熔融盐法制备煤基多孔碳纳米片用于钠离子电池负极

低成本、高性能钠离子电池负极材料的开发是其走向商业化应用的关键。以富含芳香结构单元的煤液化固体残渣为碳源,结合KCl/CaCl₂熔融盐的结构导向作用,可控制备了二维多孔碳纳米片（carbon nanosheets, CTx）,并探究其用于钠离子电池负极材料的电化学性能。研究发现,通过调控碳化温度可对煤基多孔碳纳米片的微观结构进行优化,在1000℃下制备的二维碳纳米片样品（CT1000）具有相对高的比表面积和丰富的缺陷结构。作为钠离子电池的负极材料,在0.1 A·g^-1 的电流密度下,其可逆比容量为221.4 mAh·g^-1,当电流密度增加至10 A·g^-1时,比容量可以保持在124.4 mAh·g^-1,倍率性能优异。此外,在1 A·g^-1 的电流密度下经2000次循环后,比容量保持率高达94.2%,展现出较大的应用潜力。     

具有优异锂存储性能的蛋黄蛋壳结构FeS2@CFs薄膜电极

利用简单的静电纺丝结合刻蚀和硫化策略获得了FeS₂@碳纤维（FeS₂@CFs）薄膜电极,每个独特的蛋黄蛋壳结构单元与全方位三维碳纤维导电网络之间的协同效应赋予了电极材料优异的锂存储性能。作为锂离子电池负极材料时,在5 A·g^-1的大电流密度下容量仍能保持在415.4 mAh·g^-1,在0.5 A·g^-1的电流密度下经过循环400圈的循环之后可逆容量约为977.9 mAh·g^-1。更重要的是,前驱体材料具有很广泛的扩展性,这可为柔性薄膜电极材料的制备提供一种设计思路。     

镍、氮共修饰的多孔碳纳米片骨架材料的制备及储锂性能研究

以聚丙烯酰胺、氯化钠、尿素和乙酸镍作为原料，通过常温搅拌混合、煅烧和水洗得到镍、氮共修饰的多孔碳纳米片骨架材料。采用XRD、Raman、TG、SEM、TEM、XPS和N₂吸脱附测试对样品进行结构分析，并测试了其作为锂离子电池负极的充放电电压曲线、循环性能和倍率性能。实验结果表明：镍、氮共修饰的多孔碳纳米片骨架材料的充放电曲线与经典的碳基材料类似，但循环性能和倍率性能较好，在1 A·g^-1电流密度下循环320圈后仍可以保留334 mAh·g^-1的可逆容量。镍、氮共修饰的多孔碳纳米片骨架材料可以被作为取代石墨负极的一种潜在选择。     

草酸钴镍纳米花的合成及其电极材料类型的判断

判断电极材料的类型是研究能源存储和转换的基础。通过简单易控的室温沉积法制备花状草酸钴镍纳米材料，利用SEM、XRD对其微观形貌和结构进行探究，并在碱性电解液中进行电化学测试，判断电极材料的类型。结果表明，草酸钴镍电极材料符合电池型的特征。而作为对比的活性炭电极具有电容型电极的特征。在1 A·g^-1电流密度下，草酸钴镍电极的比容量为90.1 mAh·g^-1。当电流密度升高至10 A·g^-1时，比容量仍然能够保持77.2%;在1 A·g^-1时，活性炭电极的比电容是84.8 F·g^-1,当电流密度增至10倍时，比电容衰减至68.8 F·g^-1(比电容保持率81.1%)。     

Sb/Sb2O3/C复合纳米纤维膜制备与储锂性能研究

Sb作为锂离子电池负极材料具有较高的理论容量,但在合金/脱合金化过程中的体积粉化严重影响了其循环稳定性。本文首先合成了含锑MOF纳米片(Sb-MOF),并通过静电纺丝技术将其复合到纳米纤维中,经过热处理后制备了Sb/Sb₂O₃/C复合纳米纤维膜。得益于Sb/Sb₂O₃在碳基质中的高分散性,所得复合纤维膜在锂离子电池中表现出优异的倍率和循环性能,具体表现为：在0.1 A g^-1和4 A g^-1电流密度下,可逆比容量分别为713 m Ah g^-1和352 m Ah g^-1;在1 A g^-1电流密度下循环500次后容量保持率为82.3%。优异的储锂性能、简单的工艺以及自支撑特性使得该Sb/Sb₂O₃/C复合纳米纤维膜作为自支撑电极在锂离子电池领域具有较大的发展潜力。     

