大面积磷掺杂碳纳米片:高性能钠离子电池负极材料

正由于来源丰富、成本低廉、无毒且稳定性好,碳材料被认为是钠离子电池最具应用前景的负极材料之一,开发具有高容量、长寿命、低成本的碳材料对促进钠离子电池尽快商业化意义重大。由于钠离子半径较大,用作锂离子电池的传统石墨负极储钠活性差,其不能直接用作钠离子电池负极材料。但研究表明众多无定形碳材料展现出了良好的储钠性能。目前,钠离子电池无定形碳负极材料可逆容量一般在200~300m Ah·g~(-1),由于具有较大的比表面积,副反应较多,导致了     

锂离子电池正极材料LiFePO4的改性研究

新一代锂离子电池正极材料LiFePO4因其比容量大、价格低廉、结构稳定等优点受到广泛研究.基于密度泛函理论,采用平面波赝势方法计算了正极材料LiFePO4的电子结构,分析了其能带结构、电子态密度等相关性质;从理论上分别探讨了LiFePO4作为锂离子电池正极材料的充放电机理及其存在的问题,并对各种改进方法进行了综述.     

电活性有机材料在钠离子电池中的研究进展

由于钠资源储量丰富、成本低廉,钠离子电池近年来受到了国内外研究人员的广泛关注。但由于钠离子重量及其半径大于锂离子,这必然引起对电极材料不同的要求,从而限制了钠离子电池产生如锂离子电池一样的电化学性能。研究发展优异的电极材料应用于钠离子电池成为了关键。相对于目前报道的许多无机电极材料而言,有机电极材料具有储量丰富、结构多样、环境友好等特点,同时具有很高的理论能量密度,极具研究价值。综述了3类典型有机电极材料在钠离子电池中的应用,并对有机电极材料未来的发展进行了展望,将为钠离子电池电活性有机材料的研究提供十分有用的资料。     

钠离子电池正极材料普鲁士蓝掺镍的第一性原理

基于密度泛函理论的第一性原理计算,对普鲁士蓝类钠离子正极材料进行镍掺杂的研究,得到不同掺镍比例时晶体晶格常数的变化。研究发现,当掺镍比例为0.5时,所得结构在钠的脱嵌过程中材料的晶格变化非常小即零应变。这主要是因为在该掺杂比例时,材料的结构对称性最高,因此结构稳定性好。该工作为其他过渡金属的掺杂时选择掺杂的位置和比例提供指导作用。     

锂离子电池聚阴离子型硅酸盐正极材料的研究进展

综述了硅酸盐正极材料的设计、特性、制备及电化学性能,介绍了基于密度泛函理论的量子化学计算在锂离子电池材料设计中的方法和理论,认为进一步开展Li2MSiO4及其复合材料的理论和实验研究可以获得性能优异的高容量正极材料.     

钠离子电池正极材料P2-Nax[Mg0.33Mn0.67]O2的电化学活性研究

钠离子电池具有成本低廉、原料分布广泛等优点, 是锂离子电池正极材料的最佳替代材料。在具有层状结构的P2相NaMnO₂正极材料中, 对过渡金属层进行二元固溶可有效提升电极材料的电化学性能。本研究利用库仑模型构建了Mg离子固溶的Na_x[Mg_0.33Mn_0.67]O₂结构模型。通过第一性原理计算发现, 在钠离子含量小于0.67时, Na_x[Mg_0.33Mn_0.67]O₂的放电电压达到3.0 V。电子态密度和电荷布居分析共同表明, Mg的固溶激活了P2相Na_x[Mg_0.33Mn_0.67]O₂中晶格氧的电化学活性, 使体系的电化学反应机制从阴阳离子协同电化学反应转变为可逆阴离子电化学反应。这一机理为钠离子电池电极材料的设计提供了一种全新方法, 也为其它离子电池的优化和探索提供了全新的思路。     

钠离子电池负极材料锐钛矿型二氧化钛的研究进展

相较于锂离子电池，钠离子电池具有价格低廉、原料丰富、循环稳定性及倍率性能较好等优点，因此，随着低成本储能技术的需求日益增长，越来越多的研究者加入到钠离子电池基础研究和工程化探索的工作中。在钠离子电池体系中，负极材料在很大程度上影响着电池的能量密度、循环性能及安全性等。另外，在种类繁多的负极材料中，锐钛矿型二氧化钛(TiO₂)因自放电低、安全性高、循环寿命长、环境友好以及钠离子脱嵌电位相对较高等优点，逐渐成为钠离子电池负极材料的研究热点。然而，TiO₂属于半导体，离子扩散速率小和电子电导率低，严重制约着其倍率性能和循环性能，限制了其发展空间。因此，需对锐钛矿型TiO₂进行改性以提升其电导率。本文系统综述了微观结构调控、缺陷(氧空位和杂原子掺杂)以及与导电基体复合等改性方法对锐钛矿型TiO₂基负极材料导电性和储钠性能的影响，并对锐钛矿型TiO₂作为钠离子电池负极材料在未来的研究与应用进行了展望。     

