手机电源新家族——当代高能化学电源

 手机已成为当代一种时尚文化,发短信息、打游戏、上网、下载铃声、查看当天的新闻和电子邮件,正在迅速成为新一代中青年的精神宠儿。因为手机不再仅仅被当做联络信息的工具,它已成为交友娱乐,追求时尚,甚至是治疗孤独的爱物。因此,信息消费年轻化将是一个不可逆转的潮流。未来5年,中青年消费将更加趋于享受生活,追逐前卫和展示个性。随着信息技术的发展,通讯技术产品开发的日新月异,高能化学电源成为电子产品的原动力,是须臾也离不开的开路电压高、高比能量、工作温度范围宽、放电平稳、自放电小、长寿命的化学电源。     

三维介孔钴酸锌立方体的制备及其优异的储锂性能

采用简易、温和、实际耐用的水热方法制备了新型三维介孔立方体结构的钴酸锌纳米材料。每个钴酸锌立方体的边长大约在3-4μm之间,并由大量的纳米粒子和密集的孔隙所构成。通过氮吸附/脱附手段测试发现所制备的钴酸锌纳米材料具有较大的比表面积(41.4 m2?g~(-1))和介孔(6.32 nm)特性。使用钴酸锌纳米材料作为锂离子电池负极,金属锂作为正极组装锂电池并测试了材料的储锂性能。研究发现该电极材料在较高的电流密度下循环100周后,仍能呈现较高的可逆容量和超强的循环稳定性。这种优异的储锂性能主要归因于钴酸锌纳米材料的新型结构,这种介孔立方体结构能够加速锂离子的扩散,增加电极与电解液的接触面积并缓解锂离子嵌入/嵌出期间产生的体积膨胀。     

三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极

金属锂具有超高的理论容量(3860 mAh·g^-1)和低氧化还原电位(-3.04 V vs.标准氢电极),是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料。然而,循环过程中的体积膨胀、锂枝晶生长和“死锂”等问题严重的限制了其实际应用。合理设计三维骨架调控金属锂的成核行为是抑制锂枝晶生长的有效策略。本文中,我们发展了一种“软硬双模板”的方法合成了兼具大孔和介孔的三维碳-碳化钛(Three-dimensional macro-/mesoporous C-TiC,表示为3DMM-C-TiC)复合材料。多级孔道为金属锂的沉积提供了足够的空间,缓冲充放电中巨大的体积变化。此外,TiC的引入显著增强多孔骨架的导电性,改善锂金属的成核行为,促进金属锂的均匀成核和沉积,抑制锂枝晶生长。3DMM-C-TiC||Li电池测试表明,在循环300圈以后,库伦效率仍保持在98%以上。此外,所得材料与LiFePO₄ (LFP)组成的全电池也表现出优异的倍率和循环性能。本工作为无枝晶锂金属负极的设计提供了新的思路。     

锂离子电池高比容量FeSn2-C复合负极材料的合成与性能

Sn基合金负极材料具有高达990 mAh·g^-1的理论比容量,但其也存在因脱嵌锂过程发生巨大的体积变化而导致循环性能较差的问题. 本文以Sn、Fe、石墨为原料利用简易的高能球磨法成功制备了具有核壳结构的FeSn₂-C复合物,系统研究了球磨时间、FeSn₂相含量对材料物相结构及电化学性能的影响,并分析了电极的失效机理. 研究表明,球磨时间的增加有利于FeSn₂金属间化合物相的形成及材料颗粒的细化,进而有利于材料比容量的增加及循环性能的提升;FeSn₂相含量的增加能够提高FeSn₂-C材料的比容量,但会降低FeSn₂-C电极的循环稳定性. 经工艺优化及组分调节,球磨24 h合成的Sn₂₀Fe₁₀C₇₀材料具有最优的电化学性能,材料的比容量在540 mAh·g^-1左右,并能稳定循环100次,是一种非常有发展前途的锂离子电池高比容量负极材料.     

