钠离子电池锰酸钠正极材料研究进展与发展趋势北大核心CSCD

近年来,钠离子电池凭借钠资源储量丰富、分布广泛、价格低廉、绿色可持续发展、安全稳定、集成效率高、快速充电性能优异、低温性能好等一系列优势被认为是锂离子电池当前最好且最有发展前景的互补品,也是未来发展大规模电化学储能最具前景的系统之一。然而阻碍钠离子电池发展的因素是正极材料体系结构易发生相变、放电比容量不够高、循环性能不够好等问题。目前,钠离子电池正极材料的研究中过渡金属氧化物材料表现出更多样的结构种类、更优的结构稳定性、更高的比容量、良好的充放电循环性能和其他优异的电化学性能。本文针对锰酸钠正极材料微观以及宏观结构的研究进展进行归纳总结,着重对不同钠含量的锰酸钠材料通过三种不同位点(钠位、锰位和氧位)掺杂以及包覆的手段进行系统深入的研究,详细展示并论述了不同元素不同位点掺杂以及不同包覆手段所带来的增益效果。在未来的发展过程中,应加强对微观宏观结构的进一步提升,拓展多元素多位点掺杂种类、掺杂比例、搭配类型和包覆材料种类等,提升包覆技术,并不断加强钠离子电池电解液、负极材料等配件的创新与发展。     

Review of doping and surface coating of cathode materials for lithium ion batteries

随着国家政策对电动汽车的支持力度不断加大,锂离子电池的电化学性能瓶颈愈发凸显。本文综述了锂离子电池正极材料钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂及三元材料在掺杂和表面包覆两种工艺对电池电化学方面的影响,并展望了掺杂和表面包覆两种工艺未来的研究方向。     

锂电池百篇论文点评(2021.4.1—2021.5.31)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science从2021年4月1日至2021年5月31日上线的锂电池研究论文,共有3015篇,选择其中100篇加以评论.正极材料方面的研究主要集中在层状结构高镍三元、高压钴酸锂和尖晶石结构镍锰酸锂的合成条件、表面包覆和体相掺杂改性.硅基复合负极材料的研究重点包括对硅颗粒的包覆和对电极结构的优化以缓冲体积变化.金属锂负极的研究侧重于通过电解液添加剂来调控SEI的生长以及抑制锂枝晶的形成.固态电解质的研究主要包括对氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、聚合物固态电解质以及复合固态电解质的合成、结构设计以及相关性能研究.液态电解液方面的研究主要包括提升石墨、硅负极的性能,以及适应高电压镍锰酸锂、三元层状材料、钴酸锂材料等正极材料电池的电解液溶剂、锂盐及添加剂.固态电池方向更多关注于复合正极设计和制备、活性材料表面的修饰、Li金属负极界面修饰.其他电池技术主要包括设计具有高离子/电子导电基体的复合锂硫正极,以及通过电解液添加剂来抑制多硫化物"穿梭效应".测试技术方面涵盖了对Li金属的沉积、硅负极的SEI、复合正极的微结构和界面反应等问题的观测和分析.理论模拟工作涉及固态电池中固体电解质及其与电极界面的稳定性.界面问题侧重于关注固体电解质和Li金属负极界面副反应和Li枝晶生长.     

钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠研究进展北大核心CSCD

钠离子电池因其原材料储量丰富、成本低、安全环保等优势在大规模储能、低速电动车领域具有广阔的应用前景。氟磷酸钒钠[Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(2)F_(3),NVPF]正极材料具有稳定的三维框架结构、高的理论比容量(128 mA·h/g)和高的工作电压(约3.8 V)等优点,已成为近年来钠离子电池正极材料研究的热点。然而,NVPF较低的电子电导率和较慢的离子扩散速率导致其实际比容量偏低且倍率性能不理想,阻碍了其进一步发展。为此,研究者们通过优化NVPF的合成工艺,并采用包覆、离子掺杂和结构设计等方法对其进行改性,使其电化学性能得到了显著提升,极大增强了NVPF在钠离子电池中的应用潜力。本文通过对近年相关文献的回顾,介绍了NVPF的晶胞特征,并梳理了NVPF的四种脱嵌钠机制(固溶反应机制、分步钠脱嵌机制、三步钠脱嵌机制和两步钠脱嵌机制);简要综述了NVPF常用的三种合成方法(高温固相法、水热法和溶胶-凝胶法),并归纳了各方法的优缺点;详细介绍了利用包覆、离子掺杂和结构设计等方法改性NVPF的研究进展。最后,从实际应用角度出发,对NVPF的合成、改性及其全电池的发展进行了展望,以期推动NVPF正极材料在钠离子电池中的应用化进程。     