核壳结构米粒状FeS2/C纳米材料制备及储锂性能研究

通过阴离子置换反应制备出具有核壳结构的米粒状FeS₂/C纳米材料。所制备材料具有较高的离子和电子电导,优异的电解液浸润特性,以及缓冲材料体积变化的能力。在作为锂离子电池负极材料时,FeS₂/C电极具有较高的可逆比容量以及优秀的倍率性能,100 mA·g^-1电流密度下可逆比容量高达1100 mA·h·g^-1,在2 A·g^-1的大电流密度下,依然有866 mA·h·g^-1可逆比容量。研究结果为其他核壳材料的制备提供了新的思路和方法。     

一种可同时用于钠离子和钾离子电池的Bi2S3基负极材料初探

Bi₂S₃是一种有潜力的转换合金化负极材料,它具有较高的首次可逆钠离子充/放电容量567.6m Ah·g^-1/744.2m Ah·g^-1和钾离子充/放电容量464.3m Ah·g^-1/984.5m Ah·g^-1,但稳定性和倍率性能均有待改善。同步进行掺氮碳层包覆(Bi₂S₃@NC)和石墨烯包覆(Bi₂S₃@rGO)实验后,发现NC包覆效果不明显,而rGO在较少容量损失的前提下,大幅改善循环稳定性,经100次循环后分别用于钠离子和钾离子存储均可维持100m Ah·g^-1左右的可逆容量。且倍率性能改善更为明显,2000mA·g^-1时,Bi₂S₃@rGO仍能保持183.9mAh·g^-1的高可逆钠离子存储容量。     

不同变质程度煤衍生硬炭的储钠行为研究

煤具有碳含量高、芳香结构发达、成本低廉等优点,是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。然而煤种类繁多且含有无机杂质,不同种煤热解成炭后材料的石墨化度、碳层间距和表面化学组成各异,导致煤基硬炭负极的电化学性能优化难以展开。选择四种不同变质程度的煤,采用酸洗脱灰、高温炭化的方法制备了系列煤基硬炭,研究了变质程度、炭化温度对煤基硬炭微晶结构和表面杂原子组成的影响,并考察了其相应的储钠行为。其中,褐煤1400℃炭化得到的硬炭性能最佳,在0.02 A·g^-1电流密度下表现出338.8 mA·h·g^-1的比容量和81.1%的首次库仑效率。优异的电化学性能归因于褐煤硬炭较大的碳层间距和丰富的储钠缺陷位点,提供了高嵌入和吸附储钠容量。     

纳米颗粒组装三维Co3O4微米花材料制备及储锂性能研究

通过软模板法(表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵,CTAB)结合后续空气气氛热处理制备出纳米颗粒组装三维Co₃O₄微米花负极材料。研究中采用X射线衍射分析(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、循环伏安测试(CV)、恒流充放电测试以及交流阻抗测试(EIS)对合成样品进行表征分析。研究结果显示,Co₃O₄微米花材料独特的结构优势赋予其优良的电化学性能,在100 mA·g^-1电流密度下电极具备约920 mA·h·g^-1的循环可逆比容量;在500 mA·g^-1电流密度下循环200次后的循环可逆比容量为757 mA·h·g^-1,容量几乎无衰减。大电流循环性能测试显示,所制备电极即使在2 A·g^-1电流密度下依旧具有476 mA·h·g^-1的循环可逆比容量。简易、有效且低成本化的高性能微米花结构过渡金属氧化物负极材料制备工艺将大大加速转换型电极材料的实际有效应用。     

Ga掺杂FeNb11O29材料的制备及其电化学性能

FeNb₁₁O₂₉由于其高的理论充电容量(400 mAh·g^-1),作为锂离子电池(LIBs)负极材料具有很大的应用前景。然而,目前报道的FeNb₁₁O₂₉实际容量仅有168~273 mAh·g^-1。因此,有必要进一步提高其电化学性能。本文介绍了一种制备Ga掺杂FeNb₁₁O₂₉材料的方法,成功合成了Ga_xFe_1-xNb₁₁O₂₉(x=0.1,0.2)。结果表明,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉的电导率比FeNb₁₁O₂₉提高了两个数量级。X射线衍射结果显示,Ga掺杂不会改变FeNb₁₁O₂₉的正交剪切ReO₃晶体结构。扫描电镜结果显示,材料的微观形貌没有发生明显改变。电化学实验表明,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉具有较好的电化学性能,在电流密度为0.1 C时,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉充电容量为290 mAh·g^-1,当电流密度达到5 C时容量仍能保持145 mAh·g^-1,此外,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉具有良好的循环稳定性,在电流密度为5 C时循环1 000圈之后,容量保持率为91.0%,而不掺杂的FeNb₁₁O₂₉的充电容量仅有107 mAh·g^-1,容量保持率仅为55.9%。利用Ga掺杂改善FeNb₁₁O₂₉负极材料的电化学性能在锂离子电池中具有广阔的应用前景。     

