单原子催化剂在电化学中的研究进展

目前单原子催化剂的研究呈现爆发式增长, 已然成为材料科学和催化领域的明星材料和研究热点. 前期报道的单原子催化剂研究主要针对某一个应用方向进行探讨, 较少研究催化剂的双功能或多功能应用. 近年来, 为了拓展单原子催化剂在更多领域和方向的应用, 具有双功能甚至多功能的单原子催化剂的设计开发备受关注. 本文综合评述了近年来具有双功能活性的单原子催化剂的研究进展, 重点介绍了其在电化学领域中的最新应用研究. 最后, 对具有双功能活性的单原子催化剂发展研究中存在的问题进行了简要分析, 并对未来发展前景进行了展望.     

基于废旧锂电池回收制备LixMO (x=0.79, 0.30, 0.08; M=Ni/Co/Mn)材料作为锂-氧气电池正极催化剂的电化学性能研究

锂-氧气电池因其超高的理论比容量而受到科研界的广泛关注, 但其存在较为严重的充放电极化和较差的循环稳定性等问题, 从而极大地限制其商业化进程. 因此设计出有效的正极催化剂是解决锂-氧气电池面临的这些棘手问题的必要手段. 通过对不同充电状态的废旧锂电池正极进行回收制得三种不同锂含量的多元金属氧化物Li_xMO (x=0.79, 0.30, 0.08; M=Ni/Co/Mn), 并分别用作锂-氧气电池正极催化剂. 系统研究了Li_xMO材料中锂含量及晶体结构对其电化学性能的影响. 电化学测试结果表明, 与Li_0.79MO和Li_0.08MO催化剂相比, 基于Li_0.30MO为正极催化剂的锂-氧气电池在电流密度100 mA•g^–1和限定容量800 mAh•g^–1的条件下具有较高的放电比容量(14655.9 mAh•g^–1)、较低的充电电压(3.83 V)和较高的能量转换效率(72.2%). 而且该电池体系在充放电循环140圈后充电终止电压仍低于4.3 V. 最终认为制得的Li_0.30MO材料具有优异的催化性能归因于其稳定的层状-岩盐相复合结构以及结构中富含的氧化镍相和氧空位之间的协同作用. 这些优点能够促进放电产物的可逆形成与分解, 从而提高锂-氧气电池循环性能.     

反式钙钛矿电池超薄空穴传输层研究进展

空穴传输层(HTLs)厚度对反式钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能具有重大影响,因其显著影响太阳光透过和HTLs的空穴传输性能。几个纳米至十几个纳米厚度的超薄HTLs在减少伴生吸收、电荷传输损失和材料消耗等方面具有明显优势。目前,有许多成熟的制备超薄无机HTLs的方法,并在反式和叠层PSCs中得到广泛研究与应用。最近,一些关于有机超薄HTLs的新型制备方法也展现出良好的性能并逐渐引起相关领域研究者关注。在此,本文主要总结反式PSCs中超薄HTLs的研究进展与应用,关注其未来发展的挑战和方向,为该领域进一步的研究提供参考。     

铋基钙钛矿(CH3NH3)3Bi2I9薄膜的制备及在光伏电池中的应用

铋基钙钛矿由于稳定性强及毒性低,被认为是未来极具发展潜力的环保型钙钛矿材料。(CH₃NH₃)₃Bi₂I₉(MBI)因具有优异的光吸收性能而引起人们的普遍关注。本文介绍了MBI钙钛矿晶体的结构及性能,总结了其薄膜的制备方法,并重点叙述了不同方法制备的MBI钙钛矿薄膜在光伏电池中的应用情况。MBI钙钛矿与铅基钙钛矿的效率相比还有很大差距,如何提高其光电转换效率仍是今后研究的主要方向。     

基于Li-N2电池体系的“连续式”氮气还原合成氨

电化学合成氨近年来受到较多关注, 直接的电化学固氮法(NRR)存在产氨来源不明的问题, 而间接的锂式合成氨(LiNR)被认为是一种可行的固氮方案. LiNR的研究多为电沉积锂, 本工作以Li-N₂电池体系为基础, 利用电池的放电反应固定N₂, 质子源H₂O同时参与反应, 理论上提高了Li-N₂电池的放电电压. 结合充电反应锂盐分解, 构成了清晰的锂循环方案. 研究发现, 当N₂和H₂O共同通入电池, 可以实现连续式的NH₃生产, 且放电电位与理论值接近. 充放电循环显示, 每个循环均可以产生NH₃, 产氨量随循环次数而增加. 该方案可循环利用锂, 对于开发新型的固氮方式有较大的研究与利用价值.     