钠离子电池金属硫化物负极材料的研究进展

由于全球有限的锂资源无法满足巨大的能源市场需求,而钠元素与锂元素处于同一主族,其性质相似,且钠具有资源丰富以及成本低等优势,使得钠离子电池有望成为极具发展前景的储能装置.但是,钠离子电池存在以下劣势:(1)钠元素的相对分子质量大于锂元素,致使其理论能量密度低于锂离子电池;(2)钠离子半径大于锂,充放电过程中钠离子脱嵌困难.因此,电极材料的合理设计与高效合成是提升钠离子电池性能和降低成本的关键.目前,钠离子电池的研究进展较快并取得了一定的成果,研究热点主要集中在钠离子嵌入机理、电池能量密度提升、循环性能改善等方面.金属硫化物种类丰富,具有相对较高的理论比容量和能量密度,适合用作储能钠离子电池负极材料.但金属硫化物自身存在导电性差、体积膨胀剧烈、首次库伦效率低、钠离子扩散缓慢等缺点,同时电池的性能又取决于电极材料的形貌、结构和颗粒尺寸等.因此,需对材料进行一系列结构调控以及相应机理研究来提高其电化学性能.本文主要从纳米形貌调控和材料复合两个方面对金属硫化物最新的研究进展进行综合概述,并对钠离子电池金属硫化物负极材料的未来发展方向进行了评述及展望.     

锂离子电池负极材料的分子设计与新材料研究进展

对锂电池复杂材料体系进行量子力学的从头计算一直是材料和物理科学研究的重要方向。主要总结了近年来采用密度泛函理论和第一性原理平面波赝势法对锂电负极材料进行分子设计方面的研究,同时也介绍了本课题组在金属合金类负极材料方面的理论计算研究。最后从应用的角度全面综述了常规锂离子电池负极材料的研究现状和发展,包括碳类材料(天然石墨、人造石墨、中间相炭微球)、金属基合金材料(硅基、锡基等)和钛酸锂负极材料等。     

钛酸锂用于钠离子电池负极的研究进展

相比于锂离子电池,钠离子电池具有资源丰富、分布广泛和成本低廉等优点,在大规模储能领域有广阔的应用前景,近几年获得了学术界广泛的关注。在钠离子电池体系中,负极材料对整个电池的能量密度和循环性能有着重要的影响。而在众多的负极材料中,尖晶石型钛酸锂凭借其优异的循环性能以及相对较高的钠离子脱嵌电位,被认为是一种极具应用潜力的钠离子电池负极材料。然而,由于钛酸锂中钛的最外层轨道缺少电子,导致钛酸锂的导电性不佳。同时,由于钠离子半径较大,在脱嵌过程中离子扩散阻力大,易引起钛酸锂晶格畸变,严重制约着钛酸锂的倍率性能和循环性能。针对上述问题,近年来研究者们基于深入的储钠机制研究,通过结构设计和界面优化,显著提升了钛酸锂在钠离子电池中的电化学性能。目前,文献报道的改善钛酸锂储钠性能的策略主要有:引入电导率较高的包覆层和离子掺杂来提高材料电子导电率,缓解嵌钠过程中的晶格畸变;通过结构调控设计纳米尺寸的钛酸锂材料以缩短离子扩散距离和增大其与电解液的接触面积。本文综述了近年来钛酸锂负极材料在钠离子电池中的研究现状,着重对钛酸锂的结构与性能、合成方法和改性研究等方面进行了深入的阐述,并对下一阶段钛酸锂作为钠离子电池负极的研究与应用进行了展望。     

钠离子存储器件中界面效应作用机制研究

可充电钠离子电池被视为下一代高效能二次电池的最佳候选之一。电池充放电过程中电极表面及电极与电解质界面行为均对其性能有较大依赖性。因此,分析界面效应的特性对打造高能量密度、长期稳定的大型储能系统至关重要。虽然电极材料的特性研究已相当深入,但对钠离子电池界面效应的稳定性和高效性的研究仍显不足。现有研究成果尚未能为系统性结论提供充分的理论依据。本文回顾了钠离子储存设备中界面效应机制的研究现状,涵盖了电极材料内部的异质界面和固态电解质界面,从理论上分析了层间插入、转化反应和合金化过程中的界面效应,以及这些效应如何影响电池的整体性能。本文旨在为优化电极材料内部的异质界面及固态电解质结构提供理论基础,以提高钠离子电池的性能。同时,本文总结了几种现有的界面效应机制,并综述了目前界面效应研究面临的挑战与机遇,对其在该领域的未来发展进行了展望。     