Research progress in blending modification cathode materials for lithium ion batteries

本文简述了国内外锂离子电池正极材料共混改性的研究进展。正极材料是锂离子电池重要组成部分，是决定锂离子电池能量密度和成本的关键因素。共混改性具有制备工艺简单、材料性能一致性容易控制、综合成本较低等优点，在钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料电池制造中得到应用。国内外通过对正极材料共混改性机理研究，发现共混改性是材料改善电化学性能、降低成本、提升安全性能的有效途径，并有望发展成为依据材料特性指导锂离子电池高性能电极设计的重要方法。同时在正极材料共混改性方面亟需加强共混材料物性匹配、充放电机制选取、共混工艺研究，该方法也为高镍、富锂锰基等新一代正极材料工业化应用提供了工艺参考。     

锂电池百篇论文点评(2021.12.1—2022.1.31)北大核心CSCD

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2021年12月1日至2022年1月31日上线的锂电池研究论文,共有3795篇,选择其中100篇加以评论。正极材料方面主要研究了高镍三元、富锂正极材料的包覆和掺杂改性,以及其在高电压下所发生的表面和体相的结构演变。金属锂负极的研究包含金属锂的表面修饰、三维结构设计及其沉积形态和均匀性的研究。合金化储锂负极材料的研究侧重于复合电极结构设计和各类黏结剂的开发,以缓解循环过程中负极材料的体积变化,维持电极完整性。固态电解质的研究主要包括对现有固态电解质的合成、掺杂、结构设计、稳定性和相关性能研究以及对新型固态电解质的探索。而其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配的研究,以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多关注于复合正极设计和界面修饰和影响锂枝晶生长的因素。其他电池技术偏重于基于催化、高离子/电子导电基体的复合锂硫正极构造以及“穿梭效应”的抑制。电池测试技术方面涵盖了对Li金属的沉积形貌及SEI、快充放条件下正极材料各性质、固态电池的界面问题的观测和分析。理论计算涉及掺杂固体电解质电导率、固态电池中界面应力分析等进行了探讨。而界面问题侧重于关注固体电解质和Li金属负极界面稳定性。此外,电极预锂化研究论文也有多篇。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries(June 1,2014 to July 31,2014)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science从2014年6月1日至2014年7月31日上线的锂电池研究论文,共有1302篇,选择其中100篇加以评论.层状氧化物正极材料的研究工作有材料结构分析以及掺杂和表面包覆对材料充放电循环寿命的影响,高电压的尖晶石结构LiNi_0.5M_1.5O₄材料主要研究了掺杂和表面包覆以及电解液的作用,磷酸盐正极材料的研究涉及材料制备方法和充放电过程结构变化研究.高容量的硅基负极材料一直是研究的热点,硅碳复合负极材料,硅材料表面包覆以及SEI是研究重点,碳材料与锡/氧化锡复合负极材料,固态电解质,锂空电池,锂硫电池的论文也有多篇.理论模拟工作包括SEI研究以及正极材料表面电子结构研究,除了这些以材料为主的研究之外,针对电池的原位分析,电池模型,电极制造技术的研究论文也有多篇.     

Progress in prussian blue in sodium ion cathode material

近年来,随着储能技术的快速发展,钠离子电池因为资源丰富、环境友好、成本低廉,成为电化学储能技术研究热点;而其正极材料是制约钠离子电池应用的关键因素之一。普鲁士蓝类正极材料具有开框架结构,有利于钠离子的快速迁移,这种结构使其具有良好的电化学性能。本文简要介绍了普鲁士蓝类化合物及其复合材料在水体系和有机体系钠离子电池中的研究情况。普鲁士蓝类正极材料由于制备工艺简单,结构稳定,是极有潜力的钠离子储能材料。     

