一维氮化钒纳米线在锂硫电池中的研究

锂硫电池以其高理论比容量、高能量密度、储量丰富等优点得到了人们的广泛关注,但锂硫电池充放电过程中存在的多硫化锂严重的穿梭效应等缺陷制约着其进一步发展。为了能有效抑制穿梭效应、改善锂硫电池性能,采用水热法制备了一种结晶良好、元素分布均匀的一维氮化钒纳米线,将其作为隔膜修饰材料后,电解液间的浸润性得到了改善,离子传输性能得到了提升;同时,修饰层的形成有效地覆盖了初始隔膜较大的孔洞,从而有效抑制了多硫化锂的穿梭效应,电池的倍率性能和循环性能得到了提升。0.1C下的初始放电容量可达1055 mAh·g^-1,0.5C、1C、2C、5C下的放电容量也能分别维持在862m Ah·g^-1、803m Ah·g^-1、736m Ah·g^-1和651m Ah·g^-1,1C循环后的容量能维持在641 mAh·g^-1。当正极硫负载量为3 mg·cm^-2时,3C循环后的容量也能维持在645 m Ah·g^-1。     

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。     

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。     

分子筛SBA-15对锂硫电池电化学性能的影响

针对锂硫电池存在的主要问题,将介孔分子筛SBA-15添加在锂硫电池硫电极中,通过SBA-15的吸附作用来抑制多硫化物的穿梭效应。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮气吸脱附测试等物理手段对材料进行表征,采用电池测试系统对电池的电化学性能进行测试。结果表明：添加1% SBA-15的SCS-1.0电池电化学性能得到明显提高,第300圈放电比容量比未添加SBA-15的SC电池的放电比容量提高200 mAh·g^-1左右。所以,在硫电极中添加1% SBA-15有利于锂硫电池电化学性能的提高。     

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。     

锂硫电池模拟与仿真

多硫化物沉淀反应造成电极活性比表面积大量减少,是锂硫电池放电性能降低的主要原因。采用形核-生长沉淀模型描述锂硫电池沉淀过程。同时,采用误差函数erf（x）修正锂硫电池活性比表面积减少对电池放电阶段性能的影响。在实验数据与计算结果相吻合的前提条件下,进一步计算结果表明：多硫化物Li₂S₂和Li₂S较高的生长速率可以提高放电电压平台,而增加S^2-的形核和生长速率均有利于提高锂硫电池的放电容量。     

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。     

MnO2@ACFF中间层强化高载量硫电极性能稳定性作用

为提高碳材料对聚硫化物的吸附能力,将MnO₂原位化学沉积于活性碳纤维炭毡(ACFF)的碳纤维表面,得到了聚硫化物吸附强化的多孔导电材料(MnO₂@ACFF)。将其作为中间层设置于隔膜和硫电极之间,有效控制了高载量硫电极的聚硫离子穿梭,提高了活性物质利用率和库伦效率,降低了电极极化和电化学反应阻抗,提高了电极循环稳定性,避免了锂硫电池的突然失效。在2 mA/cm²的电流密度下,载硫量为15 mg/cm²的硫电极经过350次充放电循环仍保有430 mA·h/g的比容量。提高硫电极载硫量虽然使电极的循环稳定性下降,但载量为20 mg/cm²和30 mg/cm²的硫电极0.1 C下经过100次循环,仍分别保有736 mA·h/g和446 mA·h/g的比容量,比容量保持率为65%,而且面积比容量和面积比能量也能分别保持64%和42%,高于当前锂离子电池的面积比容量和面积比能量。     

多孔FeF2正极材料的制备及电化学性能研究

利用分解反应中大比例质量损失和大量气体产生,制备出具有40.369m²·g^-1大比表面积的多孔FeF₂材料。多孔结构为FeF₂材料构建了优异的离子和电子导电通路,表现出优秀的倍率性能和循环性能。在2C、5C和15C的倍率下分别表现出589.21mAh·g^-1、406.95mAh·g^-1和83.53mAh·g^-1的高放电比容量。在0.5C和2C下,循环100次后放电比容量分别为502.5mAh·g^-1和267.9mAh·g^-1。该结果为电池正极材料提升倍率性能提供了新思路。     

Synthesis of bimetallic sulfide CuCo2S4 and its application in lithium-sulfur batteries

Lithium-sulfur batteries have received extensive attention in recent years due to the high specific energy. However, their development needs to overcome many problems such as the shuttle effect of intermediate products, the insulation of sulfur, and the volume expansion of the cathode. To effectively suppress the shuttle effect, this paper uses a method derived from Prussian blue analogs to synthesize a spinel bimetallic sulfide CuCo₂S₄ and use it for the cathode of lithium-sulfur batteries. XRD, SEM, TEM, BET, XPS and other characterizations were used to analyze the crystal structure and morphology of the synthesized materials, and the electrochemical performance of the CuCo₂S₄-S composite cathode was tested by cyclic voltammetry and galvanostatic charge and discharge process. Studies show that the CuCo₂S₄-S cathode exhibits excellent electrochemical performance. The first initial capacity is 959 mA·h·g^-1 at the rate of 0.2C, and 591 mA·h·g^-1 remains after 100 cycles. The high discharge specific capacity and good cycling stability are attributed to the hollow structure inside the CuCo₂S₄ material that can accommodate the active material sulfur and play a role in physical confinement; at the same time, the polar CuCo₂S₄ can effectively chemically adsorb polysulfides and suppress capacity loss caused by the shuttle effect of polysulfides.     

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.     

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。     

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。