柔性多功能Fe2O3/CC正极宿主实现高效吸附与催化多硫化物的锂硫电池

锂硫电池因其高能量密度和低成本而成为最有发展前景的电化学储能器件之一。然而,多硫化物的“穿梭效应”、硫导电率低是锂硫电池商业化面临的主要挑战。本工作中,以Fe(NO)₃·9H₂O为铁源,NH₄F为表面活性剂,通过简单的水热及煅烧处理制备了Fe₂O₃纳米棒修饰炭布(CC)的柔性Fe₂O₃/CC复合材料。其中,Fe₂O₃中介孔的存在有利于电解质的渗透和充放电过程中锂离子的传输和扩散,同时其密集阵列暴露出的丰富活性位点可以实现多硫化物的高效吸附和快速转化,降低多硫化物的穿梭效应。电化学分析显示：Fe₂O₃/CC正极在0.1 C(1 C=1 672 mA g^-1)的电流密度下具有1 250 mAh g^-1的高放电比容量,经100圈循环后比容量保持在789 mAh g^-1。在2 C的倍率下循环...     

TiO2/C复合材料用于钠离子电池负极的性能研究

近年来,TiO₂作为钠离子电池(NIB)负极材料,因其低成本和高稳定性等优势受到广泛关注。但受TiO₂本征电子导电性的固有限制,使得TiO₂作为NIB负极材料导电性较差,导致其容量和倍率等性能不理想。利用海藻酸钠与金属离子自主交联反应的特性,将反应产物在最佳温度下进行简单碳化,制备了具有分级多孔结构的TiO₂/C复合材料,其中TiO₂纳米颗粒均匀地分布在多孔互连的碳基体中,该结构提升了复合材料导电性的同时扩展了钠离子反应的附着位点。将TiO₂/C复合材料用于NIB负极材料,在100 mA·g^-1的电流密度下循环300圈后,电池可逆比容量维持在180.4 mAh·g^-1;进一步,在更高的1000 mA·g^-1电流密度下经过1000次循环后,电池可逆比容量维持在102.3 mAh·g^-1,充分显示出TiO₂/C复合材料作为NIB负极材料的应用潜能。     

钠离子电池中空结构CoSe2/C负极材料的制备及储钠性能研究

过渡金属硒化物具有较高的理论比容量和良好的导电能力, 是钠离子电池潜在的负极材料, 但其在电化学过程中会发生较大体积变化, 循环寿命不佳, 发展受到了限制。为缓解上述问题, 本研究以金属有机框架材料ZIF-67为前驱体, 用单宁酸(Tannic acid, TA)将ZIF-67刻蚀为空心结构, 再通过碳化、硒化制备出以碳为骨架的纳米中空CoSe₂材料(H-CoSe₂/C), 相较于未经刻蚀处理的CoSe₂材料(CoSe₂/C), H-CoSe₂/C表现出更好的储钠性能, 特别是循环稳定性得到显著提高。50 mA·g^-1电流密度下, 经过350次循环, 可逆比容量保持在383.4 mAh·g^-1, 容量保持率为83.6%; 在500 mA·g^-1电流密度下, 经过350次循环后容量保持率仍能达到72.2%。本研究表明, 中空结构能够提供足够的空间以缓解材料在电化学过程中的体积变化, 进而提高电极材料的循环性能。     

