纳米线材料及其在电化学储能方面的应用

从材料本征性能和结构的控制入手来提高其容量发挥、循环性能、倍率性能至今仍是亟待解决的一大难题,而纳米线材料因其具有独特的各向异性、大的比表面积、优异的张力适应性、快速的轴向电子传输和径向离子扩散等特性使其在锂离子电池、锂空气电池以及超级电容器储能器件的组装、原位表征等方面相较于其它简单结构纳米材料有着独特优势。结合当前纳米线材料的最新研究进展,主要讨论了单根纳米线电化学储能器件及纳米线材料的优化策略,包括新型纳米线材料的设计构筑、合成以及电化学性能表征。概括了纳米线材料的形貌控制、性能改善以及应用的前景,为其在电化学储能方面的应用奠定基础。     

原位聚合制备PANI/GO复合材料及其电化学性能研究

利用原位化学氧化聚合的方法制备了聚苯胺/氧化石墨烯(PANI/GO)复合材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及红外光谱(IR)等方法对其结构和形貌进行了表征。利用自制的PANI/GO复合材料作为电极材料分别组装了超级电容器及锂离子电池,并对其电化学性能进行了测试。结果表明,GO在不同的电化学器件中均能够明显改善PANI的电化学性能。以PANI/GO作为超级电容器电极材料,放电时其比电容达413.28F/g,高于纯PANI的322.56F/g,1 000次循环后,容量保持率为70%。以PANI/GO作为锂离子电池正极材料,0.1C下首次放电比容量达104.4mAh/g,50次循环后,容量未见衰减。     

静电纺丝法制备氧化锰纳米丝电极及其电化学性能

利用静电纺丝技术成功制备了φ60～80nm的氧化锰纳米纤维丝,并构建了三维纳米丝网状结构电极,应用于锂离子二次电池. 使用扫描电子显微镜、X射线衍射、循环伏安和电池充放电等研究手段,表征了纳米纤维丝的结构和电化学性能. 研究结果发现:氧化锰构建的纳米丝在嵌锂和脱锂的过程中没有出现纳米纤维丝的结构塌陷问题,在高能量密度下表现出较大的可逆循环容量,放电容量达到160mAh/g. 经过50次循环后, 容量可达132.5mAh/g, 平均每次循环的容量衰减在1%以下. 这些结果表明了氧化锰纳米纤维丝可作为三维锂离子电池中的阴极材料.     

三维结构磷酸铁锂纳米线阵列的制备及其电化学性能

采用阳极氧化铝模板(AAO),通过溶胶-凝胶法制备出磷酸铁锂(LiFePO_4)纳米线阵列。场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)表征均说明制得的LiFePO_4阵列是分散均匀且相互平行的。X射线衍射(XRD)和能谱图(EDS)表征均说明LiFePO_4纳米线是纯相橄榄石型结构。电化学性能测试表明纳米线阵列具有较好的循环稳定性,1C电流密度下循环100次后容量几乎不衰减,容量保持率为99.1%,10C电流密度下循环350次后容量保持率为91.6%。纳米线阵列的倍率性能较同等条件下制备的纳米粉体有较大提升,0.1C、10C电流密度下容量可分别达156.4mAh/g、106.9mAh/g。     

基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

钠离子电池无粘结剂二氧化钛负极材料的合成

作为电池的重要组成部分,电极材料直接影响电池的能量密度。电极材料在制作过程中往往会添加粘结剂以稳定极片结构,但粘结剂的加入会降低电极材料的比容量,影响其离子迁移速率。通过在经水热反应刻蚀的钛箔/网上原位生长二氧化钛(TiO 2)得到无粘结剂TiO 2/Ti纳米线阵列电极,并系统地研究不同钛基底及水热反应温度对TiO 2/Ti纳米线阵列电极物理性能和电化学性能的影响。结果表明,不同钛基底及水热反应温度均对生长的TiO 2纳米线的形貌和电化学性能有重要影响。其中通过220℃水热反应生长在钛网(0.15 mm)上的TiO 2纳米线呈蛛网状,具有较大的比表面积,属于锐钛矿型TiO 2,储钠过程主要由赝电容效应控制,且具有优秀的电化学性能:首周放电比容量为986 mAh g^-1,库伦效率为21.7%;随后放电比容量逐渐稳定在240 mAh g^-1左右;循环200周后放电比容量仍能达到228 mAh g^-1,库伦效率稳定在99.3%左右;即使在3200 mA g^-1的超大电流密度下,放电比容量仍能达到152 mAh g^-1。无粘结剂电极材料极大可以有限地提升电极材料的比容量,对未来高能量密度电池体系的设计具有一定的理论意义和参考价值。     

