双金属硫化物CuCo2S4的合成及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因较高的比能量近年来得到了广泛的关注,然而其发展需要克服中间产物的穿梭效应、硫的绝缘性和正极体积膨胀等诸多问题。为了有效抑制穿梭效应,采用普鲁士蓝类似物衍生的方法合成了一种尖晶石结构的双金属硫化物CuCo₂S₄,并将其用于锂硫电池正极。利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS等手段对合成的材料的晶体结构、形貌等性质进行分析,采用循环伏安法及恒流充放电对CuCo₂S₄-S复合正极的电化学性能进行测试。研究表明,CuCo₂S₄-S正极展现出优异的电化学性能,在0.2C倍率下首次放电容量为959 mA·h·g^-1,经过100个循环后容量保持在591 mA·h·g^-1。较高的放电比容量和良好的循环稳定性归因于CuCo₂S₄材料内部的中空结构可容纳活性物质硫,并起到物理限域作用;同时,极性CuCo₂S₄可有效地化学吸附多硫化物,抑制多硫化物的穿梭效应造成的容量损失。     

One-step synthesis of recoverable CuCo2S4 anode material for high-performance Li-ion batteries

A facile one-step hydrothermal method has been adopted to directly synthesize the CuCo₂S₄ material on the surface of Ni foam. Due to the relatively large specific surface area and wide pore size distribution, the CuCo₂S₄ material not only effectively increases the reactive area, but also accommodates more side reaction products to avoid the difficulty of mass transfer. When evaluated as anode for Li-ion batteries, the CuCo₂S₄ material exhibits excellent electrochemical performance including high discharge capacity, outstanding cyclic stability and good rate performance. At the current density of 200 mA·g⁻¹, the CuCo₂S₄ material shows an extremely high initial discharge capacity of 2510 mAh·g⁻¹, and the cycle numbers of the material even reach 83 times when the discharge capacity is reduced to 500 mAh·g⁻¹. Furthermore, the discharge capacity can reach 269 mAh·g⁻¹ at a current of 2000 mA·g⁻¹. More importantly, when the current density comes back to 200 mA·g⁻¹, the discharge capacity could be recovered to 1436 mAh·g⁻¹, suggesting an excellent capacity recovery characteristics.     

Fe2C和氮共掺杂的具有有序孔道结构碳膜用于锂硫电池正极

利用定向冷冻-碳化法制备了Fe₂C、氮共掺杂的碳膜（Fe₂C/N-C）作为一体化电极用于锂硫电池。由于其兼具规则的导电网络和连通的离子扩散通道,可有效缓解活性物质硫及放电终端产物导电性差的问题,且孔道结构亦可有效缓冲充放电过程活性物质的体积膨胀效应。该膜结构有利于电子传递和锂离子扩散,掺杂的Fe₂C纳米颗粒对多硫化锂具有较强的吸附作用以及向放电终端产物转化的催化作用,有效抑制了多硫化物的“穿梭效应”,提高硫利用率,显著提升电池的综合性能和循环稳定性。Fe₂C/N-C电极在载流量1.1 mg·cm^-2、1.0 C电流密度下循环100圈后得到833.0 mA·h·g^-1的比容量、99.3%的库仑效率、每圈容量衰减率低至0.02%,在较高载硫量3.8 mg·cm^-2时,0.2 C下循环100圈仍能取得714.3 mA·h·g^-1的比容量。     

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。     

硼高效掺杂LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料及其性能提升机制

高键能异质原子的高效掺杂是稳定高电压LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM）三元正极材料并提升其电化学性能的有效策略。借助含硼前体在二次颗粒表面富集及随后高温煅烧强化B³⁺体相扩散的策略,构建了硼离子高效掺杂NCM正极材料（NCM-B）。引入B—O键（键能：809 kJ·mol^-1）抑制了电化学反应过程中晶格氧析出,进而稳定材料的氧离子框架;此外,表面残余的高锂离子导体Li₂O-B₂O₃包覆层可以在一定程度上稳定电极-电解液界面。与改性前NCM相比,改性后的NCM-B正极材料在3.0~4.5 V电压区间的可逆比电容量可以达到193.7 mA·h·g^-1,在10 C大功率下,比电容量仍保持120 mA·h·g^-1（NCM仅为78.2 mA·h·g^-1）。1 C下连续循环100圈后,比电容量保持率从73%提升到90%。表面富集和扩散强化的思想也有望实现其他正极材料的高效掺杂。     