立方相碳化钛在锂空电池中的电化学行为

采用直流电弧等离子体法在甲烷和氩气混合气氛下原位合成碳化钛(TiC)纳米颗粒。X射线衍射、透射电子显微镜等物理表征结果显示TiC纳米颗粒粒径约为40～90 nm的立方体结构。循环伏安(CV)测试表明,TiC纳米颗粒兼具高效的氧还原和氧析出双效催化活性,可有效弥补炭材料氧析出催化活性较弱的缺陷。恒流充放电测试结果表明,相对于普通炭材料(导电炭黑,Super-P),TiC纳米颗粒催化剂可将锂空电池充电过电势降低280mV;在电流密度(i_sp)为50mA·g^-1时,首次放电比容量达1267mAh·g^-1;即使在较高的电流密度150mA·g^-1下,比容量仍保持在778mAh·g^-1,体现了良好的倍率性能。在电流密度为100mA·g^-1、限定比容量为500mAh·g^-1下,稳定循环10次。通过XRD、红外、扫描电镜表征可知,在TiC纳米颗粒的双效催化作用下,Li_2O_2的生成与分解具有良好的可逆性,有效避免了大量反应副产物积累的问题,进而提高锂空电池的电化学性能。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料，但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题，本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料，HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度，丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积，从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^-2、沉积电量为1.0 mAh·cm^-2条件下可以循环超过250周次，其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO₄)正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO₄全电池，在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^-1,较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO₄全电池(60.8 mAh·g^-1)提升了32.8 mAh·g^-1。     

B掺杂MnO2的制备及其电化学性能

用一步水热法制备B³⁺掺杂Birnessite-MnO₂负极材料,使用XRD,Raman,SEM,TEM,XPS和恒电流充放电等手段表征了材料的结构和电化学性能。结果表明,B³⁺掺杂前后的MnO₂都是由二维纳米片组装而成的花球,B³⁺离子掺杂使纳米片的厚度减小,从而缩短了锂离子和电子在材料内部的传输路径;掺杂适量的B³⁺离子,使Birnessite-MnO₂的电荷转移电阻显著降低。B³⁺掺杂比例为9%的电极材料,具有最优的电化学性能。在电流密度为100 mA·g^-1和1000 mA·g^-1的条件下,首次充电比容量分别为855.1 mAh·g^-1和599 mAh·g^-1,循环100次后仍然保有805 mAh·g^-1和510.3 mAh·g^-1的可逆比容量,容量保持率分别为94.1%和85.2%。     

高性能自支撑CuS/SnS2锂电池负极材料

过渡金属硫化物作为锂电池负极材料具有极高比容量,但其制备的电极普遍存在导电性差、体积变化大等问题,本研究设计了一种新型的自支撑CuS/SnS₂镂空片状锂电池负极材料,以导电碳布作为基底,生长包覆CuS/SnS₂镂空纳米片,具备特殊的纳米包覆结构及双金属协同效应,使其在保持较高比容量的同时具备良好的循环稳定性,整体电化学性能优异。研究不同Cu/Sn含量对CuS/SnS₂负极材料电化学性能的影响,最佳配比的CuS/SnS₂负极材料在0.2 A·g?1电流密度下循环50次后比容量为1480 mAh·g?1,库伦效率稳定在99.5%,在2 A·g?1电流密度下循环200次后比容量仍能保持在697 mAh·g?1,库伦效率为99.8%。      

Fe2O3-石墨烯-碳纳米管复合材料制备条件对载硫性能的影响

锂硫电池是传统锂离子电池最有前途的替代品之一,多硫化物的溶解和导电性差是制约锂硫电池应用的两个重要因素。通过水热法合成了Fe₂O₃-还原氧化石墨烯(RGO)-碳纳米管(CNT)复合载硫材料,并通过调节氨水浓度,实现了复合材料中Fe₂O₃的颗粒尺寸的有效调控,发现小尺寸的Fe₂O₃颗粒具有更好的吸附和催化作用。合成的Fe₂O₃-RGO-CNT-S正极材料在1 C倍率下首次放电容量为1 286 mA·h/g,循环500圈后剩余718 mA·h/g,每圈的容量衰减率为0.08%。在0.2、0.5、1、2和4 C倍率下的平均比容量为983、825、769、673和604 mA·h/g,具有良好的倍率性能。在5 C倍率下循环500次仍剩余527 mA·h/g,具有良好的大电流循环性能。Fe₂O₃-RGO-CNT-S正极材料特别适用于高性能锂硫电池,具有优异的电化学性能主要是由于R...     

