酸浸蚀Al-Si合金制备锂离子电池高性能多孔硅负极材料

本文首次提出利用酸浸蚀Si-Al（含Al 80%）合金粉末的方法制备多孔硅材料. 分析表明制得的多孔硅材料为晶体,并具有由纳米颗粒结集成的海绵状多孔结构,其粒径约20 μm,比表面102.7 m²·g^-1. 多孔硅电极按多孔硅:导电碳:粘结剂 = 1:1:1（by mass）涂成. 在添加15%氟化碳酸乙烯酯（FEC）的1 mol·L^-1 LiPF₆/EC + DMC（1:1,by volume）电解液,在100 mA·g^-1电流密度充放电,多孔硅电极的首次放电比容量2072 mAh·g^-1 Si. 经237次充放电循环后,其放电容量仍可保持在1431 mAh·g^-1 Si,显示了相当高的充放电稳定性. 这归因于其海绵状多孔结构有足够的微空间以承受充电过程中硅的急剧膨胀. 硅微粒的纳米尺寸有利于锂在Li-Si合金中的扩散. 纳米硅微粒可牢固地联成一整体,不易因膨胀、收缩而粉化断裂. 这种构筑多孔硅负极材料的新方法操作简便、成本低廉,有着很好的应用前景.     

还原氧化石墨烯/TiO2复合材料在钠离子电池中的电化学性能

二氧化钛(TiO₂)作为有前景的钠离子电池负极材料, 具有良好的循环稳定性, 但由于其导电率较低, 而导致容量和倍率性能不佳限制了其实际应用. 本文采用喷雾干燥技术制备了氧化石墨烯/纳米TiO₂复合材料(GO/TiO₂), 通过热处理获得还原氧化石墨烯/TiO₂复合材料(RGO/TiO₂). 电化学测试结果表明, 还原氧化石墨烯改性的RGO/TiO₂复合材料的电化学性能得到显著提升, RGO含量为4.0%(w)的RGO/TiO₂复合材料在各种电流密度下的可逆容量分别为183.7 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 153.7 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和114.4 mAh·g^-1 (600mA·g^-1), 而纯TiO₂的比容量仅为93.6 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 69.6 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和26.5 mAh·g^-1 (600mA·g^-1). 4.0%(w) RGO/TiO₂复合材料体现了良好的循环稳定性, 在100 mA·g^-1电流密度下充放电循环350个周期后, 比容量仍然保持146.7 mAh·g^-1. 同等条件下, 纯TiO₂电极比容量只有68.8 mAh·g^-1. RGO包覆改性极大提高了TiO₂在钠离子电池中的电化学嵌钠/脱钠性能. RGO包覆改性技术在改进钠离子电池材料性能中将有很好的应用前景.     

碳包覆纳米SnO2中空纤维的制备及电容性能

采用同轴静电纺丝法制备了碳包覆纳米SnO₂中空纤维超级电容器电极材料.利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和比表面积分析仪(BET)对材料进行表征.结果表明,纤维呈现中空形貌,平均直径为1 μm; SnO₂颗粒均匀分布于碳壳结构中,平均粒径为3-15 nm.材料的比表面积为565 m²·g^-1.在三电极体系中,当电流密度为0.25 A·g^-1时,电极材料的比容量达397.5 F·g^-1;在1.0A·g^-1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的88%.在对称型双电极体系中,电流密度为0.25 A·g^-1时,电极材料的比容量达162.0 F·g^-1,在1.0 A·g^-1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的84%.     