S/MCNT/Fe3O4正极材料制备及电化学性能研究

锂硫电池因具备高的理论能量密度而引起研究者的广泛关注,但是其实际能量密度仍受限于硫的低电导率及其中间产物多硫化物的“穿梭效应”等因素。为解决以上问题,通过熔硫法将正极活性物质硫负载于多壁碳纳米管的多孔网络骨架中,进一步通过研磨法将其与极性氧化物四氧化三铁复合,制得硫/多壁碳纳米管/四氧化三铁（S/MCNT/Fe₃O₄）正极材料。基于该正极材料组装的锂硫电池,在1C倍率下具有高达908.6 mA·h/g的初始放电比容量,循环250圈后每圈容量衰减率为0.2%,平均库伦效率约为99%,当倍率提高到3C时仍具有636.5 mA·h/g的比容量,表现出优良的倍率性能。     

Preparation and lithium storage properties of Mo2N quantum dots@nitrogen-doped graphene composite

To improve the electrochemical lithium storage performance of molybdenum nitrides, Mo₂N quantum dots@nitrogen-doped graphene oxide sponge (Mo₂N-QDs@Ngs) was prepared by hydrothermal reaction, freeze-drying and calcination in H₂/N₂ mixture with ammonium molybdate ((NH₄)Mo₇O₂₄·4H₂O), hexamethylenetetramine (C₆H₁₂N₄) and graphene oxide (GO) as raw materials. The effect of GO content on the electrochemical lithium storage performance was investigated. The transmission electron microscope (TEM) results show that the size of the prepared Mo₂N quantum dots is about 2—5 nm, and the Mo₂N quantum dots are uniformly distributed on the surface of nitrogen-doped graphene. The electrochemical test results show that when the GO content is 30%, the prepared Mo₂N-QDs@Ngs-30 has the best electrochemical lithium storage performance, which has 699 mA·h·g^-1 specific capacity at the current density of 0.1 A·g^-1, and has 286 mA·h·g^-1 specific capacity even at the current density of 2 A·g^-1.     

Mo2N量子点@N-掺杂石墨烯复合材料的制备及储锂性能

为改善钼氮化物的电化学储锂性能，以钼酸铵、六次甲基四胺及氧化石墨烯（GO）为原料，通过水热、冷冻干燥及在H₂/N₂混合气中热处理，制备了Mo₂N量子点@氮掺杂石墨烯复合材料（Mo₂N-QDs@Ngs），并探究了GO复合量对电化学储锂性能的影响。透射电子显微镜（TEM）测试结果表明：制备的Mo₂N量子点尺寸约为2~5 nm，Mo₂N量子点均匀地分布在氮掺杂石墨烯的表面。电化学测试结果表明：当GO复合量为30%时（Mo₂N-QDs@Ngs-30），制备的复合材料具有最佳的电化学储锂性能，其在0.1 A·g^-1的电流密度下具有699 mA·h·g^-1的比容量，在2 A·g^-1下仍具有286 mA·h·g^-1的比容量。     

离子液体作为电解液添加剂用于高压锂离子电池

合成了功能化离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺盐（BMIMTFSI）作为高压锂离子电池电解液添加剂,用于抑制有机溶剂的氧化,以提高碳酸酯类电解液的耐高压性。分别采用充放电测试、电化学交流阻抗（EIS）、循环伏安法（CV）和扫描电子显微镜（SEM）等研究了LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li电池的电化学行为和LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料表面形貌。结果表明,当在电解液中添加20% （体积分数）BMIMTFSI时,LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li电池在室温、0.2C下的最高放电比容量是126.81 mA·h·g^-1,5C下的放电比容量为109.36 mA·h·g^-1,比在1 mol·L^-1 LiPF₆-EC/DMC电解液中的放电比容量提高了91.7%;且该电池在0.2C下循环50圈后的放电比容量保持率在95%左右,比用碳酸酯类电解液提高了近10%。SEM结果表明,在碳酸酯类电解液中加入BMIMTFSI后,LiNi_0.5Mn_1.5O₄电极表面附着了一层均匀且致密的固态电解质界面（SEI）膜。     

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。     

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。     

Ag掺杂VO2(B)正极材料的合成及其电化学性能

以V₂O₅、C₁₂H₂₂O₁₁和AgNO₃为原料,采用水热法制备Ag掺杂VO₂（B）正极材料,通过XRD、FESEM、XPS、EDS、循环伏安（CV）、交流阻抗（EIS）等表征手段,研究掺Ag对VO₂（B）的结构、形貌及电化学性能的变化规律。结果表明,当掺杂量为0.43%（atom）时,样品（Ag₁）首次放电比容量为340.5 mA·h·g^-1,较未掺杂样品（Ag₀）提高了80.5%。当掺杂量为1.28%（atom）时,样品（Ag₃）表现出最好的循环稳定性,首次放电容量为213.6 mA·h·g^-1,100次循环后,容量保持率为58.3%。     