普鲁士蓝及普鲁士蓝类化合物材料在钠离子电池中的研究进展

近年来,普鲁士蓝(PB)及普鲁士蓝类化合物(PBAs)用于钠离子电池电极材料方面的研究逐渐深入.作为金属有机框架(MOFs)材料,PB及PBAs是具有可调控的化学组成和物理性质的简单配位聚合物.PB及PBAs可直接作为高性能钠离子电池正极材料,也可以通过与其他材料复合用于钠离子电池正极;此外,利用PB及PBAs作为前驱体制备各类具有纳米结构的金属化合物(如金属氧化物、金属硫化物、金属硒化物和金属磷化物等)及金属化合物复合材料,并用于钠离子电池负极.本文简要介绍了PB、PBAs和以它们为前驱体制备的金属化合物及复合材料在钠离子存储方面的应用研究进展.     

三维双金属硫化物Co9S8/MoS2/C异质结用于增强钠离子存储(英文)

钠离子电池(SIBs)的阳极材料一直备受研究关注，但缓慢的动力学行为和较大的体积变化限制了其在实际应用中的推广。为了克服这些问题，本研究利用金属有机框架和MoS2的优异性能，设计并制备了具有稳定骨架结构的复合材料。以Co-ZIF为前驱体，添加Mo源材料，在高温硫化烧结的过程中，构建了花状的Co9S8/MoS2/C复合材料，探究其在不同温度条件下的结构和电化学性能。此外，通过密度泛函理论(DFT)分析了Co9S8(001)/MoS2异质结对扩散动力学的影响。结果表明，电子结构在异质结构的界面处发生了重塑，Co9S8/MoS2表现出典型的金属性和显著增强的电子导电性。在所有样品中，700°C合成的阳极材料Co9S8/MoS2/C具有更稳定的结构和优异的电化学性能。当电流密度从4 000恢复到40 mA g-¹时，Co9S8/MoS2/C-700的放电容量可以从368 mAh g-1完全恢复到571 mAh g-1，并稳定在543 mAh g-1。综上所述，本研究提供了一些关于异质结材料合理制备的思路，有助于设计高性能的金属钠离子电池负极复合材料。     

烟煤衍生炭材料的炭化机制及其在锂/钠离子电池中的应用（英文）

近年来，人们对利用低温炭化工艺制备煤基无定形炭材料作为锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs)的负极材料产生了兴趣。然而，煤衍生炭材料的炭化机制仍然不太清楚。因此，本文选取烟煤为原料，探究了煤炭到无定形炭材料的化学、微晶和孔隙结构演变过程。随着温度的升高(低于1 000℃)，材料结构发生局部变化，碳层的迁移和小分子物质的释放导致了层间距(3.69-3.82?)和缺陷密度(1.26-1.90)逐渐增大，并且产生了丰富的纳米微孔结构。当温度升至1000～1600°C时，层间距和缺陷密度开始逐渐减小。在LIBs中，经1 000°C炭化制备的样品表现出最佳的电化学性能。在0.1C倍率测试下可逆容量达到384 mAh g^–1，在5 C倍率下仍能保持170 mAh g^–1，表现出优异的倍率性能。在SIBs中，经1 200°C炭化制备的样品在0.1 C倍率测试下具有270.1 mAh g^–1的可逆容量和高达86.8%的首次库伦效率。本研究为煤基炭材料的精细化制备提供了理论支撑。     

SnSe2纳米晶耦合分层多孔碳微球作为长寿命钠离子电池负极材料（英文）

硒化锡用于钠离子电池负极时具有较高的理论比容量且其成本低廉,因而备受关注.然而,由于其固有的低导电性,以及在充放电过程中的缓慢动力学和体积膨胀,硒化锡作为钠离子电池负极材料表现出的性能较差.本文首次合成SnSe2纳米晶耦合分层多孔碳微球(SnSe2NCs/C)用于增强钠离子电池的比容量、倍率能力和持久性.SnSe2NCs/C独特的结构可以有效阻止SnSe2纳米晶的团聚,减轻材料体积膨胀,加快电子和离子的扩散,增大电解液与电极材料的接触面积,提高材料结构的稳定性.所制备的SnSe2NCs/C微球具有较高的可逆比容量(在100 mA g^-1的电流密度下循环100圈后仍保持565 mA hg^-1的比容量),出色的倍率能力和长循环寿命稳定性(在1 Ag^-1的电流密度下循环1000圈后仍保持363 mAhg^-1的比容量).     

