锂金属负极亲锂骨架的研究进展

随着电动汽车和便携式电子产品的快速发展, 人们对于高比能二次电池的需求越来越迫切. 锂金属以其极高的理论比容量和极低的电极电势被视为下一代高比能电池理想负极材料之一. 但是, 锂枝晶的生长及体积膨胀等问题限制了金属锂负极的实际应用. 在金属锂负极中引入三维骨架可以有效抑制锂枝晶生长, 缓解体积膨胀. 其中亲锂骨架可以降低锂的形核能垒, 诱导锂的均匀成核, 更加有效地调控锂沉积行为. 本文结合国内外的研究进展总结了锂金属负极中亲锂骨架的研究成果. 根据亲锂材料的不同对亲锂骨架进行了分类, 总结了各类亲锂骨架在调控锂沉积行为和提高电池性能方面取得的成果, 并对其今后的研究和发展进行了展望.     

基于表界面反应及优化的锂金属电池研究进展

金属锂具有高理论比容量和低还原电位, 是锂电池阳极的理想材料之一. 但在长期循环充放电过程中, 金属锂因锂枝晶生长会导致出现界面恶化及能量损失严重等问题, 对锂金属电极与电解质表界面反应的优化是一个重要研究方向. 本文介绍了锂枝晶产生的危害, 从分析及抑制锂枝晶沉积两方面综合评述了为解决这一问题所采取的方法, 包括固态电解质界面形成机制和保护机理、 表面改性、 三维锂阳极和液态/固态电解质等方法, 总结了各种方法的优劣势, 并展望锂金属电池在能源领域的研究前景.     

服役温度对多壁碳纳米管/Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2复合正极材料性能的影响

通过煅烧的方式制得多壁碳纳米管(MWCNT)质量分数为3%的MWCNT/Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2锂离子电池复合正极材料,并测试了复合正极材料在不同服役温度环境下的电化学性能:-20和60℃下服役时,其放电容量分别高达169、303 mAh·g^-1,且展示出良好的倍率性能和循环稳定性。结合电化学阻抗测试结果可知,MWCNT均匀附着在层状粒子的表面,有效减少了电解液对电极材料的侵蚀,阻碍了表面膜的生成,同时提高了材料的电子电导率。     

锂金属电池用高浓度电解液体系研究进展

锂金属二次电池具有极高的能量密度,是下一代储能电池的研究热点。然而,金属锂负极在传统碳酸酯电解液1 mol·L^?1 LiPF6-EC/DEC(ethylene carbonate/diethyl carbonate)中充放电时,存在严重的枝晶生长和循环效率低下等问题,阻碍了其商业化应用。因此,开发与锂负极兼容的新型电解液体系是目前重要的研究任务。与传统稀溶液相比,高浓度电解液体系具有独有的物化性质和优异的界面相容性,并且能有效抑制锂枝晶生长、显著提升锂负极的循环可逆性,因而格外受到关注。本文综述了高浓度电解液及局部高浓电解液体系的最新研究进展,分析了其溶液化学结构和物化性质,对其与锂负极的界面相容性、枝晶抑制效果、效率提升能力及界面稳定性机制进行了探讨;文章着重介绍了高浓与局部高浓电解液体系在锂金属二次电池中的应用,同时从基础科学研究和应用研究两个层面对高浓电解液和局部高浓电解液存在的主要问题进行了简要分析,并对其未来发展方向进行了展望。     

新型复合共沉淀法制备高能量/高功率型锂离子二次电池用5V正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4及其电化学性能

在传统的固相法的基础上开发了新型复合共沉淀法制备LiNi0.5Mn1.5O4材料.新型复合共沉淀法采用(NH4)2CO3和(NH4)2C2O4共同作为沉淀剂,通过控制共沉淀反应条件,得到了具有均匀球形形貌的沉淀物颗粒.再通过与饱和氢氧化锂溶液的水热反应及高温反应,最终制备出具有球形次级形貌和纯相尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4材料.电化学测试表明,制备的LiNi0.5Mn1.5O4具有优异的电化学性能,其初始容量达到了141.4mAh·g-1.在0.3C、1C和3C倍率下经过200次循环后的容量分别为136.0 mAh·g-1(96.3%)、128.6 mAh·g-1(94.4%)和113.9 mAh·g-1(91.1%).通过高温反应及特殊的冷却处理,LiNi0.5Mn1.5O4在4.0 V低压区平台的容量损失得到了有效抑制.更重要的是,通过控制合成过程中的关键步骤,可实现半定量化控制材料结构中的原子有序排布程度,进而得到具有高能量密度和高功率密度的两种LiNi0.5Mn1.5O4材料,其能量密度和功率密度分别达到了648.6 mWh·g-1和7000 mW·g-1以上.     

锂标准电极电势反常现象的热力学讨论

在IA族中,锂的标准电极电势是最负的,但锂的还原性却是同族元素中最弱的,这与利用标准电极电势来判断碱金属的还原性是相互矛盾的.本文利用玻恩-哈伯循环,从热力学角度探讨了锂标准电极电势出现反常现象的原因.     

