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。     

纳米线电化学储能材料与器件

减少容量衰减、提高能量密度及倍率性能是当前电化学储能器件发展的国际性难题,研发新型高性能纳米储能材料及其器件是解决这一难题和发展高功率密度、高能量密度及高循环稳定性的下一代动力电池的有效途径之一。纳米线电极材料因具有独特的各向异性、快速的轴向电子传输和径向离子扩散等特性使其在纳米线储能器件的组装、原位表征等方面有着块体材料所不具有的独特优势。本文结合当前最新的研究进展和本课题组的研究工作,介绍了通过设计组装单根纳米线全固态电化学储能器件,结合原位表征技术,揭示了电化学储能器件容量衰减与电极材料电导率降低、结构劣化之间的内在规律。基于该规律,一方面从改善纳米线电极材料本征性能入手,提出并实现了纳米线化学预嵌入、拓扑取代、取向有序化等性能优化策略,显著提高了电极材料的电导率及其电化学储能器件的循环稳定性和倍率特性;另一方面从抑制纳米线电极结构劣化入手,设计构筑了纳米线分级结构和一维自缓冲纳米杂化结构,显著增加纳米线的比表面积和电化学活性位点,大幅提高了纳米线储能器件的能量密度、功率密度以及器件可靠性,为纳米线电化学储能器件的发展和应用奠定基础。     

柔性储能器件的电极设计研究进展

随着制造技术的飞速发展,便携式电子设备正朝着柔性化、轻质化、微型化及智能化方向发展,能够弯曲、折叠、扭曲、拉伸等协调变形的柔性电子设备应运而生。作为柔性电子设备的关键部件,储能器件的设计成为柔性电子实际应用必须攻克的难题。传统储能器件是刚性的,难以与柔性电子设备相适配,在变形时易造成电极材料与集流体分离,严重影响了电化学性能,甚至造成短路,产生重大的安全隐患。基于此,开发新型柔性储能器件,如柔性锂离子电池、柔性锂硫电池、柔性锂金属电池、柔性超级电容器等,已成为当今学术界和产业界研究的热点。近年来,基于本征柔性材料组装以及刚性材料柔性化设计两种方式获得的柔性储能器件取得了很大进展。金属纤维(如铝、铜)、聚合物纤维(如聚吡咯、聚苯胺)和碳基材料(如碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯及其复合材料)等因具有本征柔性的特征,在柔性储能器件中扮演着重要角色。其他诸如钴酸锂、钛酸锂等无机刚性材料的脆性较大,需通过合理的结构设计实现柔性。此外,柔性储能系统还需具备高容量、高效率、轻薄、安全等综合性能来满足实际的应用需求。本综述围绕本征和非本征柔性储能器件,探讨材料微观结构与器件宏观性能的构效关系,重点阐述各类柔性电极材料的制备方法、力学性能和电化学性能,并对未来柔性储能器件发展、电极材料设计面临的挑战提出了一些见解。     

聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器电极材料中的应用研究进展

超级电容器是一种介于电池和传统物理电容器之间的新型环保储能器件,近年来得到了研究者的广泛关注。电极材料是超级电容器的核心部分,因此具有更高的研究价值。聚丙烯腈基碳纳米纤维因具有良好的静电纺丝性、较高的碳化产率、优异的纳米结构、超高的比表面积以及优良的导电性和稳定性,已经成为超级电容器电极材料的研究热点。本文主要介绍了聚丙烯腈基交联结构和多孔结构碳纳米纤维电极材料,元素掺杂电极材料以及与碳材料、导电聚合物、金属氧化物复合的电极材料,并对聚丙烯腈基碳纳米纤维电极材料未来的研究方向进行了展望。     

序

<正>信息化、低碳和资源高效利用是当代社会的几大主题词,而电化学储能器件是构建信息社会、低碳社会的重要工具。过去二十余年中,锂离子电池的发展大大丰富了电化学储能器件的内涵和外延,使智能手机和电动汽车的发展成为可能;而近年来更高容量新型锂二次电池(如:锂硫、锂空电池等)的出现和发展则为未来信息高速公路、低碳社会的建设保驾护航。大容量、高效率、长寿命是电化学储能器件发展的终极目标。对于锂二次电池及其它电化学储能器件,碳基材料具有其优异电输运特性和高活性表面,既是重要的活性电极材料,又是     

