密度、功率密度和循环稳定性的同时提升,在电化学储能领域展现出了巨大的应用潜力.本文结合本课题组在碳材料方面的部分研究工作,概述了当前三维碳结构集流体在锂离子电池中的最新研究进展.根据三维网络结构基元之间的连接方式,从共价键组装和非共价键组装的三维碳网络两个方面进行了分类总结,并对碳集流体在锂离子电池中存在的问题及发展方向进行了阐述,从而为进一步设计和优化新型的三维碳结构集流体提供新思路.     

含异原子石墨炔基电极材料的研究进展

碳材料具有价格低廉、 易制备、 环境友好、 导电性高、 比表面积大以及适合离子存储和迁移等优点, 已成为目前应用于电化学储能器件电极的重要材料之一. 石墨炔(GDY)是一种新型的二维碳同素异形体, 由sp²碳杂化形式的苯环和sp碳杂化形式的炔键构成. 这种独特的化学结构一方面保持了碳材料良好的导电特性, 另一方面形成了新颖的离子传输通道, 为碳材料带来了不同的离子传输和存储特性. 与此同时, 由于石墨炔的空间结构可调性, 可以通过引入异原子微调石墨炔电子结构, 拓展石墨炔在电极材料领域的应用. 本文重点对近几年异原子杂化石墨炔基电极材料在锂离子电池、 钠离子电池、 金属硫电池、 电容器、 金属空气电池和电极保护等储能领域的研究工作进行总结, 并对未来石墨炔类材料在储能领域的发展进行了展望.     

基于无机电致变色材料的变色储能器件

电致变色和电化学储能的原理均是基于电荷在电极中的嵌入或脱出而发生的氧化还原反应,具有相同的电化学本质。将电致变色和电化学储能功能集成在一起的电化学器件即电致变色储能器件。以锂离子电池为代表的电化学储能器件已广泛商业化,单一功能的电致变色器件也已被广泛报道并有商业化应用,但有关电致变色储能器件的研究仍然停留在实验阶段。该类器件在电化学储能的同时,可以改变其在可见光甚至红外波段的透射率,并可用颜色指示器件的荷电状态,为电化学器件提供新的应用前景。电致变色储能器件主要包括电致变色超级电容器、电致变色电池和光驱动电致变色智能窗等。电致变色超级电容器和电致变色电池以同时具有电致变色效应和电荷存储性质的材料为正负电极,光驱动电致变色智能窗则还包括将光能转化为电能的光电转换部分。这些器件可用于建筑节能智能窗、静态显示、智能传感等。此外,在柔性基底上制备的可穿戴电致变色储能器件在智能服装、植入显示器和电子皮肤等方面具有应用潜力。本文从基本原理、研究进展和应用领域等方面对无机电致变色储能材料与器件进行综述,并提出未来的研究展望。     

钠离子电池合金化负极材料研究及应用进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、分布广泛、价格低廉的优势在大规模储能领域具有重要的应用前景,可与锂离子电池形成优势互补.负极材料是电池化学的关键组成,其能量密度、使用寿命等直接影响着电池性能.合金化材料具有理论比容量高、工作电压适宜等优势,被认为是一类有应用潜力的储钠负极.然而,这类材料发生合金化反应时体积膨胀严重,电极材料易粉化脱落,造成电化学稳定性欠佳.目前,主要通过材料微纳结构设计、界面化学调控、碳材料复合、表面包覆、电解液优化等方法来改善其电化学性能.本文综述了合金化负极材料的最新研究进展,探讨了其发展面临的瓶颈以及解决方案,介绍了基于合金化负极的钠离子全电池构筑策略和应用实例,为高性能钠离子电池的发展提供一定参考依据.     

石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及应用进展

石墨烯和碳纳米管都是纳米尺寸的碳材料,具有极大的比表面积、良好的导电性以及优秀的机械性能等特性. 选择合适的方法制备出石墨烯/碳纳米管复合材料,它们之间可以产生一种协同效应,使其各种物理化学性能得到增强,因而这种复合材料在很多领域有着极大的应用前景. 以石墨烯/碳纳米管复合材料为综述对象,详细地介绍了它的制备、掺杂和应用等方面的进展,同时也对其发展前景进行了展望. 这种复合材料不仅被成功地应用在电容器、光电器件、储能电池、电化学传感器和其它领域,而且也会在这些领域内深化并向其它领域延伸.     

