异质结构碳材料的金属空气电池应用研究进展

金属空气电池在可穿戴电子产品和能源储存领域中具有巨大的应用潜力,然而稳定性差和能量效率低的问题限制其性能的进一步提高。电化学氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）对于金属空气电池的性能起着至关重要的作用。发展催化活性高、稳定性好的空气电极催化剂是未来的研究趋势。碳材料因具有导电性优异、结构多样等优势已被广泛用作金属空气电池的导电骨架支撑材料和电催化材料,成为研究的热点。对非金属原子掺杂碳材料、过渡金属及其衍生物掺杂碳材料以及单原子催化剂作为单功能或双功能催化剂的研究进行综述,着重介绍了其在金属空气电池中的应用,对空气电极催化剂存在的问题进行总结,并对未来的发展方向进行展望。     

碳基功能材料的制备及其在锂空气电池中的应用

碳材料的研究开发是电化学能源存储技术发展和应用的关键之一,新型碳材料具有原料丰富、成本低廉、比表面积大、导电性优异、化学性能稳定等优点,被广泛地应用于诸如环境修复、电化学及生物医学等领域,备受国内外专家、学者的关注.综述了碳基功能材料在锂空气电池中的发展历程,针对碳材料的两种典型代表石墨烯和生物质衍生碳的制备及改性研究进行了详细介绍.讨论了石墨烯的元素掺杂改性,并阐述了金属及金属氧化物负载对锂空气电池的性能提升;探讨生物质衍生碳具有N、P、S等元素的自掺杂效应及其结构的纳米化和优化制备工艺对催化性能的影响.分别对两种碳材料的优势进行了分析,对面临的挑战进行了总结.     

锂/空气电池非贵金属催化剂研究进展

锂/空气电池理论能量密度高、体积小、质量轻、价格低、无污染,是极具应用前景的二次电池。本文首先简要介绍了锂/空气电池的基本结构、原理和种类,随后重点讨论了近年来用于锂/空气电池的非贵金属催化剂的研究进展。这些催化剂主要包括过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、碳材料以及过渡金属大环化合物等。最后认为,材料化学、纳米技术等学科的发展以及催化机理的阐明对发展高性能的锂/空气电池非贵金属催化剂起至关重要的作用。     

杂原子掺杂碳基氧还原反应电催化剂研究进展

氧还原反应(ORR)是质子交换膜燃料电池和金属空气电池等清洁能源转化技术中的关键步骤,但其反应能垒高,动力学缓慢。目前,氧还原性能最佳的催化剂仍然是已经商业化的碳载铂(Pt/C)催化剂,但其价格高、资源储量低,难以大规模应用。因此,近年来许多研究者致力于探寻低成本高性能非铂ORR催化剂,以期降低催化剂成本,推进质子交换膜燃料电池和金属空气电池的商业化进程。杂原子掺杂碳材料属于一种新型的非贵金属ORR催化剂,具有优异的电化学性能且成本低廉,显示了广阔的应用前景。以杂原子的不同作用原理为线索综述最近几年杂原子掺杂碳基ORR催化剂的研究进展,着重论述杂原子对于碳材料电子结构的影响,并讨论了杂原子掺杂碳材料催化剂面临的问题以及发展趋势。     

杂原子掺杂碳基氧还原反应电催化剂研究进展

氧还原反应（ORR）是质子交换膜燃料电池和金属空气电池等清洁能源转化技术中的关键步骤，但其反应能垒高，动力学缓慢。目前，氧还原性能最佳的催化剂仍然是已经商业化的碳载铂（Pt/C）催化剂，但其价格高、资源储量低，难以大规模应用。因此，近年来许多研究者致力于探寻低成本高性能非铂ORR催化剂，以期降低催化剂成本，推进质子交换膜燃料电池和金属空气电池的商业化进程。杂原子掺杂碳材料属于一种新型的非贵金属ORR催化剂，具有优异的电化学性能且成本低廉，显示了广阔的应用前景。以杂原子的不同作用原理为线索综述最近几年杂原子掺杂碳基ORR催化剂的研究进展，着重论述杂原子对于碳材料电子结构的影响，并讨论了杂原子掺杂碳材料催化剂面临的问题以及发展趋势。     