超级电容器电极材料及电解液的研究进展

为应对环境污染造成的气候变化,中国提出碳达峰、碳中和目标。为实现这一目标,有必要使用新工艺、新设备来改善传统能源造成的温室气体排放。作为介于传统电容器和化学电源之间的一种新型储能器件,超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、温度范围宽和绿色安全等优点,已经广泛应用到电子设备、智慧电网和储能等领域,有效地起到了碳减排作用。电极材料和电解液是构成超级电容器的主要组成部分,也是影响超级电容器性能的关键因素。综述了超级电容器在电极材料及电解液方面的研究进展,并详细介绍了对它们的优缺点,展望了其未来发展趋势。     

三维结构应用于储能器件的研究进展

锂离子电池和超级电容器作为新型储能器件因具有能量密度高、充放电效率高、绿色环保等诸多优点，能够应用于能源、汽车、电子器件等领域，备受研究者的关注。三维结构能够增大电极材料的单位立足面积，有效提高电极材料的利用效率，显著改善储能器件的电化学性能。为了进一步提升储能器件的电化学性能和拓宽其应用领域，设计制备具有3D结构的电极材料显得非常必要。主要对利用三维结构电极材料制备锂离子电池和超级电容器进行综述，分析了不同三维结构制备储能器件的优点以及存在的问题，并对三维储能器件的发展方向进行了展望。     

可拉伸超级电容器碳基复合电极材料的研究进展

随着便携式和可穿戴电子产品的发展,人们对柔性储能设备的需求越来越迫切。常用的储能设备有锂离子电池、超级电容器等。与锂离子电池相比,超级电容器具有更快的充放电速度、更高的循环稳定性能和更大的比电容等优点。但传统的超级电容器在受到拉伸、压缩等外力作用时,存储功能难免下降甚至丧失。因此,可拉伸超级电容器引起了研究者们的关注。电极是可拉伸超级电容器的重要组成部分,人们通过制备性能优异的电极材料或设计能够抗压缩、拉伸、扭曲等高强度机械力的电极结构来提高电极的电化学性能和力学性能。碳纳米管、石墨烯、碳纤维和碳气凝胶等碳材料属于双电层电容器电极材料,它们虽然比表面积大、循环稳定性强,但仍存在低比电容、低能量密度等缺点。其中,石墨烯更是面临因堆叠团聚而导致的储能性能降低的问题。于是,人们在将碳材料与其他电极材料结合制备碳基可拉伸复合电极材料方面做了许多尝试。高比电容的赝电容电极材料、大比表面积的过渡金属硫化物或高导电性的金属纳米线,都已被发现能够与某些碳材料产生协同互补,形成的碳基复合电极在比电容、循环稳定性和力学性能方面相比单种碳电极材料有明显提高。本文在对比介绍用作可拉伸超级电容器的各种碳材料的优势与不足的基础上,综述了近年来广泛应用于可拉伸超级电容器的碳基复合电极材料的研究进展。     

纳米炭材料在储能产业中的应用进展与展望

能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大难题，如何实现能源的多样性、绿色和高效利用是更为迫切的问题。随着交通、信息等领域的高速发展，对高能量密度、高功率密度、长寿命、高安全性、廉价、环境友好的高性能储能器件提出了迫切需求。在选择储能器件时，最关键的是储能器件的能量密度和功率密度，而决定这些性能的根本因素是储能材料，因此，研究开发高性能、低成本的电极材料是储能器件研究开发工作的核心。作为综合性能最好的炭材料，在各种储能器件特别是锂离子电池、超级电容器等中都有着非常重要的应用。随着储能器件产业的壮大，作为活性物质和导电剂的炭材料已成为极为重要的材料之一。     

能源互联网背景下的新型碳材料在超级电容器储能技术中的应用与发展

超级电容器是一种介于传统静电容器和化学电池之间的新型储能元件,具有功率密度大、充放电速度快、使用寿命长、绿色环保等特点。而作为超级电容器重要的组成部分——电极材料,对超级电容器的电化学性能和市场应用起到重要的影响和制约。近年来,以碳气凝胶、碳纳米管、碳纤维和石墨烯等为代表的新型碳材料,成为超级电容器电极材料的研究热点,有望成为新一代电极材料。对近年来国内外关于新型碳材料的应用与发展进行了综述,并且展望了新型碳材料在超级电容器储能技术中亟需解决的问题和未来发展趋势,为构建能源互联网提供理论依据和技术支持。     