三维多孔集流体改善NiO电极的储锂特性

三维多孔金属不仅可容纳电极在储锂过程中的体积变化,且为锂离子提供快速传输通道,因此被广泛用做锂离子电池集流体,以提升其循环稳定性和高倍率容量.NiO作为锂离子电池负极具有高理论比容量而备受关注,但其电子导电性差和充放电过程中的巨大体积变化造成其循环寿命短和高倍率容量低.此外,NiO首次放电（嵌锂）产物Ni⁰和Li₂O不能在充电（脱锂）过程中完全反应造成首次不可逆容量大,阻碍了其商业化应用.本工作采用简单、易规模化的化学镀法制备出具有三维贯穿孔的多孔铜（孔径≈5 μm）,并在其孔壁电沉积获得NiO@三维多孔铜电极.由于三维多孔铜集流体可容纳NiO储锂过程中的体积变化;为锂离子提供快速传输通道,同时其高比表面积增大了Ni⁰和Li₂O的反应活性点,因此该电极显示出优异的高倍率容量和高首次库伦效率.该电极在200 mA·g^-1电流密度下,首次放电（嵌锂）和充电（脱锂）容量分别为1522.3和1230.2 mAh·g^-1,首次库伦效率达到80.8%;在高电流密度20 A·g^-1下显示578.1 mAh·g^-1容量.以NiO@三维多孔铜为负极,LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂为正极组装成全电池,首次充电和放电容量分别为1514和1060 mAh·g^-1（基于NiO电极,电流密度0.2 A·g^-1）,首次库伦效率为70%;1.0 A·g^-1电流密度下,首次放电比容量为873 mAh·g^-1,100次循环后保持709 mAh·g^-1,保持率为81%;10 A·g^-1电流密度下容量保持530.6 mAh·g^-1.该工作将为过渡金属氧化物储锂性能提升提供新途径.     

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.     

具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料的储镁性能研究

镁二次电池具有安全性高、价格低廉等优点,是一种具有潜在应用前景的高能量密度电池体系.目前,镁二次电池的研究重点之一是寻找合适的电极材料.最近,我们通过水热和热处理相结合的方法成功制备了具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料.研究发现,在石墨烯的三维导电网络片层上,均匀分布了粒径小于100 nm的锡纳米颗粒.将锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合材料作为镁二次电池电极材料,当电流密度为15 mA·g^-1和300 mA·g^-1时,首次放电容量分别达到了545.4 mAh·g^-1和238.8 mAh·g^-1,经过150圈后,容量保持率达到了93%,库伦效率为99%,表现出了较高的电化学活性.研究还发现,镁离子嵌入复合材料中形成镁锡合金,当镁离子脱出后,再次形成锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料,镁离子的脱出和嵌入具有很高的可逆性.这对未来研究设计高性能镁离子电极材料具有十分重要的意义.     

静电纺丝法制备交联多孔纳米碳纤维膜及其电化学电容性能

以聚丙烯腈(PAN)和三聚氰胺为原料,通过静电纺丝法制备了三聚氰胺改性聚丙烯腈纳米纤维前驱体,经预氧化、碳化后得到交联的多孔纳米碳纤维.采用红外光谱(FTIR)仪、热重分析(TGA)仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪、拉曼光谱仪和比表面积分析仪等对前驱体及纤维进行了表征.结果表明,经过三聚氰胺改性的聚丙烯腈纳米纤维前驱体在碳化后有效地交联,形成含有微孔、介孔和大孔多级的合理孔道结构,氮掺杂量高达14.3%,纤维直径大幅缩减,平均直径仅约89 nm.电化学测试结果表明,交联多孔纳米碳纤维电极在0.05 A·g^-1电流密度下未经活化时的质量比电容值高达194 F·g^-1(0.05 A·g^-1),在2 A·g^-1的电流密度下经过1000次循环充放电后的比电容仍然保持99.2%,表现出优异的电化学特性.     

多孔碳纳米片的合成及在钠离子电池中的应用

本文以氯化钠为硬模板、硝酸镍为金属源、葡萄糖为碳源,在氮气气氛中于750 ^oC通过一步热解法合成嵌镍碳纳米片,然后经酸处理得到多孔碳纳米片. 通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）和比表面积测定（BET）表征多孔碳纳米片的形貌和结构. 结果显示：多孔碳纳米片孔分布均匀,孔径大小均一;经过酸处理后,碳材料的石墨化程度降低;具有较大的比表面积（约340 m²•g^-1）. 电化学测试表明,电极在100mA•g^-1电流密度下,经过200周循环放电后比容量可维持在309.4 mAh•g^-1,甚至在1000 mA•g^-1 的大电流下其放电比容量仍然可达到173mAh•g^-1,表现出良好的循环稳定性和倍率性能,其在钠离子电池负极材料方面具有潜在的应用前景.     