纤维素基生物质多孔炭的制备及其超级电容器性能研究

以棉纤维素为原料,采用硝酸盐、尿素、纤维素共混后热裂解的方法制备分级多孔炭HPC样品,通过改变煅烧温度和KOH活化处理对多孔炭比表面积及孔结构进行调控。对比三个不同温度煅烧活化处理后样品的循环伏安曲线、恒电流充放电曲线、比容量等电化学参数,结果表明,4AC@HPC800样品作为超级电容器工作电极具有优良的电化学性能,其比表面积高达2433.8 m²·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下比容量高达234.7 F·g^-1,在大电流密度10 A·g^-1时依然有207.6 F·g^-1的比容量,具有良好的倍率性能;电极在2 A·g^-1的电流密度下循环10000次后依然有196.1 F·g^-1的比容量,表明其具有长时工作的特性。     

纤维素基生物质多孔炭的制备及其超级电容器性能研究

以棉纤维素为原料,采用硝酸盐、尿素、纤维素共混后热裂解的方法制备分级多孔炭HPC样品,通过改变煅烧温度和KOH活化处理对多孔炭比表面积及孔结构进行调控。对比三个不同温度煅烧活化处理后样品的循环伏安曲线、恒电流充放电曲线、比容量等电化学参数,结果表明,4AC@HPC800样品作为超级电容器工作电极具有优良的电化学性能,其比表面积高达2433.8 m²·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下比容量高达234.7 F·g^-1,在大电流密度10 A·g^-1时依然有207.6 F·g^-1的比容量,具有良好的倍率性能;电极在2 A·g^-1的电流密度下循环10000次后依然有196.1 F·g^-1的比容量,表明其具有长时工作的特性。     

高分散SiO2/石油沥青基多孔碳用于锂离子电池负极

二氧化硅(SiO₂)作为锂离子电池负极材料具有理论容量高、放电电位低、成本较低等特点,但存在导电性差、充放电过程体积膨胀严重以及容量衰减过快等问题。以石油沥青为碳源,利用硅烷偶联剂KH-540对纳米α-Fe₂O₃模板剂进行表面化学包覆,然后将硅源修饰模板剂与碳源混合,经碳化、酸洗等步骤得到高分散SiO₂/石油沥青基多孔碳(SiO₂/PC)。所得SiO₂/PC作为锂离子电池负极材料,在1 A·g^-1电流密度下,循环900圈后仍具有640 mA·h·g^-1的高可逆比容量。研究结果表明,高度纳米化的SiO₂在高温碳化过程原位生成,紧密牢固地负载于多孔碳表面,提高了其导电性,同时能够有效缓解SiO₂在充放电过程中的体积膨胀,抑制SiO₂的团聚或粉化,从而表现出优异的电化学性能。     

调控炭化过程优化煤基硬炭负极储钠性能

我国煤炭资源丰富多样、价格低廉、分布广泛,将煤转化为新材料,是提高其附加价值和技术含量的有效途径。煤含碳量高、芳环结构丰富,热解炭化可制备钠离子电池硬炭负极材料。以新疆烟煤为碳源,采用低温热解复合高温炭化的两步过程,并调控相应工艺条件,研究了烟煤中间相的发展过程对硬炭结构及其储钠行为的影响。经研究发现,改变低温热解的温度区间、载气流速和升温速率,可以调节胶质体生成阶段内的分解和解聚反应,调节挥发分生成和逸出以及胶质体固化等过程进行的程度,从而调控硬炭的比表面积和石墨化程度等。在温度区间为350~550℃、载气流速为60 ml·min^-1、升温速率为1℃·min^-1条件下,炭化得到的硬炭负极可逆比容量和首周库仑效率最佳,在0.02 A·g^-1的电流密度下分别达到314.3 mA·h·g^-1和82.8%,良好的性能归因于煤基硬炭材料中有序结构和缺陷结构的协调和平衡。     

锂硫电池正极材料的研究进展

世界能源短缺危机日益严重,发展可再生能源成为必然趋势,而储能系统的研究则成为其中的关键。另外,锂离子电池在电子设备中有着重要的作用,但是其较低的理论比容量,使之难以满足大型电子设备的需求。锂硫电池具有数倍于锂离子电池的理论比能量密度(2 600 Wh·kg^-1)和理论比容量(1 675 mAh·g^-1),而且单质硫储量丰富、价格低廉,因此锂硫电池是非常具有应用前景的储能器件。正极材料对锂硫电池性能具有重要的影响,并得到广泛研究。本文综述了近年来硫/碳、硫@碳/金属化合物、硫/杂原子掺杂碳以及负载催化剂的硫/碳等各类复合材料在锂硫电池中的研究进展,并对其发展进行了展望。