基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

泡沫镍上生长的具有三明治纳米结构的MnCo2O4@NiCoMnS4用于高性能水系非对称超级电容器(英文)

本文介绍了一种由水热生长的MnCo₂O₄ (MCO)纳米线以及随后电沉积的NiCoMnS4(NCMS)纳米片组成的高性能超级电容器电极材料,即泡沫镍上生长的MCO@NCMS.由于其多孔和互联的纳米结构以及MCO和NCMS的协同效应,在1 mA cm^-2处实现了12,020.8 mF cm^-2的高电容,并展现出良好的倍率性能以及循环稳定性.电化学测试表明,组装成的水性非对称超级电容器在0.800 mW cm^-2的功率密度下,达到0.611 mW h cm^-2的高能量密度并具有良好的循环稳定性,即在15,000次充放电循环后,容量保持率可达90%,且保持100%的库仑效率.     

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。     

rGO/NiCo复合材料制备及电化学性能研究

超级电容器因其能量密度大、功率密度高等优异性能而被认为是理想的储能器件，能在一定程度上有效解决能源问题。电极材料决定性影响着超级电容器的性能，而具有高理论比电容的过渡金属是人们的研究热点。镍钴双金属氧化物储能效力高，但是内阻大，导致倍率性能差。基于此，本工作利用简单的水热法成功合成rGO@Ni_xCo_y纳米复合材料，通过不断调控镍钴元素的相对比例来调整物质的形貌结构，找到其最佳比例。在所有纳米复合材料中，rGO/NiCo纳米复合材料在0.5 A/g下表现出600 F/g的优异比电容值，其组装的rGO/NiCo∥rGO柔性器件在1 A/g下的比电容为418.2 F/g，能量密度为98 Wh/kg，功率密度为1 300 W/kg，且在8 000次充放电循环后仍保持93%的比电容，同时固态柔性器件可以有效地在广泛的电压窗口中操作，优异的电化学性能预示了其在柔性超级电容器器件中的应用前景。     

Co类普鲁士蓝/多壁碳纳米管纳米复合材料的制备及其超电容性能

Co类普鲁士蓝（CoPBA）作为令人瞩目的超级电容器阳极材料拥有高比容量和优异的循环稳定性,但较差的电子导电性限制了其倍率性能。利用ZIF-67作为前驱体合成了Co类普鲁士蓝/多壁碳纳米管（CoPBA/MWCNT）复合材料,并使用XRD、SEM和TEM对材料的结构和形貌进行表征。在三电极体系中,测得CoPBA/MWCNT电极在电流密度为1 A·g^-1时电容提高到312 F·g^-1。制备的CoPBA/MWCNT电极有利于提高材料电导率和机械稳定性,从而获得更高的电化学性能。将CoPBA/MWCNT正极和活性炭（AC）负极组装为非对称电池,测得5 000圈循环后容量保留率为83.1%,循环稳定性优异。     

精细化砂磨制备纳米Li_4Ti_5O_(12)电极材料及其电化学性能研究

在固相法合成纳米Li4Ti5O12电极材料的过程中采用精细化砂磨技术,研究发现砂磨处理时间是影响纳米Li4Ti5O12微观结构和电化学性能的关键因素,XRD表明砂磨处理后Li4Ti5O12仍为尖晶石结构,粒度分布和SEM照片显示经过精细化砂磨处理后,Li4Ti5O12颗粒平均粒径由500 nm减小为370 nm,粒径分布也更加均匀;电化学性能评价结果显示,砂磨处理可使Li4Ti5O12电极材料倍率比容量增大约10~20 mAh/g,高倍率下增幅较低倍率更大,100次循环容量基本无衰减,稳定性很好。     