Lithium ion conduction and ion-polymer interaction in poly（vinyl pyrrolidone） based electrolytes blended with different plasticizers

Poly（ethylene oxide）, poly（vinyl pyrrolidone）（PEO/PVP）, lithium perchlorate salt（Li Cl O4） and different plasticizer based, gel polymer electrolytes were prepared by the solvent casting technique. XRD results show that the crystallinity decreases with the addition of different plasticizers. Consequently, there is an enhancement in the amorphousity of the samples responsible for the process of ion transport. FTIR spectroscopy is used to characterize the structure of the polymer and confirms the complexation of plasticizer with host polymer matrix. The ionic conductivity has been calculated using the bulk impedance obtained through impedance spectroscopy. Among the various plasticizers, the ethylene carbonate（EC） based complex exhibits a maximum ionic conductivity value of the order of2.7279 10 4S cm 1. Thermal stability of the prepared electrolyte films shows that they can be used in batteries at elevated temperatures. PEO（72%）/PVP（8%）/Li Cl O4（8%）/EC（12%） has the maximum ionic conductivity value which is supported by the lowest optical band gap and lowest intensity in photoluminescence spectroscopy near 400–450 nm. Two and three dimensional topographic images of the sample having a maximum ionic conductivity show the presence of micropores.     

多孔金属有机框架材料作为锂金属负极保护层助力长寿命锂氧气电池

在众多能源储存系统中,锂氧气电池以其高达3500 Wh·kg^-1的理论能量密度有望在性能上超越商用锂离子电池.然而,在电池充放电过程中,金属锂不可控的枝晶生长和严重的腐蚀问题极大地阻碍了锂氧气电池的发展.为了解决以上问题,制备了一种具有高比表面积、丰富孔道结构的金属有机框架材料（MOF-801）,并将其设计成金属锂负极的保护层应用在锂氧气电池中.在本工作中,成功合成了具有高达762.9 m²·g^-1比表面积,边长约为800 nm的立方体状纯净MOF-801材料.并且这种材料表现出对于有机电解液体系（四乙二醇二甲醚1 mol·L^-1三氟甲基磺酸锂）和强还原性的金属锂都具有很好的稳定性.得益于该材料丰富的孔道结构以及高比表面积,锂离子得以更均匀地分布在电极表面促进金属锂均匀沉积,有效避免了由于枝晶刺破隔膜而导致的短路甚至火灾事故.此外,MOF-801保护层本身的阻隔作用和材料捕捉水的特性可以帮助减少污染物质（水、氧气、强氧化性物质等）的穿梭效应带来的副反应,缓解锂氧气电池中金属锂负极的腐蚀情况.因此,将经过保护的金属锂组装成的对称电池进行测试,循环寿命长达800 h,同时充/放电过电势仅为0.023 V（未经保护的电池寿命仅为254 h,最终充/放电过电势高达5 V）,且循环阻抗大大降低,证明了这种策略有效地稳定了金属锂/电解液界面.将经过MOF材料保护的电极实际应用在锂氧气电池中,在限容量1000 mAh·g^-1,限电流500 mA·g^-1条件下,可以实现长达170圈的稳定长寿命的循环（是未经保护的电池寿命的2.88倍）.使用MOF-801保护层的锂氧气电池还表现出了高达8935 mAh·g^-1的高比容量.因此,本工作所报道的保护层策略为未来的碱金属空气电池负极保护领域提供了新颖的视角.     

锂硫电池硫正极催化转换反应的研究进展

单质硫作为电池的正极材料,其电化学过程历经多个步骤,完全放电生成最终产物是一个2电子反应. 低阶多硫化锂的生成需克服一定的能垒,且由Li₂S₂得到一个电子还原生成Li₂S的反应是速控步骤. 硫正极的反应动力学是决定锂硫电池电化学性能,如比能量、比功率、低温性能等的关键因素. 提高速控步骤的反应动力学还能加速可溶性多硫化锂Li₂S₄向不溶性Li₂S₂和Li₂S的转化,有利于减缓或消除多硫化锂的“穿梭效应”. 近年,已有大量的过渡金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物、磷化物,单原子催化剂和氧化还原电子中继体等被应用于催化硫正极反应,提高了电极的电化学性能和循环稳定性. 但是,目前详细的催化反应机制尚不完全清晰. 本文重点综述了这些化合物在硫正极反应中的作用机制,总结了近年来的研究进展,并对硫正极催化转换反应的研究和发展进行了展望.     

基于钴酸锂载体构筑高体积比容量硫基复合材料

锂-硫电池具有高的理论质量/体积能量密度,因而成为最具发展潜力的高比能二次电池体系. 然而,由于硫载体通常采用轻质的碳纳米材料,导致硫基复合材料的振实密度和体积比容量均偏低,制约了电池体积能量密度的提升. 本文尝试采用具有高密度特征的钴酸锂(LiCoO₂)作为硫的载体材料,以构筑高振实密度的硫基复合材料,进而提高硫正极的体积比容量. 研究显示,LiCoO₂对可溶性多硫化物具有较强的吸附作用,能够促进硫的电化学转化,因而提高了硫的活性物质利用率和循环稳定性. 同时,由于具有高的振实密度(1.90 g·cm^-3),S/LiCoO₂复合材料的首周体积比容量高达1750.5 mAh·cm^-3,是常规硫/碳复合材料的2.2倍. 因此,本文利用具有高密度特征的LiCoO₂作为硫载体来提升硫复合材料的体积比容量,有助于实现锂-硫电池的高体积能量密度.