电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na⁺的去除与Cl^-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl^-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。     

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。     

表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性

Lithium ion batteries (LIBs) have broad applications in a wide variety of a fields pertaining to energy storage devices. In line with the increasing demand in emerging areas such as long-range electric vehicles and smart grids, there is a continuous effort to achieve high energy by maximizing the reversible capacity of electrode materials, particularly cathode materials. However, in recent years, with the continuous enhancement of battery energy density, safety issues have increasingly attracted the attention of researchers, becoming a non-negligible factor in determining whether the electric vehicle industry has a foothold. The key issue in the development of battery systems with high specific energies is the intrinsic instability of the cathode, with the accompanying question of safety. The failure mechanism and stability of high-specific-capacity cathode materials for the next generation of LIBs, including nickel-rich cathodes, high-voltage spinel cathodes, and lithium-rich layered cathodes, have attracted extensive research attention. Systematic studies related to the intrinsic physical and chemical properties of different cathodes are crucial to elucidate the instability mechanisms of positive active materials. Factors that these studies must address include the stability under extended electrochemical cycles with respect to dissolution of metal ions in LiPF₆-based electrolytes due to HF corrosion of the electrode; cation mixing due to the similarity in radius between Li⁺ and Ni²⁺; oxygen evolution when the cathode is charged to a high voltage; the origin of cracks generated during repeated charge/discharge processes arising from the anisotropy of the cell parameters; and electrolyte decomposition when traces of water are present. Regulating the surface nanostructure and bulk crystal lattice of electrode materials is an effective way to meet the demand for cathode materials with high energy density and outstanding stability. Surface modification treatment of positive active materials can slow side reactions and the loss of active material, thereby extending the life of the cathode material and improving the safety of the battery. This review is targeted at the failure mechanisms related to the electrochemical cycle, and a synthetic strategy to ameliorate the properties of cathode surface locations, with the electrochemical performance optimized by accurate surface control. From the perspective of the main stability and safety issues of high-energy cathode materials during the electrochemical cycle, a detailed discussion is presented on the current understanding of the mechanism of performance failure. It is crucial to seek out favorable strategies in response to the failures. Considering the surface structure of the cathode in relation to the stability issue, a newly developed protocol, known as surface-localized doping, which can exist in different states to modify the surface properties of high-energy cathodes, is discussed as a means of ensuring significantly improved stability and safety. Finally, we envision the future challenges and possible research directions related to the stability control of next-generation high-energy cathode materials.     

石墨烯嵌锂的拉曼成像

锂离子电池由于具有高能量密度,高循环寿命,低自放电率的优势,成为当前使用最为广泛的储能器件。层状材料是极为常用的负极材料,其微观嵌锂行为的研究对提高电池的能量密度和循环寿命有重要意义。本工作发展了一种新的平板微电池结构,可用于研究锂离子在各类二维层状纳米材料中的嵌锂行为。我们用机械剥离的单片少层石墨烯为正极,热蒸镀的锂金属为负极,构成石墨烯电池,用恒电压放电的方法进行嵌锂测试。采用拉曼成像技术收集石墨烯G峰信号的空间分布,实现对锂的嵌入过程的显微观测。发现了锂在石墨烯中沿层间扩散迁移,以及石墨烯断层对锂扩散的阻碍作用。这些结果有助于理解放电时锂在石墨烯电极中扩散过程,并且这项研究开发的平板微电池结构可用于多种材料的电化学过程中的微观过程表征,同时可实现与光学、电学、电子显微学等多种表征手段的兼容,具有较好的应用前景。     

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

锑(Sb)具有高的理论比容量、较小的电极极化、合适的Na⁺脱嵌电位、价格低廉以及环境友好的优势,而成为一种具有较大应用前景的钠离子电池负极材料。但是,Sb基负极材料的一个重要挑战是在循环过程中高比容量伴随着大的体积变化,进而导致活性材料粉化,并从集流体上脱落,这大大限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。因此,如何解决Sb基负极材料充放电过程中体积膨胀问题对于高性能的钠离子电池设计是至关重要的。本文详细综述和讨论了Sb基材料的结构-性能关系及其在钠离子电池中的应用,详细介绍了钠离子电池Sb基负极材料在氧化还原反应机理、形貌设计、结构-性能关系等方面的最新研究进展。本综述的主要目的是探讨影响Sb基负极材料性能的决定因素,从而提出有前途的改性策略,以提高其可逆容量和循环稳定性。最后,对Sb基钠离子电池负极材料的未来发展、面临的挑战和前景进行了展望。本文可为Sb负极材料的构建和优化提供具体的观点,阐明了Sb基负极材料未来的发展方向,从而促进钠离子电池的快速发展和实际应用。