纳米结构的氧化钒作锂离子电池阴极材料的研究进展

V2O5具有独特的层状结构,适合于锂离子的存储,与传统的锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等阴极材料相比,表现出高的理论比容量和功率密度,作为锂离子电池阴极材料备受青睐。但它自身的结构不稳定、电导率低,导致实际比容量远低于理论值,且循环稳定性不能长期维持。正是由于这些制约因素,V2O5作锂离子电池阴极材料还有很大的研究价值。而利用各种制备方法将V2O5制备成具有各种纳米结构的材料,如一维的纳米线、纳米管等,二维的纳米片,三维的纳米空心球、纳米花等,改善材料固有的形貌结构,增大比表面积,增强锂离子在电极材料中的嵌入/脱出性能,提高储锂能力和比容量,同时通过掺杂改性等方法增强材料的导电性和循环稳定性,使V2O5作为锂离子电池阴极材料表现出优异的电化学性能成为可能。介绍了V2O5的晶体结构及其作为电极材料的纳米结构,以及不同的纳米结构对电极材料电化学性能的影响。     

中空硅纳米球锂离子电池负极材料的制备及电化学性能

采用直流电弧等离子体蒸发法原位合成了Si-Al纳米颗粒(Si-AlNPs),获得了由晶体Si包覆单晶金属Al核的纳米胶囊结构。通过化学酸洗处理去除Al核制备出中空结构的Si纳米球(Si HNSs),并将其作为锂离子电池的负极材料,研究了电极的循环和倍率电化学性能。与Si-AlNPs电极相比,Si HNSs电极的循环稳定性及倍率性能都显著提高,这源于中空结构的Si纳米球为嵌/脱锂过程中的体积变化提供了有效缓冲空间,同时也为锂离子迁移提供了更多通道。     

磷酸铁锂/石墨烯复合材料的合成及电化学性能

采用研磨、超声分散与搅拌干燥的工艺方法制备磷酸铁锂/石墨烯复合材料。利用TEM,SEM,XRD和Raman对材料组织结构进行表征,并组装成扣式电池进行电化学性能测试。SEM图像表明,在该工艺所制备的磷酸铁锂/石墨烯复合材料中,石墨烯贴附在磷酸铁锂颗粒表面,并且均匀地分散在复合材料中形成良好的导电网络。电化学测试结果显示,添加2%(质量分数)石墨烯后,磷酸铁锂的倍率性能和循环性能都得到明显提高。具体表现为:倍率性能方面,在5C充放电条件下,放电比容量提高到94.2mAh·g~(-1),是添加前的2.53倍;循环性能方面,100次循环(1C充放电)后容量衰减由添加前的43.5%下降到添加后的9.6%。这种简便的工艺能够实现石墨烯在电极材料中的均匀分散,充分发挥石墨烯优异的导电性,进而提升磷酸铁锂正极材料电化学性能。     

基于POSS-SH模板硅酸钴复合材料的制备、结构及电化学性能研究

在众多能量存储和转化器件中,超级电容器由于具有功率密度高、充放电迅速和优异的循环性能的优点而被广泛研究。然而,较低的比容量和能量密度,限制了超级电容作为大尺度能量存储和转化器件的广泛应用。为了提高超级电容器的比容量,需要增大电极材料和电解质的接触面积,进而促进电极材料获取/释放电解质中的离子。此外,增加电极材料电化学性能的另一种有效途径为引入S、N等非金属原子掺杂。该种方法可以改善材料的电子特性从而改善电化学性能。在此,采用具有致孔剂和S掺杂功能的巯基-POSS作为模板,通过简单的溶剂热法联合高温煅烧实验方案,实现了均匀介孔的S掺杂Co_2SiO_4纳米结构材料(S-Co_2SiO_4),S-Co_2SiO_4的比表面积高达143.58 m~2/g。比容量在电流密度为1 A/g时比电容达到1 125.3 F/g,且有着较好的倍率性能,在电流密度从1 A/g增大到9 A/g时,初始电容保留值达73.9%。     