蛋黄壳结构FeF3·0.33H2O@N掺杂碳纳米笼正极材料的构筑及其电化学性能

FeF₃·0.33H₂O具有理论容量和电压高的特点,但其导电性差、氧化还原反应过程中体积变化严重导致电化学循环性能不佳,应用受到限制。本研究采用多巴胺自组装包覆纳米立方Fe₂O₃颗粒,再经过碳化、HCl刻蚀和HF氟化的策略,合成了由N掺杂石墨烯外壳和纳米立方FeF₃·0.33H₂O内核所构成的蛋黄壳结构复合材料FeF₃·0.33H₂O@CNBs,粒径约250 nm,碳壳厚度为30～40 nm。FeF₃·0.33H₂O@CNBs在0.2C (1C=237 mA·g^-1)电流密度下充放电初始容量为208 mAh·g^-1,循环50圈之后容量仍然有173 mAh·g^-1,每圈容量衰减率仅为0.3%;而纯FeF₃·0.33H₂O初始容量只有112 mAh·g^-1...     

新型高能量密度锂离子电池负极Li21Si5/石墨烯复合材料的合成与性能研究

本研究利用放电等离子烧结技术同时实现热化学锂化与致密化, 制备得到Li₂₁Si₅与石墨烯两相分布均匀、高致密度的纳米结构复合材料。石墨烯的二维结构、优异的电导率以及大量结合紧密的两相界面能够有效地限制活性颗粒在脱锂过程中的体积收缩并促进电荷在活性颗粒内部的传输, 促使该复合材料表现出优异的电化学性能。预脱锂和首次嵌锂比容量分别为968和1007 mAh∙g^-1, 达到商业化应用锂-碳体系的3倍, 首次库伦效率达到94.5%。循环100圈后比容量仍然可保持在590 mAh∙g^-1, 循环稳定性相比于采用碳颗粒制备的复合材料提升了1倍。即使在1 A∙g^-1的高电流密度下循环, 比容量仍可保持在540 mAh∙g^-1。本研究为设计开发应用于锂离子硫、锂离子氧等高能量密度电池体系中的富锂合金负极材料提供了新的途径。     

氢化TiO2包覆核壳C/Fe3O4@rGO锂离子电池阳极材料

通过一种简便的方法制备氧空位缺陷的氢化TiO₂包覆核壳结构C/Fe₃O₄@rGO(H-TiO₂/C/Fe₃O₄@rGO)复合材料，作为锂离子电池(lithium-ion batteris, LIBs)高性能阳极材料。TiO₂在Li⁺脱嵌过程中体积膨胀系数约为4%,可缓解Fe₃O₄在充放电过程中的体积膨胀，提高阳极材料结构的稳定性。同时，通过氢化处理改善TiO₂较低的电导率(约1×10^-12 S·m^-1)。H-TiO₂/C/Fe₃O₄@rGO在0.3 A·g^-1的电流密度下循环200周次后比容量为867 mAh·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下循环700周次的比容量为505...     

高倍率性能磷酸亚铁锂/碳正极材料的制备与表征

以水溶性酚醛树脂为碳源, Li₂CO₃为锂源, 纳米FePO₄前躯体为铁源和磷源, 以水为介质, 采用湿法研磨混合均匀, 然后通过高温固相法制备出纳米磷酸亚铁锂/碳(LiFePO₄/C)复合材料。采用XRD、SEM、TEM、TG和拉曼光谱对该复合材料进行了表征, 并研究了其电化学性能。结果表明, 制备的LiFePO₄/C纳米颗粒为类球形, 表面均匀地包覆了一层约5 nm厚的碳层, 作为锂离子电池正极材料表现出良好的倍率性能和循环性能, 在0.2 C(1 C=170 mAh·g^-1)、0.5 C、1 C、2 C、5 C、10 C下首次放电容量分别为151、150、146、142、132、119 mAh·g^-1, 20 C下的首次放电容量也达105 mAh·g^-1, 且循环50次几乎无衰减。     