机械化学法原位合成硅/锡二元储锂母体复合负极材料的研究

以高活性、低熔点金属锂为还原剂,在惰性气氛保护下分别将一氧化硅和氧化亚锡还原为单质硅和锡。通过调节球磨参数并加入适量助磨剂有效抑制因金属锂熔化导致的物料结块现象,得到将纳米硅、锡颗粒均匀分散在含锂化合物基体中的二元储锂母体复合材料。通过该方法得到的复合材料中硅、锡颗粒粒径明显小于商品化的纳米硅和纳米锡,不仅能最大限度降低硅、锡颗粒的体积效应,避免纳米粉体的分散工序,且能大大降低材料的制备成本。交流阻抗和充放电循环测试显示,金属锡作为另一种储锂母体既能为复合材料提供部分可逆容量,也能有效降低活性物质颗粒之间     

磷的掺杂对碳负极材料性能的影响

研究了磷酸的引入对以聚丙烯腈为基体碳负极材料性能的影响．元素分析、ＸＰＳ及ＸＲＤ分析结果表明，磷在碳材料中与碳及氧原子相结合．磷酸的引入在较低的温度（６００℃）下有利于聚丙烯腈－ＣＮ基的环化、脱氢碳化过程，使氮的含量及ｇｒａｐｈｅｎｅ氮的相对含量增加，磷的键合使碳材料的层间距反而增加，因此位于０．９Ｖ以上及以下的可逆容量均随磷酸的加入量的增加而增加，总的可逆容量高达５２４ｍＡｈ／ｇ．而在较高的温度（１０００℃）下，碳化程度变化不大，主要表现为磷原子的掺杂效果，其引入使位于１．０Ｖ左右的可逆容量增加     

NiCo_2S_4六角片作为钠离子电池负极材料的电化学性能及储钠动力学

通过共沉淀以及后续的气相硫化成功制备了横向边长约为2μm,纵向厚度约为30 nm的NiCo_2S_4六角片,并研究了其作为钠离子电池负极材料的电化学性能。电化学性能测试结果显示在1000 mA·g~(-1)的电流密度下,NiCo_2S_4电极循环60次后仍然可保持约387mAh·g~(-1)的可逆比容量。此外,NiCo_2S_4电极还具有良好的倍率性能,在200、400、800、1000和2000mA·g~(-1)的电流密度下,容量分别为542、398、347、300和217mAh·g~(-1)。通过进一步动力学机制分析发现,NiCo_2S_4电极的良好的倍率性能得益于其二维片层状结构诱导产生的赝电容。上述结果表明,NiCo_2S_4纳米六角片是一种极具潜力的钠离子电池负极材料。     

交联剂的引入对碳负极材料性能的影响

研究了引入的交联剂二乙烯基苯对作为锂离子二次电池负极材料的聚合物裂解碳性能的影响.结果表明交联剂引入到聚丙烯腈中后,在热处理过程中有利于该聚合物的碳化,导致层间距d002减少及石墨微晶尺寸增加;交联剂的固定作用使碳材料的有序性得到了提高;同时微孔数目也得到了增加.这些因素的影响导致了聚合物裂解碳的可逆储锂容量随交联剂的量的增加而提高.对于别的加聚物如聚4乙烯吡啶而言,同样也使所得到的聚合物裂解碳的可逆储锂容量得到了提高.最大可逆容量可达600mAh·g-1.     

镁热还原气相法白炭黑制备纳米硅及其电化学性能

以气相法白炭黑(FS)为Si前驱体,通过镁热还原工艺和对获得的NPs-Si进行SiOx和C复合包覆,制备出NPs-Si@SiOx@C纳米复合结构,将其用作锂电池负极进行电化学性能测试。研究结果表明:镁热还原过程分两步进行,即SiO_2与Mg先生成Mg2Si中间相,Mg2Si继续与SiO_2反应生成Si的反应路径;根据此规律镁热还原气相法白炭黑的Si转化率达87.9%。电化学性能测试中NPs-Si@SiOx@C负极在2.0 A·g-1的电流密度下有1 300 mAh·g-1的容量平台,1 000次循环后的放电比容量为964.2mAh·g-1,容量保持率达75%。     

锂离子电池硅基负极材料嵌锂行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算不同数量的锂离子引起的硅材料晶体结构的变化以及在嵌锂过程中形成Li_xSi(x=1、2、2.4、4.4)合金相的形成能与电子结构.采用LST/QST方法计算过渡态,模拟合金体相中的锂离子迁移过程.计算结果表明,随着嵌锂数量的增加,硅晶胞的体积在不断增大;Li_xSi合金相的形成能为负值,表明在嵌锂过程中锂离子和硅原子可以自发形成这些合金相,其中Li₇Si₃合金最容易形成;随着嵌锂量的增加,锂离子在费米能级处s轨道提供的电子数逐渐增加,锂硅合金在费米能级处的电子数量呈增大趋势,表明锂硅合金的导电性越来越优;常温下Li₂Si体相中很难直接形成锂离子空位,但锂离子空位的迁移过程很容易发生.