基于分子轨道杂化的高电压钠离子电池层状氧化物正极材料北大核心CSCD

O3型层状过渡金属氧化物NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)是目前最有应用前景的钠离子电池正极材料之一。然而,由于在充放电过程中过渡金属层的滑移,O3型正极材料伴随着多重不可逆的复杂相变,所以其应用受到了限制。另外,O3-NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)正极的容量主要集中在3 V左右的低电压区域,在充放电过程中这一区域很容易发生O3-P3相变,所以限制了其能量密度。本研究提出了一种精准的化学元素取代策略来解决这些问题。通过Sn^(4+)掺杂来抑制过渡金属层的滑移,从而抑制循环过程中的不可逆相转变。同时,由于Sn^(4+)具有独特的外层电子结构,在d轨道上没有单电子,无法与O 2p轨道发生杂化,所以O 2p轨道就只与Ni eg轨道发生杂化,增大了Ni—O键的离子度,提高了Ni的氧化还原电势。因此,NaNi_(0.5)Sn_(0.5)O_(2)正极材料的中值电压高达3.28 V。同时,该电极材料表现出较为优异的电化学性能和动力学性质。本工作基于分子轨道杂化对O3型正极材料的氧化还原电势实现了可控调制,从而获得了具有高电压的钠离子电池层状氧化物正极材料。     

Al掺杂锰酸锂材料在水系锂离子电池中的循环稳定性

水系锂离子电池具有优良的安全性能和高离子导电性等优点,得到了广泛研究.LiMn2O4材料在水系锂离子电池中较差的循环稳定性使其应用受到限制.为了改善这一缺陷,以乙炔黑为模板,采用简单的高温固相法合成了Al掺杂的LiMn2O4材料(LiMn1.9Al0.1O4),并应用于水系锂离子全电池中.实验结果表明,在0.1 A/g的电流密度下,LiMn2O4材料放电比容量高达125.5 mA·h/g,略高于LiMn1.9Al0.1O4材料的比容量(121.6 mA·h/g).在0.1 A/g电流密度下,经200次循环LiMn1.9Al0.1O4材料的容量保持率(90％)高于LiMn2O4材料(78％).将电流密度提升到1 A/g经500次循环后LiMn1.9Al0.1O4和LiMn2O4材料的容量保持率分别为88％和57％.上述结果表明Al掺杂的锰酸锂材料在水系锂离子电池中的循环稳定性以及倍率性能均有明显提高,说明Al的掺杂能显著提升锰酸锂正极材料的结构稳定性,并且能够缓解Mn的溶解和抑制Jahn-Teller效应,改善循环性能.     

磁性金属元素在钠离子电池中的应用北大核心CSCD

钠离子电池由于其资源丰富、价格低廉等因素常被用作锂离子电池的替代品。但由于钠的原子半径相对较大、动力学性能相对迟缓等问题,限制了钠离子电池的商业化发展进程。本文基于目前最新的研究,系统总结了普鲁士蓝类、层状过渡金属氧化物类、聚阴离子类中的磁性金属元素在钠离子电池正极材料中的应用,通过掺杂磁性元素来提高电化学性能及循环稳定性。普鲁士蓝类在实际应用中普遍存在容量利用率低、效率低、倍率差和循环不稳定等缺点,然而通过磁性金属元素的掺杂降低Na^(+)通过SEI膜的扩散电阻,加速离子扩散过程,增加活性位点。层状过渡金属氧化物类、聚阴离子类正极材料利用磁性金属元素,增强了钠离子电池的电化学性能。对比锂离子电池负极材料,通过设计含有磁性元素的新型钠离子电池负极材料实现快速储钠,在碳基材料中负载磁性金属元素,加速Na^(+)扩散。本文对最新的进展情况进行分析并综述。     

锂电池百篇论文点评(2023.2.1—2023.3.31)北大核心CSCD

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2023年2月1日至2023年3月31日上线的锂电池研究论文,共有3714篇,选择其中100篇加以评论。正极材料的研究集中于镍酸锂、高镍三元材料的表面包覆和掺杂改性,以及其在长循环中的结构演变等。硅基复合负极材料的研究包括材料制备和对电极结构的优化以缓冲体积变化,并重点关注了功能性黏结剂的应用和界面的改性。金属锂负极的研究集中于金属锂的表面修饰。固态电解质的研究主要包括对硫化物固态电解质、氧化物固态电解质、氯化物固态电解质、聚合物固态电解质和复合固态电解质的结构设计以及相关性能研究。其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配的研究,以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多关注层状氧化物正极材料在硫化物、氯化物固态电池中的应用。锂硫电池的研究重点是提高硫正极的活性,抑制“穿梭”效应。电池技术方面的研究还包括干法等电极制备技术。测试技术涵盖了锂沉积和正极中锂离子输运等方面。理论模拟工作侧重于固态电池中固态电解质及其与电极界面的稳定性研究。     