锂硫电池硫基碳正极材料及其改性研究进展

综述了锂硫电池存在的问题和碳纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、多孔碳四种碳材料的性能以及其在锂硫电池正极中的应用,并探讨了碳材料原位掺杂非金属(C、N、O、B等)和复合各种金属化合物对材料的导电性和对多硫化物吸附性能的影响,以及对锂硫电池循环性能的影响。提出非金属掺杂多孔碳材料复合金属化物作为锂硫电池正极碳材料来降低多硫化物的穿梭效应以及反应过程中的体积膨胀,提高活性物质利用率,进而提高锂硫电池性能。     

锌空气电池双功能阴极催化剂研究进展

可充电锌空气电池(ZAB)被认为是具有前景的储能设备之一.阴极氧还原反应和氧析出反应(ORR和OER)动力学缓慢,限制ZAB的实际应用,开发出高活性催化ORR/OER双功能阴极电催化剂尤为重要.综述了非贵金属双功能阴极电催化剂,包括无金属碳材料催化剂、过渡金属催化剂和过渡金属-氮掺杂碳材料组合催化剂,讨论几种催化剂催化...     

锂硫电池硫基碳正极材料及其改性研究进展

综述了锂硫电池存在的问题和碳纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、多孔碳四种碳材料的性能以及其在锂硫电池正极中的应用,并探讨了碳材料原位掺杂非金属(C、N、O、B等)和复合各种金属化合物对材料的导电性和对多硫化物吸附性能的影响,以及对锂硫电池循环性能的影响。提出非金属掺杂多孔碳材料复合金属化物作为锂硫电池正极碳材料来降低多硫化物的穿梭效应以及反应过程中的体积膨胀,提高活性物质利用率,进而提高锂硫电池性能。     

可充锌空气电池非贵金属阴极催化剂研究进展

针对不同催化剂体系下可充锌空气电池的研究情况和发展问题进行了综述。可充锌空气电池的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)速度缓慢,限制了它们的大规模应用。目前对可充锌空气电池的研究主要集中在非贵金属阴极催化剂上,以杂原子掺杂碳材料、过渡金属氧化物以及过渡金属硫化物为代表。最后对非贵金属阴极催化剂研究提出了展望。     

非贵金属双功能催化剂在锌空气电池研究进展

基于氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的锌空气电池空气阴极动力学缓慢，制约了锌空气电池的进一步发展。贵金属催化剂具有高催化活性，但成本高、稳定性差等问题限制了其进一步应用。通过开发高活性、低成本非贵金属双功能催化剂能够有效解决上述问题。本文在介绍锌空气电池的结构和性质的基础上，系统介绍了不同种类的非贵金属催化剂在锌空气电池中的研究进展，如MOF衍生的双功能催化剂、非金属双功能催化剂、过渡金属双功能催化剂等，介绍了不同种类催化剂的优缺点，并对催化剂的催化活性中心和电化学性质进行阐述。最后，进一步指出对特定催化剂金属活性位点的增加和形貌结构的调控是该领域的研究重点，并提出了锌空气电池在表征方式、性能调控和优化电池中应采取的措施。     

锂-空气电池的高性能空气电极的性能研究

锂-空气电池是比能量最高的二次电池,已成为当今化学电源领域的研究热点。在锂-空气电池的各个组件中,空气电极的设计和制备是进一步提高锂-空气电池性能的关键。以简单的合成方法制备了一种具有高催化活性的镍酸镧（LaNiO₃）催化剂,利用Super P作为催化剂载体制备了一种新型空气电极。实验结果表明,含有LaNiO₃催化剂的锂-空气电池具有良好的充放电性能,放电电压平台为2.59 V,放电容量达到1 109 mAh·g^-1。比较了2种碳材料（Super P和GNS）作为催化剂载体的空气电极对电池充放电性能的影响,发现多孔性的空气电极结构更有利于电池性能的提高。此外,还分析了控制电解液（1 mol·L^-1 LiTFSI/TEGDME）中水含量的必要性。由Super P、LaNiO₃及水含量小于1×10^-5的电解液（1 mol·L^-1 LiTFSI/TEGDME）组装成的锂-空气电池具有良好的循环性能,循环第五圈的容量保持率为96.21%,且不出现电压平台的明显变化。     