NiCo2S4/N,S-rGO纳米复合材料的制备和电化学储钠性能

NiCo₂S₄是一种极具发展前景的钠离子电池(SIBs)负极材料。采用简单的一步法(混合和热处理)原位合成了锚定在N、S共掺杂还原氧化石墨烯上的纳米颗粒自组装的NiCo₂S₄亚微米球(NiCo₂S₄/N,S-rGO)。XPS表明了NiCo₂S₄与N,S-rGO之间存在电子转移,证实了NiCo₂S₄与N,S-rGO之间强的协同作用。纳米粒子自组装的NiCo₂S₄亚微米球有效地促进了离子的扩散,N,S-rGO优异的电学和力学性能不仅提高了电极的导电性,而且有效地缓冲了充/放电过程中NiCo₂S₄/N,S-rGO的体积变化。NiCo₂S₄/N,S-rGO作为SIBs的负极材料呈现出高可逆容量,优越的倍率性能和长期稳定性(在电流密度为0.5 A/g时循环130次后仍保持了396.7 mA·h/g的高比容量。即使在电流密度为2 A/g时,经过1000次循环后比容量仍保持在283.3 mA·h/g)。研究结果为高效负极材料的设计和合成提供了新的思路。     

中空硫球-MoS2/rGO材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借高理论能量密度和高理论比容量的优势成为极具发展前景的储能设备。然而,单质硫和硫化锂的绝缘性、放电过程中产生的体积膨胀及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”等问题,限制其商业化发展。为解决上述问题,采用低温液相法合成中空硫球（HS）,通过水热法制备纳米花状MoS₂/还原氧化石墨烯（MoS₂/rGO）,随后将MoS₂/rGO包覆在HS表面获得HS-MoS₂/rGO复合正极材料。利用XRD、SEM、TEM、XPS等对该材料的晶体结构、形貌等性质进行表征,采用循环伏安法、交流阻抗法以及恒流充放电对复合正极进行电化学测试。研究表明,MoS₂/rGO对多硫化物具有强吸附能力和高催化活性,能够有效限制多硫化物的穿梭;同时硫球的中空结构能够缓解体积膨胀,保持正极结构稳定。HS-MoS₂/rGO正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。     

中空硫球-MoS2/rGO材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借高理论能量密度和高理论比容量的优势成为极具发展前景的储能设备。然而,单质硫和硫化锂的绝缘性、放电过程中产生的体积膨胀及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”等问题,限制其商业化发展。为解决上述问题,采用低温液相法合成中空硫球（HS）,通过水热法制备纳米花状MoS₂/还原氧化石墨烯（MoS₂/rGO）,随后将MoS₂/rGO包覆在HS表面获得HS-MoS₂/rGO复合正极材料。利用XRD、SEM、TEM、XPS等对该材料的晶体结构、形貌等性质进行表征,采用循环伏安法、交流阻抗法以及恒流充放电对复合正极进行电化学测试。研究表明,MoS₂/rGO对多硫化物具有强吸附能力和高催化活性,能够有效限制多硫化物的穿梭;同时硫球的中空结构能够缓解体积膨胀,保持正极结构稳定。HS-MoS₂/rGO正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。     

Preparation and sodium storage performance of NiCo2S4/N,S-rGO nanocomposites

NiCo₂S₄ is a promising anode material for sodium ion batteries (SIBs). In this paper, a simple one-step method (mixing and heat treatment) was used to synthesize in-situ synthesized NiCo₂S₄ submicron spheres (NiCo₂S₄/N,S-rGO) anchored on N, S co-doped reduced graphene oxide. XPS characterization demonstrated electron transfer between NiCo₂S₄ and N,S-rGO, which confirmed the strong synergistic effect between NiCo₂S₄ and N,S-rGO. The nanoparticles self-assembled NiCo₂S₄ spheres effectively promoted ion diffusion, and the excellent electrical and mechanical properties of N,S-rGO not only improved the conductivity of the electrode, but also effectively buffeted the large volume changes of NiCo₂S₄/N,S-rGO during the charge/discharge process. Benefiting from the unique nano-architecture and strong synergistic effect, NiCo₂S₄/N,S-rGO applied as anode materials for SIBs presented a high reversible capacity, impressive rate capability and superior long-term stability (396.7 mA·h/g at 0.5 A/g after 130 cycles, 283.3 mA·h/g at 2 A/g after 1000 cycles). Those results open an interesting strategy for rational design and preparation of efficient anode materials for SIBs.     