基于阴离子-石墨嵌层化合物的电化学电容器

石墨可以在高电势下电化学可逆存储阴离子,有望在高电压储能器件中担当正极材料.本文介绍了基于阴离子-石墨嵌层化合物型正极材料的高比能电容器的研究进展,剖析了影响电容器性能的各方面因素,探讨了一系列表征相关电极材料储能机制的方法和手段,揭示了溶剂化效应对阴离子插嵌石墨正极电化学行为的关键性作用.并进一步概述了该种正极材料近年来在新型储能器件-双离子电池中的发展态势,展望了其应用前景和即将面临的潜在问题.     

钠离子电池碳负极材料的研究进展

钠离子电池具有资源丰富和成本低等优势,在大规模储能领域受到广泛的关注.开发具有高比容量和长循环稳定性的电极材料是钠离子电池走向应用的关键.碳材料作为钠离子电池的负极材料,具有可调控性高与稳定性好等优势,具有应用潜力.目前,研究较为广泛的碳材料主要包括石墨、无定形碳、杂原子掺杂碳、生物质合成碳,但这些碳负极材料存在着钠-石墨化合物热力学不稳定、较大的体积变化以及初始库伦效率低等问题,制约了钠离子电池的发展与广泛应用.通过对碳材料的结构进行修饰改性及将其与电解液进行匹配,可以有效提升其储钠性能.本文对这几类碳材料的结构特点、电化学性能、储钠机理、面临的问题、改进方法以及商业化前景进行总结,为钠离子电池碳负极材料的发展提供新见解.     

自卷曲技术在微型储能器件上的应用

微型能源存储器件在可穿戴电子产品、微型自驱动探测器等领域有重要的应用前景,同时为研究储能器件电极结构、电子/离子传导率以及电化学动力学之间的内在联系提供了理想的平台。自卷曲技术是利用材料内部存在的残余应力而实现二维薄膜材料自行弯曲的一种方法。相比于传统微纳制备工艺,这种方法可以在微米尺度下将二维薄膜电极材料有序卷曲排列,为微型储能器件的制备提供了有效、便捷的途径。本文介绍了近些年自卷曲技术在微型能源存储器件上的重要进展,其中包括材料自卷曲的原理、自卷曲电极及其储能性质,并以此为基础,着重阐述了自卷曲技术制备单根管微型锂离子电池和电容阵列的应用实例。总结并展望了自卷曲技术在微型储能器件应用上的未来挑战和重要机遇。     

电化学储能基本问题综述

储能是能源、信息、交通、医疗、航空航天、先进制造、先进装备、国家安全等领域的关键支撑技术. 电化学储能技术应用广泛,不断发展. 本文小结了电化学储能技术中的储能原理、技术指标、技术成熟度. 从基础科学的角度,主要以锂离子电池为例,简述了电化学储能器件中非传统电化学问题,包括热力学、动力学、尺寸效应、非对称体系、非对称充放电反应路径、表面现象、混合离子输运、固态电池等. 最后,对未来的电化学储能技术的发展提出了个人的理解.     

Recent Advances in Porous Carbon Materials for Electrochemical Energy Storage

Climate change and the energy crisis have promoted the rapid development of electrochemical energy‐storage devices. Owing to many intriguing physicochemical properties, such as excellent chemical stability, high electronic conductivity, and a large specific surface area, porous carbon materials have always been considering as a promising candidate for electrochemical energy storage. To date, a wide variety of porous carbon materials based upon molecular design, pore control, and compositional tailoring have been proposed for energy‐storage applications. This focus review summarizes recent advances in the synthesis of various porous carbon materials from the view of energy storage, particularly in the past three years. Their applications in representative electrochemical energy‐storage devices, such as lithium‐ion batteries, supercapacitors, and lithium‐ion hybrid capacitors, are discussed in this review, with a look forward to offer some inspiration and guidelines for the exploitation of advanced carbon‐based energy‐storage materials.     