锂离子电池硅炭负极材料的制备与电化学性能研究（英文）

利用微胶囊技术将酚醛树脂包覆于纳米硅表面，然后在氩气保护下高温炭化，制得硅炭复合负极材料。首先采用4种不同质量比的酚醛树脂与纳米硅制备了硅碳复合材料，得到了不同炭质厚度的硅碳复合材料。通过对其循环性能和倍率性能的比较，发现酚醛树脂与纳米硅的质量比为1∶4，即碳层厚度为4.5 nm时，电化学性能最佳。随后对该种硅碳复合材料的综合电化学性能进行了测试，该材料作为负极制备的锂离子电池具有良好的电化学性能，在电流密度为100 mA g^-1的条件下，其首次放电比容量为2 382 mAh g^-1，首次充电比容量为1 667 mAh g^-1，首次库伦效率为70%。经200次充放电循环后放电比容量为835.6 mAh g^-1，库伦效率为99.2%。此外，其倍率性能非常优异，在100、200、500、1 000、2 000及100 mA g^-1电流密度下，其平均放电比容量分别为1 716.4、1 231.6、911.7、676.1、339.8及1 326.4 mAh g^-1...     

Ag/MnO2复合电极材料的制备及其电化学性能

过渡金属氧化物MnO₂因其制备工艺简单、储量丰富、环保且具有较高的理论比容量,在电池储能方面有较大潜力。本论文借助溶胀法对水热合成的δ-MnO₂进行剥离制得MnO₂纳米片。再利用紫外光照以及NaBH₄的还原作用在MnO₂纳米片表面负载Ag纳米颗粒,从而得到Ag/MnO₂复合材料。对Ag/MnO₂复合材料进行了结构和形貌表征以及电化学性能测试。结果表明,作为锂离子电池负极材料,Ag/MnO₂的电化学性能明显优于纯相δ-MnO₂。Ag/MnO₂在100 mA/g电流密度下的首次可逆比容量达到1 001.1 mA·h/g,库伦效率为79.9%;在0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 A/g电流密度下的平均可逆比容量分别为936.3、607.5、429.5、351.1和278 mA·h/g,当电流密度重新回到0.1 A/g时,其平均可逆比容量仍可达到658.7 mA·h/g。...     

碳纳米纤维表面网络修饰及其锌离子电池应用

可充电水系锌锰电池以高安全、低成本和对环境友好的特性在大规模储能领域有广泛的应用前景，但由于锰氧化合物自身导电差且在电池充放电过程中发生歧化反应在水中溶解，导致电池容量低、循环稳定性差。本文采用双针头对纺静电纺丝技术，结合预氧化、高温退火工艺，通过掺杂碳纳米管(CNTs)和导电炭黑(Super-P)对碳纳米纤维表面进行修饰，制备出具有凸起结构和导电网络的碳纳米纤维(CSCNFs)复合材料，再结合电化学沉积工艺，在纤维表面负载α-MnO₂活性物质制备得到MnO₂@CSCNFs阴极。其中，CNTs和Super-P协同构建了具有节点结构的导电网络通道，实现高效电子-离子协同传输。以MnO₂@CSCNFs为阴极的电化学性能得到明显改善，初始容量达到784.8 mA·h·g^-1,100圈循环后仍保持500 mA·h·g^-1的放电比容量，2 A·g^-1的大电流密度下仍保持290.8 mA·h·g^-1的放电比容量，且当电流密度恢复到0.1 A·g<...     

Fe3O4/CNTs纳米复合材料的制备及其电化学性能的研究

Fe₃O₄/CNTs纳米复合材料用水热法在乙醇和丙二醇的混合溶液中合成，尺寸为5～15 nm的四氧化三铁纳米颗粒均匀附着在碳纳米管表面。作为锂电池负极材料，合成的Fe₃O₄/CNTs纳米复合材料展现出了优异的长循环特性和倍率循环特性。在电流密度100 mA g^-1的条件下，在300次循环充放电后容量仍然能够保持在605 mAh g^-1。酸处理碳纳米管的加入为四氧化三铁提供了大量的生长点，显著减小了四氧化三铁颗粒的尺寸，阻止了充放电过程中颗粒的团聚，构建了独特的三维导电网，使复合材料展现出了优异的电化学性能。     