自修复聚合物在电化学储能领域的研究进展

自修复聚合物材料能够自行修复在加工和使用过程中产生的微观或者宏观损伤,从而解决材料内部微裂纹难以检测和修复的问题,保持其结构和功能的完整性。将自修复聚合物应用于电化学储能器件中,可有效提升器件的安全可靠性和使用寿命,成为近年来的研究热点之一。本文概括介绍了外援型和本征型自修复聚合物材料的修复机理,着重总结了不需要修复剂、且可实现多次可逆修复的本征型自修复聚合物应用于电化学储能领域的研究进展,以储能器件的电极、电解质以及界面为出发点,综述了自修复功能聚合物分别作为高比能电极黏结剂、界面修饰层、可自修复电解质的研究进展,阐述了自修复机理及其对储能器件电化学性能的影响规律,探讨了自修复聚合物材料在储能领域未来的发展方向。     

导电基质纳米复合电极材料的研究进展

在各种能源储存设备中,锂离子电池成为重要的首选储能器件,在便携电子设备、电动车、混合电动车及其它能源存储设备等方面都有广泛应用。如何提高锂离子电池用电极材料的锂离子储存性能,已经成为材料科学与工程领域的热点之一。利用导电基质构建纳米结构复合材料是提高锂离子储存性能的有效途径。简要介绍了碳基和金属基质纳米复合电极材料的研究进展,主要包括材料制备新方法、新工艺、锂离子电池改性及其发展趋势等内容。     

南航教授在高功率锂离子电池研究取得突破

最近,南京航空航天大学材料科学与技术学院张校刚教授领导的储能材料与器件课题组开发了一种制备碳包覆纳米电极材料的通用新技术。所制备的电极材料粒径小且粒度分布均匀,每个颗粒表面均匀包覆导电性的碳层,具有优异的电化学储锂性能。该研究结果为制备高电化学活性纳米电极材料提供了一种新的方法和思路。此外该方法具有普适性且制备工艺简单,具有很好的产业化应用前景。     

二维材料MXene的储能性能与应用

能量存储和转化器件是现代社会的重要基础。随着清洁能源、便携式电子设备及电动汽车的快速发展,人们对储能器件性能的要求越来越高。储能材料是决定储能器件性能的重要因素。通常,储能材料需满足具有可逆的氧化还原反应、易于电解液离子脱嵌、尽可能多地提供氧化还原位点、良好的导电能力等要求。近年来,二维材料因比表面积大、离子传输路径短等特点而得到广泛关注,在储能领域也具有巨大的发展潜力。只有原子量级厚度的二维材料,表面活性位点多,力学性能优良,正契合储能器件对电极材料的要求。MXene是一类新型二维材料,通式为Mn+1XnTx,其中M代表过渡族金属元素,X为碳和/或氮,T代表MXene在制备过程中产生的官能团(-F、-OH、-O等),n一般为1～4。自2011年首次报道以来,MXene在储能领域就被寄予厚望。MXene含有碳原子层,所以具有类似石墨烯的良好导电性;而过渡金属层使其表现出类似过渡金属氧化物的性能;同时,表面多样的官能团赋予MXene良好的亲水性。这种独特的性能组合,使得MXene电荷响应速度快,具有赝电容特征且循环性能稳定,成为储能领域的研究焦点。另外,便携式储能器件要求更高的体积容量与体积能量密度,而MXene与碳基电极材料相比堆积密度高,可有效降低器件体积,拓展应用范围。目前,MXene及其复合材料已经在超级电容器、锂/钠/镁离子二次电池、锂硫电池、锌-空气电池、储氢等诸多储能领域展现出实用价值。但是,MXene容易发生塌陷和堆垛,影响其作为电极材料的性能。因此,需将MXene进行插层、改性、掺杂或与其他材料复合,以阻止MXene堆叠,减小离子扩散阻力,并增加离子吸附位点,从而提高其电化学性能。而且,不同的能量存储和转化装置对MXene的合成方法和结构特征有不同的要求,鉴于MXene能源应用相关研究的大量呈现,有必要对其进行全面总结与分析,以期推动MXene在该领域的发展。本文旨在综述MXene在制备、结构、性能及其在储能方面的最新研究动态与发展方向,并讨论面临的挑战。     