金属有机框架材料在锂硫电池的应用前沿进展

锂硫电池是一种具有高理论比容量（1675mA·h/g）和能量密度（2600W·h/kg）的锂二次电池,被认为是最具前景的高储能二次电池体系之一。但硫的导电性差、多硫化物的穿梭效应等是阻碍锂硫电池实际应用的关键。本文聚焦于锂硫电池的发展趋势,概述了锂硫电池面临的挑战和金属有机框架（MOF）材料潜在的解决方案。同时,在突出MOF材料多孔结构、富活性位点和功能配体等优势特点之外,也辩证地分析了其存在的导电性差等问题。综述了一系列MOF材料的设计和制备,包括自支撑MOF材料、MOF碳复合材料、MOF（导电）高分子复合材料、MOF衍生碳材料、MOF衍生金属/碳复合材料,同时阐释了MOF材料对于锂负极侧枝晶的抑制作用,深入阐释其构效关系,希望对于相关领域的研究者有所启发,以促进新能源新材料领域的理论和技术进步。     

Carbon black cathodes for lithium oxygen batteries: Influence of porosity and heteroatom-doping

Carbon materials have been widely used as cathodes in lithium oxygen batteries but the detailed influence of the structure of these materials on their performance is not very clear yet. In this study, the same starting pristine commercial carbon black (N330) was treated under different atmospheres and the resultant carbons were employed as cathode materials for lithium oxygen batteries. It was demonstrated that the porosity and surface topology of these carbons tremendously changed as their treating time increased. The parameters that influenced the battery performance were identified. It was found that the main factor determining the battery performance is the specific surface area of the carbon mesopores, while nitrogen- or oxygen-bearing functionalities, introduced in these carbons during their heat-treatment or by contact with air after their pyrolysis, had little or no influence on the battery performance.     

主盐浓度对Au-Pt合金催化剂性能的影响

Au-Pt纳米微粒对氧气的还原与析出反应具有高效的催化活性,可以作为锂空气电池的正极催化材料。在碳纸上恒流电沉积Au-Pt合金,并研究了主盐浓度对Au-Pt合金的微观形貌、组成及性能的影响。结果表明:在氯金酸8mmol/L、氯铂酸12mmol/L、硫酸0.5mol/L、电流密度20mA/cm~2、时间25s的条件下,可获得粒径约为200nm的Au_(0.5)Pt_(0.5)纳米微粒,其在离子液体电解液中对氧气的催化活性较高。用该工艺条件下制备的空气电极所组装的锂空气电池的放电平台约为2V,在600mA/g条件下可定容循环13次。     

低共熔溶剂在电池和电催化中的应用

绿色且高效的电池和电催化反应是可持续发展的基本要求，其关键因素之一在于选择能提高效率的绿色电解质和合成高效电极材料的绿色溶剂。低共熔溶剂（DESs）是一种新型环境友好的电解质和溶剂。与传统的溶剂和电解质（如离子液体、水、超临界二氧化碳）相比，DESs具有合成简便、价格低廉、可设计等优点，在电池和电催化领域有着广阔的应用前景。这方面的研究还处于起步阶段，未见有综述系统介绍。本综述内容包括以下几个部分。（1）DESs作为电池和电催化反应的电解质，其中电池包括太阳能电池、锂离子电池、钠电池、锌电池、铝电池、液流电池、超级电容器，电催化反应包括析氧反应、析氢反应、氧还原反应、全解水反应、氮气电催化反应、二氧化碳电还原反应；（2）DESs作为制备电池和电催化反应电极材料的溶剂；（3）DESs作为回收电极材料的溶剂；（4）结论和展望。     