柔性钠离子电池研究进展

随着柔性电子产品需求的日益增长,柔性电池得到越来越多的研究和关注。目前,柔性锂离子电池由于高功率密度和高能量密度的特点,在柔性屏、可穿戴设备应用上取得了实质性的进展。然而,锂矿资源储量有限、分布不均的问题限制了电池的可持续发展。在寻求新型电池的道路上,钠离子电池引起了人们的关注。钠在地球中的存储量比锂更多,价格更低,这使得钠离子电池有望满足未来的市场需求。柔性钠离子电池的关键材料包括电极活性材料、电极集流体、电解质和隔膜。电极不仅需要高容量和优异的电导率,还要具有良好的机械柔韧性,保证柔性电池在各种形变(弯曲、拉伸、折叠等)下正常工作。柔性电解质和隔膜在保证电池安全的同时,还要保持与正负极之间具有稳定的界面结合。但这些关键材料不成熟、不完善的问题阻碍了柔性钠离子电池的发展。此外,普通袋式的柔性电池无法满足未来电子设备小型化和可穿戴的要求。创新实用的结构设计和适合大规模生产的制备技术也亟待发展。本文介绍了柔性钠离子电池电极材料(正负极活性材料和导电基底材料)、电解质、电池结构和制备工艺等方面的研究进展,对柔性电池现存的问题(比如成本高、安全性差、制备工艺复杂等)进行了分析探讨,最后展望了柔性钠离子电池未来的发展方向。     

柔性储能电池电极的设计、制备与应用EI北大核心CSCD

随着便携式、可穿戴电子器件的迅速发展,柔性储能器件的研究逐渐转向微型化、轻柔化和智能化等方向。同时人们对器件的能量密度、功率密度和力学性能有了更高的要求。电极材料作为柔性储能器件的核心部分,是决定器件性能的关键。柔性储能电子器件的发展,又迫切需要新型电池技术和快速、低成本且可精准控制其微结构的制备方法。因此,柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池等新型储能器件的研发成为目前学术界研究的热点。本文论述了近年来柔性储能电池电极的研究现状,着重对柔性电极材料的设计(独立柔性电极和柔性基底电极)、不同维度柔性电极材料的制备工艺(一维材料、二维材料和三维材料)和柔性储能电极的应用(柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池)进行对比分析,并对电极材料的结构特性和电化学性能进行了讨论。最后,指出了柔性储能器件目前所面临的问题,并针对此类问题展望了柔性储能器件未来的重点在于新型固态电解质的研发、器件结构的合理设计及封装技术的不断优化。     

二维石墨氮化碳材料中锂和钠存储的第一性原理研究（英文）

由于氮原子和均匀孔隙的存在,二维石墨氮化碳被认为可用于电池电极材料。作为一种新型的多孔结构,g-C_2N材料在电池电极材料方面应用的研究甚少。本文通过第一性原理计算研究了单层g-C_2N上锂和钠的吸附和存储情况。基于单层g-C_2N的锂离子电池的容量可以达到596 mAh/g(LiC_2N),而相应的钠离子容量只能达到276 mAh/g (NaC_4N_2)。平均锂结合能相对于孤立的锂原子高达2. 39 e V,这表明g-C_2N上获得的锂电池容量在循环过程中可能不会持续。通过改变C和N原子之间的比例,在C∶N为5∶1的情况下,平均锂结合能可以降低到1. 69 e V,这说明在保持可逆电池容量的同时,循环性能显著改善。所有这些理论计算表明,具有均匀孔隙的石墨碳氮化物可能是一种具有高容量和锂迁移率的电极材料。     

第一原理计算Al_2Mg中间相的电子结构

对镁合金材料研发应用现状与发展趋势进行了论述,展望了镁合金研发应用的未来发展趋势。采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,通过选用广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)分别计算了Al2Mg晶体的几何与电子结构,分析了其电子态密度以及电荷密度分布,研究了Al2Mg晶体的电子结构和成键特性。     

水溶液钠离子电池及其关键材料的研究进展

钠离子电池具有资源与成本等方面明显的优势, 正成为新一代储能技术的发展热点。对于大规模、固定式储能场合, 水溶液钠离子电池更为安全可靠、价格低廉、环境友好, 理论上具有广泛的应用前景。然而, 水溶液钠离子电池在材料选择和应用方面所面临的问题也非常复杂。针对这些问题, 本文简要分析了水系储钠材料与电极反应的特殊性, 介绍了水系钠离子电池的研究进展, 同时结合本课题组的研究工作讨论了相关的技术发展方向。