锂离子电池负极材料研究及未来发展

锂离子电池作为备受关注的新一代储能器件,对其性能要求越来越高,其能量密度还远远不能够满足动力汽车的需求。因此寻找新型的、具有高能量密度的、高安全性的、价格便宜的电极材料来代替传统电极材料已经变得非常紧迫。其中新型碳材料、硅基材料、锡基材料及其氧化物是目前研究比较多的几种新型负极材料。     

新型纳米碳材料应用研究获系列进展

<正>碳材料以其优异的性能而成为材料领域的研究热点之一,国内外材料科学工作者围绕新型纳米碳材料的可控制备及其在超级电容器等化学储能器件中的应用开展了大量的研究工作。在中科院"百人计划"和国家自然科学基金项目支持下,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室阎兴斌研究员带领的研究团队自2009年以来     

超级电容器电极材料研究进展

超级电容器作为储能器件,与传统物理电容器相比较明显地提高了比容量和比能量,而与二次电池相比,虽然比能量低,但其比功率却有着数量级的增加.本文综述了用于制备超级电容器的三类电极材料碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料的研究进展.     

纳米碳材料负载过渡金属氧化物用作超级电容器电极材料

与传统能量存储设备相比,超级电容器因具备比电容高、充放电快、绿色环保并且循环稳定性能优异等优点,在移动通信、电动汽车、国防和航空航天领域具有广阔的应用前景,已成为世界范围内的研究焦点。其中,超级电容器的电极材料是其性能的决定因素,常见的超级电容器电极材料包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物等。不同的电极材料的电荷储存机理不同,过渡金属氧化物具有典型的赝电容行为,依赖可逆的氧化还原反应和化学吸附/脱附过程来储存电荷,理论比电容高。然而,过渡金属氧化物同时存在导电性能差,循环稳定性不佳的缺点。碳材料主要表现双电层电容特性,依靠材料表面和电解质离子间的可逆物理吸附/脱附过程储存电荷,具有优异的倍率性能,符合实际生产和应用中对于超级电容器器件高寿命的要求,但其自身比电容相对较低。与单一属性的材料相比,复合材料往往表现出更加优异的电化学性能,大量的研究表明,过渡金属氧化物与碳材料的复合是解决上述问题的有效途径。碳材料因具有来源丰富、价格低廉、质量轻盈、比表面积高以及热稳定性好与电化学性能稳定等优点,日益受到重视,是构建赝电容电容器电极的首选基底材料。碳材料结构多样,近年来,零维的碳量子点、碳球,一维的碳纳米管、碳纳米纤维,二维的石墨烯、氧化石墨烯,三维的石墨烯泡沫、碳泡沫/海绵等均被成功地用于构建碳基复合电极材料,并取得了丰硕的成果。零维碳纳米材料具有高比表面积,提供了调节多孔性的灵活度,可以获得适合各自电解质溶液的最优化条件。一维碳纳米结构一般具有高长宽比和良好的电子传输性能,可以促进超级电容器电极的电荷转移。二维碳纳米结构具有比表面积大与导电性高、力学性能优良等特点,具备潜在赝电容行为,并且能增强超级电容器电极间的充放电反应动力学。利用三维导电材料作为模板,沉淀赝电容材料,可以构建高性能超级电容器电极。本文概述了不同维度碳材料负载过渡金属氧化物作为赝电容的电极材料及其电容性能,并对电极材料储能方面存在的不足和未来的研究方向做出了总结和展望,以期为制备性能优良、环境友好和高寿命的超级电容器提供参考。     

超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是一种具有优异电化学性能的新型储能装置,文章介绍了超级电容器的储能机理和优点,论述了碳基材料、金属氧化物材料及导电聚合物材料的研究进展和作为超级电容器电极材料的要求,对未来的电极材料的研究方向作出了展望。     

生物模板法合成锂离子电池电极材料研究进展

锂离子电池是一类极具潜力的新型二次化学储能器件,被广泛应用于便携式电子设备、电动交通工具和智能电网等领域。高性能电极材料的设计和合成是获得高能量密度、长循环寿命、高安全性锂离子电池的关键。文章针对锂离子电池电极材料存在制备工艺复杂、结构难以控制、活性物质利用率低、循环稳定性和倍率性能差等问题,从生物资源高效利用角度出发,结合生物材料尺寸均匀、形态多变、结构精密、环境友好等优点,综述了生物模板法合成锂离子电池电极材料的研究进展,并对该领域的发展方向进行了展望。