组氨酸功能化石墨烯量子点@纳米硅负极材料的制备及电化学性能研究

以柠檬酸和组氨酸混合物为碳源采用高温热解法制备组氨酸功能化石墨烯量子点（CH-GQD）.CH-GQD是由平均尺寸仅为3.5 nm的石墨烯片组成,片的边缘含有丰富亲水基团,产品极易溶于水,具有强而稳定的荧光发射.将CH-GQD包覆于硅纳米粒子表面得到石墨烯量子点@硅复合物,以此复合物电极为负极、金属锂片为正极装配锂电池,并测试其电化学性能.研究表明,CH-GQD的引入使硅负极的电子转移阻抗下降超过14.7倍,电极与电解质之间的锂离子扩散系数提高310倍,减少了因硅与电解液分子发生副反应造成的储锂容量迅速衰减.CH-GQD@Si电池在50和1000 mA·g^-1恒电流下首次放电容量分别是3325和1119 mAh·g^-1.在100 mA·g^-1电流密度下循环100圈放电容量仍保持1454.4 mAh·g^-1.CH-GQD@Si的电池行为明显优于硅负极和柠檬酸和丙氨酸热解产生石墨烯量子点（CA-GQD）改性后的硅负极.由于CH-GQD和CA-GQD在结构上仅相差一个咪唑边缘基团,上述结果还证明咪唑基对提高复合物电极电化学性能发挥了重要作用.     

石墨烯包覆天然球形石墨作为锂离子电池的负极材料，是否需要乙炔黑导电剂？

我们通过包覆炭化的方法制备得到了石墨烯包覆的天然球形石墨(G/SG)材料,并使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及多种电化学测试手段考察了不同石墨烯含量的复合材料的形貌结构及电化学性能。我们发现,在不添加乙炔黑(AB)的情况下,G/SG复合材料表现出较高的首次库伦效率,很好的循环稳定性和高倍率性能。当石墨烯包覆量为1%时,材料50次循环后的可逆容量可与添加10%AB的天然石墨电极(SG)等同;当石墨烯包覆量为2.5%时,材料的比容量完全高于添加10%AB的石墨电极。材料电化学性能的改善归因于石墨烯的包覆。一方面,石墨烯的柔软可变性可以保证天然石墨颗粒在充放电过程中的结构完整性,从而有效改善材料的循环稳定性;另一方面,石墨烯的存在提高了电极的导电性,促进更好导电网络的形成。因此,石墨烯包覆天然球形石墨材料中,石墨烯不仅是活性物质,也发挥导电剂的作用。当添加5%的乙炔黑时,在50 mA·g^-1电流循环50次后,5%G/SG电极的可逆容量从381.1 mAh·g^-1提高到404.5 mAh·g^-1,在1 A·g^-1电流时可逆容量从82.5 mAh·g^-1提高到101.9 mAh·g^-1,这表明G/SG电极仍然需要乙炔黑导电剂。乙炔黑颗粒填充在复合材料的空隙中,通过点接触的形式连接到G/SG颗粒,与石墨烯协同作用形成了更加有效的导电网络。尽管石墨烯包覆和乙炔黑添加对天然石墨电极具有积极的影响,例如增加了天然石墨电极的导电性和储锂性能(包括可逆容量,倍率性能和循环性能),但随着石墨烯或乙炔黑的增加,电极密度通常会降低。因此,在实际应用中应考虑石墨负极材料的质量和体积容量的平衡。这些结果对天然石墨的进一步商业应用具有重要意义。我们的工作为天然石墨电极在锂电池中的电化学行为提供了一种新的认识,并且有助于制备更高性能的负极材料。     