Carbon Electrode Materials for Advanced Potassium-Ion Storage

Tremendous progress has been made in the field of electrochemical energy storage devices that rely on potassium-ions as charge carriers due to their abundant resources and excellent ion transport properties. Nevertheless, future practical developments not only count on advanced electrode materials with superior electrochemical performance, but also on competitive costs of electrodes for scalable production. In the past few decades, advanced carbon materials have attracted great interest due to their low cost, high selectivity, and structural suitability and have been widely investigated as functional materials for potassium-ion storage. This article provides an up-to-date overview of this rapidly developing field, focusing on recent advanced and mechanistic understanding of carbon-based electrode materials for potassium-ion batteries. In addition, we also discuss recent achievements of dual-ion batteries and conversion-type K−X (X=O₂, CO₂, S, Se, I₂) batteries towards potential practical applications as high-voltage and high-power devices, and summarize carbon-based materials as the host for K-metal protection and possible directions for the development of potassium energy-related devices as well. Based on this, we bridge the gaps between various carbon-based functional materials structure and the related potassium-ion storage performance, especially provide guidance on carbon material design principles for next-generation potassium-ion storage devices.     

电化学储能研究22年回顾

本文回顾了22年来作者的电化学储能研究活动,共分三个部分. 第一部分叙述高比能量、高比功率储能器件研究,包括锂硫电池研究（硫复合正极材料、锂硫电池制作、锂硼合金作为锂硫电池负极、硫-锂离子电池新体系）、超级电容器研究（超级活性炭、以酚醛树脂为原料制备电容炭、碳纳米管阵列中寄生准电容储能材料、氧化镍干凝胶准电容储能材料、归纳出电容炭材料的性能要求、电容器研制、确定“第四类”超级电容器）、锂离子电池研究（锂离子电池与可再生燃料电池的对决、双变价元素正极材料、磷酸钴锂正极材料、高功率锂离子电池的制作）. 第二部分叙述规模储能电池研究,包括液流电池新体系研究（蓄电与电化学合成的双功能液流电池、全金属化合物单液流电池、有机化合物正极的单液流电池）、致力于振兴铅酸电池（推广铅蓄电池新技术、铅炭电池的研究、铅酸电池新型板栅的研究）,储能电池（站）的经济效益计算方法. 第三部分叙述电动汽车发展路线研究,包括氢能燃料电池电动汽车、纯电动汽车与混合动力汽车、对我国电动汽车发展路线的建议、力争电动汽车补贴的合理化、坚守电动汽车“节能减排”宗旨、提出“发电直驱电动车”. 最后的结束语谈了三点感悟.     

2020 Roadmap on Carbon Materials for Energy Storage and Conversion

Carbon is a simple, stable and popular element with many allotropes. The carbon family members include carbon dots, carbon nanotubes, carbon fibers, graphene, graphite, graphdiyne and hard carbon, etc. They can be divided into different dimensions, and their structures can be open and porous. Moreover, it is very interesting to dope them with other elements (metal or non‐metal) or hybridize them with other materials to form composites. The elemental and structural characteristics offer us to explore their applications in energy, environment, bioscience, medicine, electronics and others. Among them, energy storage and conversion are extremely attractive, as advances in this area may improve our life quality and environment. Some energy devices will be included herein, such as lithium‐ion batteries, lithium sulfur batteries, sodium‐ion batteries, potassium‐ion batteries, dual ion batteries, electrochemical capacitors, and others. Additionally, carbon‐based electrocatalysts are also studied in hydrogen evolution reaction and carbon dioxide reduction reaction. However, there are still many challenges in the design and preparation of electrode and electrocatalytic materials. The research related to carbon materials for energy storage and conversion is extremely active, and this has motivated us to contribute with a roadmap on ‘Carbon Materials in Energy Storage and Conversion’.     