Li ion battery materials with core-shell nanostructures

Nanomaterials have some disadvantages in application as Li ion battery materials, such as low density, poor electronic conductivity and high risk of surface side reactions. In recent years, materials with core-shell nanostructures, which was initially a common concept in semiconductors, have been introduced to the field of Li ion batteries in order to overcome the disadvantages of nanomaterials, and increase their general performances in Li ion batteries. Many efforts have been made to exploit core-shell Li ion battery materials, including cathode materials, such as lithium transition metal oxides with varied core and shell compositions, and lithium transition metal phosphates with carbon shells; and anode materials, such as metals, alloys, Si and transition metal oxides with carbon shells. More recently, graphene has also been proposed as a shell material. All these core-shell nanostructured materials presented enhanced electrochemical capacity and cyclic stability. In this review, we summarize the preparation, electrochemical performances, and structural stability of core-shell nanostructured materials for lithium ion batteries, and we also discuss the problems and prospects of this kind of materials.     

电催化氧气析出非贵金属催化剂的研究进展

电催化氧气析出反应是金属-空气电池充电过程和电催化分解水阳极的关键反应,对提高能量储存和转换效率、高效利用可再生清洁能源、缓解能源危机和环境污染具有重要作用。文章首先简要介绍了电催化氧气析出反应基本过程,随后综述了近年来用于电催化氧气析出反应的非贵金属催化剂的研究进展,重点讨论了过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物以及碳材料等非贵金属催化剂的研发情况。对这些催化剂的合成、结构及氧气析出催化性能进行了详细分析,也对这些催化剂的发展方向进行了简单分析。文章最后认为,新合成技术、新催化材料的发展以及氧气析出催化反应机理的阐明对发展高性能电催化氧气析出非贵金属催化剂将会起到极大的推动作用。     

从商业化角度看锂-空气电池的发展

锂-空气电池的完全商业化,一直是该研究领域的目标。但实现该目标,必须考虑到各方面的问题,任何小的影响因素都应该尽量考虑在内。负极需要保护其不受水分、二氧化碳、电解液中反应中间物等物质的侵蚀,并抑制枝晶的产生。正极中高效的电极反应催化剂及能容纳放电产物的高比表面积结构是维持电池稳定循环的基本要求。合理的添加剂对电解液性能的提高也非常有必要。电池整体需考虑各种外部因素,如电池构造、尺寸放大等。目前有关锂?空气电池的研究已经取得了很多进展,但仍然缺少决定性突破。以商业化为最终目的,本综述从锂?氧气电池各组成部分切入,对近几年的研究进展进行总结,着重于电池体系整体的研究报道,对未来锂?空气电池的发展进行了展望。     

退役锂离子电池正极材料直接回收的研究现状和展望

随着全球各国大力发展新能源汽车产业,以锂离子电池（LIBs）为主的动力电池数量急剧增长。然而,LIBs的使用寿命有限,早期装机的LIBs在近几年已达到其退役要求。大量的退役电池亟需有效地回收处理,否则会对环境和人类造成危害,同时导致贵金属资源的流失。传统的电池回收技术以火法和湿法回收为主,能够实现对退役LIBs各种成分的精细化回收及再利用,但通常污染大、能耗高、回收周期长。因此,亟需开发绿色、节能、高效的LIBs回收技术。近年来,新兴的电池材料直接回收技术因工艺简单、碳排放少、能耗低、回收周期短等优势而备受关注。综述了目前主流的正极材料直接回收技术及其优缺点,分析了其在低成本、低能耗等方面的贡献,并对正极材料的功能化及LIBs闭环回收的最新进展做了介绍。最后,展望了退役LIBs正极材料及其他组分回收再利用的前景和发展趋势,旨在为电池回收领域研究提供参考。