PEG包覆涂层对含碳纤维导电剂的锂硫正极材料的影响

通过球磨混合及聚乙二醇（PEG）包覆处理制备含有高模量碳纤维（HMCF）的硫基复合材料.采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测定材料的结构和形貌,采用X-光电子扫描能谱（XPS）验证了PEG包覆在材料的表面,较系统地研究了PEG含量对含有高模量碳纤维的硫正极比容量、循环稳定性和倍率性能等性能的影响.结果表明：和常用的导电剂乙炔黑(AB)相比,HMCF导电剂具有结晶度高,接触角小,吸液性能好等优点.当PEG涂层量为1.09%时,硫正极初始放电容量为1312.5 mAh·g^-1,在电流密度为200 mA·g^-1充放电时,50次循环以后可逆容量保持为650 mAh·g^-1,和没有PEG涂层相比,循环稳定性提高了39.9%.     

一种新型的碳复合钼掺杂的钒氧化物纳米线钠离子电池正极材料

近年来,由于锂资源逐渐紧缺而导致其成本增加,锂离子电池发展受到了限制. 作为一个有潜力的替代者,有着相似电化学机制且成本较低的钠离子电池则发展迅速. 但由于钠离子与锂离子相较有着更大半径,在钠离子脱嵌过程中,对大多数电极材料的晶体结构破坏严重. 因此,开发新型电极材料对钠离子电池的进一步发展尤为重要. 其中,层状钒氧化物作为正极材料被广泛研究. 在这项工作中,作者基于钒氧化物,引入钼元素并与碳复合,首次设计合成了一种新型的碳复合钼掺杂的钒氧化物纳米线电极材料,并获得了优良的电化学性能（在50 mA•g^-1的电流密度下,最高放电比容量达135.9 mAh•g^-1,并在循环75次后仍有82.6mAh•g^-1的可逆容量,容量保持率高达71.8%;在1000mA•g^-1的高电流密度下循环并回到50mA•g^-1后,可逆放电比容量仍能回复至111.5mAh•g^-1）. 本工作的研究结果证明,这种具有超大层间距的新型碳复合钼掺杂的钒氧化物纳米线是一种非常有潜力的储钠材料,并且我们的工作为钠离子电池的进一步发展提供了一定的理论基础.     

Freeze-drying-assisted Synthesis of Mesoporous CoMoO4 Nanosheets as Anode Electrode Material for Enhanced Lithium Batteries

A facile and green freeze-drying-assisted method was proposed to synthesize C0MoO4 mesoporous nano-sheets(MPNSs).The resulting product exhibits a Mgh specific capacity and good rate perfomance when evalimte an anode material for lithium-ion batteries(LIBs).The reversible specific capacity can be kept at 1105.2 mA·h·g^-1 after 100 cycles at a current density of 0.2 A/g.Even at the current densities of 1 and 4 A/gs the CoMoO4 MPNSs electrode can still retain the reversible capacities of 1148.7 and 540 mA·h·g^-1,respectively.Furthermore,the full cell(LiPePO4 catliode/CoMoO4 MPNSs anode)displays a stable discharge capacity of 146.7 mA·h·g^-1 at 0.1 C(1 C=170 mA/g)together with an initial coulombic efficiency of 98.2%.In addition,the CoMoO4 crystal structure is destroyed and reduced into Co^0 and Mo^0 in the first discharge process.In the subsequent cycles,the attractive Li storage properties come from the reversible conversions between Co/Co^2+and Mo/Mo^6+.The improved electroche-mical performance of CoMoO4 MPNSs is mainly attributed to their unique porous structures,which not only possess a good ion diffusion and electronic conduction pathway,but also provide many cavities to alleviate the volume changes during repeated cycling.This work offers a new perspective to the design of other porous electrode materials with a good energy storage performance.     