锂电池百篇论文点评(2021.2.1-2021.3.31)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter*"为关键词检索了 Web of Science从2021年2月1日至2021年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2566篇,选择其中100篇加以评论.本文对层状氧化物正极材料的研究集中在掺杂、包覆、前驱体及合成条件、循环中的结构变化,其中,高镍三元材料是讨论的重点.硅基负极材料方面关注体积膨胀及其带来的后续问题,相关研究内容包括对硅颗粒的包覆、复合硅基负极及其结构调控.金属锂、碳负极和氧化物负极等其他负极也有涉及,其中,对金属锂负极界面的研究和三维结构负极设计是重点.固态电解质的研究主要包括对硫化物固态电解质、氧化物固态电解质、聚合物-氧化物复合固体电解质的合成、掺杂以及相关性能研究.液态电解液方面主要为针对适应高电压三元层状氧化物正极和金属锂负极的电解液及添加剂研究,还有添加剂对正/负极界面层的调控作用和对石墨、硅负极的性能提升.对于固态电池,复合正极制备和设计、活性材料的表面修饰、锂金属/固态电解质界面等都是主要研究内容.其他电池技术偏重于基于催化、高离子/电子导电基体的复合锂硫正极构造以及"穿梭效应"的抑制.表征分析部分涵盖了金属锂沉积,石墨和硅负极的体积膨胀问题,正极的微结构、过渡金属元素溶解和产气以及固态电池中电解质分解、界面接触损失等问题.理论模拟工作涉及固态电池中界面接触损失、锂负极的沉积和剥离、电极界面稳定性.界面主要涉及固态和液态电池中SEI及其可视化表征.     

锂硫电池正极材料研究进展

锂硫电池作为一种非常有前途的高能化学电源,随着电动汽车和便携式电子设备的发展,因其高理论比容量(1675 m A·h/g)和高理论能量密度(2600 W·h/kg)引起了人们的广泛关注。然而,锂硫电池发展过程中的一些挑战不可避免,包括硫较低的离子和电子导电性,较差的循环性以及生成的多硫化物易溶于有机溶剂等缺点,制约了锂硫电池的发展。本文结合近年来锂硫电池正极材料的研究进展,简要阐述了锂硫电池正极材料的研究现状、问题及面临的挑战。锂硫电池由于其发展中面临技术瓶颈难以突破,导致现在还无法大规模的应用,因而对其性能的改进也就成了当今的研究热点。硫电极材料电导率低、循环性能差,可以通过碳包覆或者掺杂改善材料性能。然而由于成本和技术问题,大部分锂硫电池正极材料目前还主要处于研究试验阶段。因此,在提高材料性能的前提下,通过碳包覆或者掺杂改善工艺,探索一条适合工业化生产的道路是下一阶段研究的重点。     

用于钠离子电池的生物质衍生硬碳材料研究进展

钠离子电池(SIB)凭借其储量丰富、低成本的特点已经开始大规模应用,而硬碳材料凭借其理论容量高、循环倍率性能好、结构稳定等特点已经成为钠离子电池主要的负极材料。近年来,以不同生物质作为前驱体合成高性能硬碳材料是储能领域研究的一大热点。本文综述了近年来用于钠离子电池的生物质衍生硬碳材料的研究进展,对生物质碳材料的结构、合成方法进行了归纳,并且对于生物质碳材料的掺杂改性方法进行了总结,最后对生物质碳材料的前景进行了展望。     

B_(2)O_(3)包覆NaNi_(1/3)Fe_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)正极材料制备及其电化学性能北大核心CSCD

O3型层状氧化物正极材料NaNi_(1/3)Mn_(1/3)Fe_(1/3)O_(2)具有高比容量、低成本和环境友好性等优点,被认为是最有前途的钠离子电池正极材料之一,但在充放电过程中会发生一系列复杂的相变,导致电化学性能较差。本研究报道了一种协同改性方法,以同时提高NaNi_(1/3)Mn_(1/3)Fe_(1/3)O_(2)正极材料的循环稳定性和倍率性能。通过将硼酸粉末和正极材料固相球磨混匀后低温煅烧,在NaNi_(1/3)Mn_(1/3)Fe_(1/3)O_(2)正极材料表面包覆纳米非金属氧化物B_(2)O_(3)。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微技术(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电化学技术等测试手段,对比分析不同包覆量和原材料的形貌和电化学性能,筛选得到最优包覆量为2%(质量分数,余同)。该方法实现了B_(2)O_(3)的均匀包覆,并且没有改变NaNi_(1/3)Mn_(1/3)Fe_(1/3)O_(2)正极材料的晶体结构。通过电化学性能测试表明2%B_(2)O_(3)包覆材料在1 C倍率下循环200圈容量保持率从78%提升至87%。同时,2%B_(2)O_(3)包覆材料的高倍率性能也得到了改善,10 C高倍率下放电比容量从75 mAh/g提升至99 mAh/g。结果表明,这是一种有效且可靠的表面改性策略,可以增强钠离子电池层状氧化物正极材料的电化学性能。     