不同镍钴锰比对xLi2MnO3-(1-x)LiMO2正极材料的 结构和电化学性能的影响

以NaOH和NH₃·H₂O为沉淀剂,采用共沉淀法成功合成富锂锰基层状正极材料。通过X射线粉末衍射（XRD）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和充放电测试等研究手段,重点探讨了不同镍钴锰比对富锂锰基层状正极材料的结构、形貌以及电化学性能的影响。其中Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂正极材料结晶度高,粒度分布均匀,无明显团聚现象。在0.1C倍率下首次放电比容量为247.9 mA·h·g^-1,首次库仑效率为75.1%。在1C倍率下首次放电比容量为236.2 mA·h·g^-1,经过50次充放电循环后放电比容量为218.4 mA·h·g^-1,容量保持率为88.3%,展现出较好的循环稳定性。     

Al2O3/AC正极选择性电容吸附水中氟离子

氟是人类生命活动必需的微量元素之一,但人体摄入过多的氟元素会引发氟斑牙、骨骼变形等氟中毒现象。本文以活性炭 （AC） 为载体,在多孔Al₂O₃纳米分散液中采用简单超声处理,得到Al₂O₃/AC复合材料。场发射扫描电镜证明Al₂O₃成功负载在AC表面,5% Al₂O₃在AC表面分布均匀。N₂吸-脱附测试结果表明Al₂O₃/AC复合材料的比表面积比AC有明显增加。循环伏安、恒流充放电及电化学阻抗测试结果表明Al₂O₃的掺杂可以改善AC的离子导电性,提高比电容;5% Al₂O₃/AC导电性最佳,比电容最高,在7 mmol·L^-1 NaF溶液中为92 F·g^-1,是AC比电容 （62 F·g^-1） 的1.5倍。以Al₂O₃/AC为正极的电容去离子 （CDI） 脱氟测试,结果表明5% Al₂O₃/AC电极脱氟量最大,达234 μmol·g^-1,远高于纯AC的脱氟量 （115 μmol·g^-1）。此外,5% Al₂O₃/AC电极对F^-的选择性吸附性能良好,在含F^-、Cl^-和SO₄^2-的模拟高氟地下水中采用5% Al₂O₃/AC电极对应的三组CDI池串联,可脱除80%的F^-、25%的Cl^-和56%的SO₄^2-,同时经过十次F^-吸脱附循环后,氟去除率仍可保持81%,证明5% Al₂O₃/AC电极对F^-具有良好的选择吸附性和循环稳定性。该电极材料制备简单,脱氟选择性好,在CDI过程中有望用于高氟地区地下水的净化脱氟。     

Facile synthesis of spinel LiNi0.5Mn1.5O4 as 5.0 V-class high-voltage cathode materials for Li-ion batteries

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ and LiMn₂O₄ with novel spinel morphology were synthesized by a hydrothermal and post-calcination process. The synthesized LiMn₂O₄ particles (5-10 μm) are uniform hexahedron, while the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ has spindle-like morphology with the long axis 10-15 μm, short axis 5-8 μm. Both LiMn₂O₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄ show high capacity when used as cathode materials for Li-ion batteries. In the voltage range of 2.5-5.5 V at room temperature, the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ has a high discharge capacity of 135.04 mA·h·g^-1 at 20 mA·g^-1, which is close to 147 mA·h·g^-1 (theoretical capacity of LiNi_0.5Mn_1.5O₄). The discharge capacity of LiMn₂O₄ is 131.08 mA·h·g^-1 at 20 mA·g^-1. Moreover, the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ shows a higher capacity retention (76%) compared to that of LiMn₂O₄ (61%) after 50 cycles. The morphology and structure of LiMn₂O₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄ are well kept even after cycling as demonstrated by SEM and XRD on cycled LiMn₂O₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄ electrodes.     

Cr掺杂对富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2结构和电化学性能的影响

采用共沉淀-高温固相合成法制备锂离子电池正极材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.2-x/2Mn_0.6-x/2Cr_xO₂（x=0,0.04,0.08,0.12）。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、恒电流充放电测试和电化学交流阻抗谱（EIS）对掺杂不同Cr含量的正极材料的结构、形貌和电化学性能进行分析测试。结果表明：制备出的Li_1.2Ni_0.2Mn_0.2-x/2Mn_0.6-x/2Cr_xO₂正极材料均具备层状固溶体结构。Cr掺杂不会改变材料的结构,而且能够有效抑制循环过程中材料由层状向尖晶石结构转变的过程。当Cr的掺杂量为8%（即x=0.08）时,得到的正极材料Li_1.2Ni_0.16Mn_0.56Cr_0.08O₂具有最好的电化学性能。0.1C的首次放电比容量由未掺杂的230.4 mA·h·g^-1增加到246.6 mA·h·g^-1,在0.2C电流下50次循环后的容量保持率由93.5%提高至95.36%,5C的放电比容量由91.5 mA·h·g^-1增加到104.2 mA·h·g^-1。而且x=0.08时制备的样品具有最小的电荷转移阻抗。