锂硫电池正极用钴掺杂空心多孔碳载体材料（英文）

锂硫电池被认为是新一代低成本、高能量密度的储能系统。但由于硫正极导电性差、穿梭效应严重以及氧化还原反应速率慢,导致电池容量衰减严重,倍率性能较差。本研究以柠檬酸钠为碳源制备了具有三维中空结构的多孔碳材料,并在其骨架上负载钴纳米颗粒后作为硫正极的载体。引入的钴纳米颗粒可有效吸附多硫化物,提升其转化反应的动力学,进而明显改善电池的循环和倍率性能。所得的钴掺杂复合硫正极在0.5C (1C=1672 mAh·g~(–1))的倍率下首圈放电比容量高达1280 mAh·g~(–1),在1C的倍率下稳定循环200圈后可保持770 mAh·g~(–1),并且具有优异的倍率性能,即使在10C的大电流密度下仍可稳定循环。     

Si基锂离子电池负极材料的纳米化和合金化

Si作为一种新型锂离子电池负极材料,具有理论比容量高、来源丰富、成本低廉、安全性能好等优点,近年来备受关注。但其在充放电过程中会产生巨大的体积变化而使得材料粉化严重,导致循环过程中容量迅速衰退,难以满足实用化的需求。纳米化和合金化是改善Si负极材料的有效途径,纳米化能够有效缓解材料嵌脱锂过程中体积变化造成的机械应力、缩短锂离子的迁移距离,从而明显改善Si基材料的电化学循环稳定性能;合金化可以减小材料在脱嵌锂过程的体积变化率、提高材料的电导率,也可以延长Si基材料的循环寿命。此外,Si合金的振实密度高、制备工艺简单,有利于规模化应用。在简要综述最近5年在Si基锂离子电池负极材料的纳米化和合金化方面的研究进展的同时,重点关注了不同纳米结构和合金化方法对其电化学储锂容量、倍率性能和循环稳定性能的影响。     

三维网络结构氧化铜纳米线锂离子电池负极材料的制备和性能研究

通过阳极氧化法和后退火处理在铜箔上合成了三维网络结构氧化铜纳米线,将其作为负极材料制备了无需添加粘结剂的锂离子电池。研究了恒压氧化时间对材料形貌和电化学性能的影响。在1C的倍率下,氧化1000 s制备的CuO纳米线表现出最高的1172 mAh/g首圈放电比容量和594 mAh/g的可逆比容量,500圈循环可逆比容量为607.6 mAh/g,可逆容量保留率为102.3%。交联的三维网络结构CuO纳米线相互支撑,提供稳定的结构,有效缓解了CuO纳米线作为锂离子电池负极材料中的体积膨胀问题,表现出了优异的倍率性能和循环寿命。     

用于可充电金属离子电池的共价有机框架电极材料综述（英文）

共价有机框架具有强健的骨架、丰富的电化学活性位点、便于金属离子传输的可控孔道以及利于优化电化学性能的可调控的分子结构,因此是理想的下一代可充电金属离子电池电极材料。此外,共价有机框架电极材料没有传统无机电极材料价格昂贵及含有毒金属的问题,也不存在有机小分子循环稳定性差的问题,在下一代可充电金属离子电池中具有巨大的应用潜力。因此,本文总结了共价有机框架电极材料的电化学活性位点,并着重讨论了通过调节共价有机框架的骨架结构、孔道、活性位点和电子结构提高共价有机框架电极材料电化学性能(包括:能量密度、倍率性能和循环寿命)的策略。为了开发高性能的共价有机框架电极材料,未来的工作需着重于优化它们的离子和电子导电性,进一步提高它们的工作电压以及探明它们的储能机制。本文将有助于开发用于下一代金属离子电池的高性能共价有机框架电极材料。