锂离子电池碳包覆锡负极性能研究

应用水热法分解葡萄糖制作锂离子电池碳包覆锡负极. 充放电测试表明,添加5%（by mass）乙炔黑导电剂的该电极初始放电比容量达967 mAh.g^-1,经50周循环其放电比容量仍保持362 mAh.g^-1,远高于锡电极的比容量（50周循环166 mAh.g^-1）. 碳包覆可防止锡粉团聚,降低锡的不可逆容量损失. 而添加乙炔黑可降低碳包覆电极与电解液间的交流阻抗,改善电极内部锂离子及电子的传导通道,从而也提高了该电极的初始放电比容量.     

镶嵌于NH2-MIL-125 (Ti)衍生氮掺多孔碳中的花状超细纳米TiO2作为高活性和稳定性的锂离子电池负极材料

由于具有高安全性和优异的循环稳定性,二氧化钛(TiO₂)作为负极材料被广泛地应用于锂离子电池领域。但是较差的导电性和离子传输速率限制了TiO₂的进一步应用和发展。鉴于此,我们以花状NH₂-MIL-125 (Ti)为前驱体和硬模板,成功合成出了具有花状结构的超细纳米TiO₂/多孔氮掺杂碳片(N-doped porous carbon)复合物(记为FL-TiO₂/NPC)。过程中所制备的纳米TiO₂-金属有机构架(Ti-MOF)展现出由二维褶皱多孔纳米片堆积、组装而成的花状结构。一方面,二维褶皱纳米片包含TiO₂纳米颗粒可以增大活性物质与电解液的接触面积;另一方面,氮掺杂多孔碳基体可以提高整体复合物的导电性和结构完整性。将所获得的FL-TiO₂/NPC作为负极组装成的锂半电池, 在0.5 A·g^-1、300圈后仍有384.2 mAh·g^-1以及在1 A·g^-1、500圈仍有279.1 mAh·g^-1的比容量。进一步性能测试表明,在2 A·g^-1、2000圈长循环测试后,其仍能保持256.5 mAh·g^-1的比容量和接近100%的库伦效率。该优异的电化学活性和稳定性主要起源于材料独特的花状结构。我们的合成策略为今后制备高储锂性能的金属氧化物/多孔氮掺杂碳负极提供了一种新的思路。     

基于有机磷酸类MOFs前驱体制备Ni2P/C复合材料

以镍为金属中心、 对二甲苯二磷酸为有机配体, 构筑了一种有机磷酸类Ni-MOF前驱体, 再经过一步碳化, 原位制备出多孔碳包覆Ni₂P纳米颗粒的复合材料. 该复合材料保留了前驱体的片状形貌, 比表面积可达202 m²/g, 复合材料中的Ni₂P纳米颗粒具有良好的结晶度, 颗粒均匀且无团聚现象. 在锂离子电池性能测试中, 该Ni₂P/C复合结构在缓解材料体积膨胀的同时提高了材料的电子和离子电导率, 进而提高了材料的电化学性能. 在0.2 C的电流密度下, 材料首次充、 放电比容量分别为247和226 mA·h·g^-1, 库仑效率可达91.7%, 循环200圈后, 库仑效率接近100%.     

无模板剂合成用于超级电容器的二氧化锰/石墨烯复合材料(英文)

以尿素、四水合氯化锰和氧化石墨烯为原料,采用水热法并通过热分解制备了一种具有石墨烯包覆结构的石墨烯-二氧化锰复合材料,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、比表面积(BET)、拉曼光谱和热失重等技术对其形貌、晶体结构及表面结构进行了表征;在三电极条件下利用循环伏安法、恒流充放电法和交流阻抗法测试了材料的电化学性能,并考察了不同石墨烯含量对材料比电容的影响.结果表明,在不添加模板剂的条件下制备的复合材料中二氧化锰是具有介孔结构的α-MnO2,当复合15%(质量分数)的石墨烯后材料的比表面积从109 m2·g-1提高到168 m2·g-1.复合材料具有更好的电化学性能,在0.2 A·g-1电流密度下复合材料的比电容达到最大值(454 F·g-1),远高于纯二氧化锰的值(294 F·g-1).在2 A·g-1的电流密度下恒流充放电2000次后复合材料的比电容保持率为92%.