基于废弃生物质原位合成蜂窝状镶嵌ZnS纳米点的N-S共掺杂炭纳米片的制备及其锂离子电池性能（英文）

以ZnCl₂为硬模板和锌源，三聚氰胺和硫脲为氮源和硫源，废弃生物质橘子皮为碳源，通过高温烧结和后续蚀刻处理制备出硫化锌纳米点与三维N-S共掺杂炭纳米片的纳米复合材料(ZnS/NS-CN)。当应用于锂离子电池时，ZnS/NSCN表现出较高的可逆容量(0.1 A g^-1下，循环300次后容量仍有853.5 mAh g^-1)，优异的长期循环稳定性(5 A g^-1下，循环1 000次后，容量保持率为70.1%)和优异的倍率性能。此外，在0.5～4 V下组装和测试的ZnS/NS-CN//LiNiCoMnO₂全电池表现出优异的电池性能(在0.2 C下循环150次后容量为140.4 mAh g^-1，能量密度为132.4 Wh kg^-1)。     

NiS2/多孔碳纤维复合电极的制备及其储锂性能

制备长循环稳定、高容量的负极材料是锂离子电池实现大规模储能应用的前提之一。利用静电纺丝技术和水热硫化的方法制备了均匀分布的NiS₂/碳纳米纤维(NiS₂/C)复合材料。作为锂离子电池负极材料,NiS₂/C电极的首次放电比容量为864.6 mAh/g,首次库仑效率为62.7%。其中不可逆容量为322.9 mAh/g,不可逆容量主要由转换反应的部分不可逆及固态电解质(SEI)膜的形成造成的。NiS₂/C复合电极表现出优异的循环稳定性,200 mA/g下150次循环后容量仍然维持在519 mAh/g,容量保持率高达90.4%。此外,在2 A/g大电流密度下,NiS₂/C电极的容量仍高于310 mAh/g表现出出色的倍率性能。借助XRD、SEM及TEM表征,分析发现包裹着NiS₂纳米颗粒的碳纤维,作为良好的导电介质,既可以提高NiS₂的导电性,也可缓解NiS₂脱嵌过程中的体积膨胀,使得NiS₂/C电...     

疏松多孔CoFe2O4-还原石墨烯电极复合材料的制备与性能

采用原位溶剂热法,以氧化石墨烯（GO）与Co2+、Fe3+为原料制备疏松多孔的纳米CoFe₂O₄-还原氧化石墨烯（CoFe₂O₄-rGO）复合材料。采用XRD、Raman、SEM和HRTEM测试表征了纳米CoFe₂O₄-rGO复合材料的结构与形貌。测试结果表明,纳米CoFe₂O₄-rGO复合材料具有三维结构。自组装的多孔CoFe₂O₄纳米球粒径约为200 nm,在rGO上均匀分散,解决了CoFe₂O₄易团聚的问题。电化学测试结果表明,纳米CoFe₂O₄-rGO复合材料具有较高的比容量及优异的循环和倍率性能,在100 mA·g-1的电流密度下其比容量为1 262 mAh·g-1,50次循环后比容量仍能保持在642 mAh·g-1;并在2 000 mA·g-1的大电流密度下仍具有221 mAh·g-1的比容量。纳米CoFe₂O₄-rGO复合材料拥有更优异的电化学性能的原因在于CoFe₂O₄纳米球在rGO上均匀分布。三维结构增加了Li+储存的活性位点,有效缓解了电极的体积收缩/膨胀效应,提高了纳米CoFe₂O₄-rGO复合材料的导电性。      

花瓣状纳米硫和球状纳米硫的制备及性能

锂硫电池因能量密度高、环境友好,被认为是最有希望的新一代能源储存装置。但是,多硫化物穿梭效应和体积膨胀等问题是锂硫电池目前所面临的巨大挑战。通过化学合成法制备了不同形貌且具有稳定规则结构的纳米硫,为电池在充放电过程中提供更多的活性位点,有效减少正极活性物质的损失,使电池的电化学性能得到提升。结果表明,花瓣状纳米硫材料在0.1C的电流密度下有740.72 mAh/g的初始容量,100次循环后容量保持在362.07 mAh/g;球状纳米硫材料在0.1C的电流密度下初始容量为825.30 mAh/g,100次循环后容量保持在418.06 mAh/g,每圈的容量衰减率仅为0.493%。