Progress in the modification of lithium-rich manganese-based layered cathode material

纯电动汽车以及混合动力汽车的快速发展使得研发高能量密度的锂离子电池正极材料迫在眉睫。层状富锂锰基正极材料比容量可达250 mA·h/g,平均放电电压高于3.5 V,电化学特征明显优于钴酸锂和磷酸铁锂等传统的正极材料,是实现300 W·h/kg动力锂离子电池极具潜力的正极材料。不过,此类材料循环性能不佳,并伴随严重的电压衰退现象,主要原因是随着循环的进行材料表面结构重组,晶体结构发生了由层状结构向尖晶石结构的不可逆转化,导致锂离子迁移阻力增大,进而严重影响其电化学性能。为解决这些问题,近年来研究人员开展了大量工作,本文主要从体相掺杂、表面包覆、材料微观结构设计以及晶面调控4个方面详细评述了锂离子电池富锂锰基正极材料改性技术的研究进展。     

Application of Calix[4]quinone in secondary batteries

随着社会对大型储能设备的环保、充放电性能以及可持续发展的要求越来越高,基于金属氧化物的传统锂/钠离子电极材料受限于比容量,已难以满足未来储能系统的要求。有机材料、锂-硫/氧、液态流体等电池的研发与应用已成为未来能源系统研究的重要内容。其中,有机正极材料中的羰基类化合物Calix[4]quinone（C4Q）是一种很有前途的正极材料。该分子的空间位阻小,8个羰基结构都能发生可逆电极反应,其理论比容量高达446 mA·h/g,远超传统无机电极材料。C4Q不仅可以作为储锂材料,也可作为钠、锌、镁等二次电池的电极材料。本文分别介绍了C4Q在锂、钠二次电池和锌水系电池中的应用成果,并对C4Q今后进一步的开发利用做了展望。     

钾离子电池聚阴离子正极材料的研究进展北大核心CSCD

钾离子电池(PIBs)由于钾金属资源丰富、成本低廉、环境友好及能量密度高等优点,已成为替代锂离子电池(LIBs)的理想新型储能体系。尽管近年来PIBs在负极领域的研究已经取得了显著进展,但正极材料的研究缓慢,其设计和应用面临可逆比容量低、循环稳定性差、能量密度不理想等问题。因此,发现和设计正极材料对构建用于实际应用的钾离子(K^(+))电池至关重要。由于聚阴离子材料在LIBs和钠离子电池(NIBs)中的成功应用,近年来,人们也将研究集中于PIBs的聚阴离子材料。聚阴离子材料具有氧化还原电位高、发生有利的感应效应、安全性高、热稳定性和结构稳定性良好等优点,可以实现较为稳定的容量存储,但是其可逆容量低、导电性差等问题仍需解决。本篇综述针对钾离子电池聚阴离子正极材料的研究进行了综述和讨论,以探究聚阴离子正极材料发展设计潜力和研究空间为目的,集中讨论了磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐类材料的机理和结构的发展现状,总结了当前聚阴离子类正极材料设计的主要理念,并对聚阴离子正极材料的改性研究提出了一些建议和前景。     

锂电池百篇论文点评(2014.10.1—2014.11.30)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science从2014年10月1日至2014年11月30日上线的锂电池研究论文,共有971篇,选择其中100篇加以评论。层状氧化物正极材料主要研究了NCA的热稳定性及表面包覆对材料循环寿命的影响,高电压的尖晶石结构Li Ni0.5M1.5O4材料主要研究了掺杂和表面包覆的作用。高容量的硅、锡基负极材料研究侧重于纳米材料、复合材料、黏结剂及电极制备和反应机理研究,电解液添加剂、固态电解质、锂空电池、锂硫电池的论文也有多篇。理论模拟工作包括SEI研究、材料中的锂扩散和材料与电池安全性关系的分析,除了这些以材料为主的研究之外,针对电池的原位分析、电池模型、电极制造技术的研究论文也有多篇。