《能源电化学材料》专辑序言

以电化学能量储存和转化为特点的电池、电容器等储能技术,正在信息通讯、新能源汽车、微电网、分布式发电、大型电力储能、智能电网等领域得到广泛应用,将有力推动能源互联网的快速发展. 作为储能核心技术之一的锂电池、钠电池与超级电容器,更加受到重视. 这些电化学储能装置的性能依赖于所使用的电极材料与结构等. 发展高能量密度、高功率密度和长循环寿命的低成本储能体系成为能源电化学材料研究的核心. 本专辑围绕锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等,收录了在该领域具有丰富研究经验的团队所撰写的8篇相关综述和研究论文. 其中,围绕下一代锂离子电池负极硅材料,邀请了3篇综述和研究论文;鉴于丰富的钠资源,在钠离子电池研究方面也邀请了3篇综述论文;同时在高能量密度的锂硫电池和高功率密度的超级电容器方面各邀请1篇论文. 从这些论文中,可以部分看出锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等能源电化学材料的研究进展. 希望借助此专辑的出版,能使广大读者更好地了解上述几类电池、电容器的研究现状,研究趋势和存在问题及挑战,为更深入地开展该领域研究提供参考,以推动我国能源电化学材料研究的进一步发展. 在此,对专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤劳动,表示最衷心的感谢！     

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。     

Graphene-based electrochemical energy conversion and storage: fuel cells, supercapacitors and lithium ion batteries

Graphene has attracted extensive research interest due to its strictly 2-dimensional (2D) structure, which results in its unique electronic, thermal, mechanical, and chemical properties and potential technical applications. These remarkable characteristics of graphene, along with the inherent benefits of a carbon material, make it a promising candidate for application in electrochemical energy devices. This article reviews the methods of graphene preparation, introduces the unique electrochemical behavior of graphene, and summarizes the recent research and development on graphene-based fuel cells, supercapacitors and lithium ion batteries. In addition, promising areas are identified for the future development of graphene-based materials in electrochemical energy conversion and storage systems.     

三氧化钼——一种新型有机系钠离子储能器件负极材料

由于锂资源短缺,我们尝试使用三氧化钼作为钠离子储能装置负极材料。通过一种简单的方法合成了三氧化钼,使用XRD、SEM和TEM等测试手段对其物性进行了表征。利用三氧化钼作为有机系钠离子储能器件的负极材料,通过循环伏安和恒流充放电测试探讨了负极材料的储钠机理。以三氧化钼(MoO3)作为负极材料,活性炭(AC)和石墨(graphite)作为正极材料,组装成新型的电化学储能器件,研究了两种器件在1mol/L NaPF6的碳酸丙烯酯(PC)中的电化学性能。两种器件的电压范围分别为0~3.2V和0~3.5V,能量密度最高可分别达到31.6和53 Wh/kg,长循环性能远远优于AC/AC对称电容器。此种储能装置有望成为锂离子电池的一个很好的替代。     

《碳纳米材料电化学》专辑序言 ——方兴未艾的电化学能量转换和存储先进材料和技术

可以预见,在相当一段时期内,能源和环境将是全球发展的两大主题. 其实,人类对能源的获取方式将对地球的生态环境和人类未来的生存状态和生活方式产生重要影响. 正因为如此,世界各国正在大力发展可再生能源和清洁能源. 电化学能源是将化学能高效转变为电能的一种能量转换方式,它历史悠久,但不断被改进和创新,尤其是近年来得到了较快的发展. 目前,电化学能源转换和存储器件主要包括一次电池（如锌锰电池等）、二次电池（如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等）、燃料电池、金属-空气电池以及超级电容器等. 电化学能源和其它可再生能源相互补充、交叉利用将是未来清洁能源的主要发展方向.     

High‐Power Electrochemical Energy Storage System Employing Stable Radical Pseudocapacitors

The development of electrical energy storage devices that can operate at high charge and discharge rates is fundamentally important, however although electrochemical capacitors (ECs) can charge and discharge at high rates, their electrochemical storage capacity remains an order of magnitude lower than that of conventional lithium‐ion batteries. Novel pseudocapasitors are developed, based on the stable persilyl‐susbtituted free radicals of the heavy group 14 elements, (tBu₂MeSi)₃E^. [E=Si ( 1 ), Ge ( 2 ), and Sn ( 3 )], as anode materials for energy storage system. Such systems showed a remarkable cycle stability without significant loss of power density, in comparison with similar characteristics of the known organic radical batteries, the dual carbon cell, and the electrochemical capacitor. Particularly important is that these novel electrochemical energy storage systems employing stable heavy group 14 element radicals are lithium‐free. The electrochemical properties and structures of the reduced and oxidized species were studied by the cyclic voltammetry (CV), electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, and X‐ray diffraction (XRD).