生物质衍生碳基材料在钠离子电池负极中的应用

近年来,随着可再生能源的大规模应用,开发安全可靠的储能设备对于解决可再生能源的间歇性、不稳定性等问题,实现能源的持续性输出具有重要意义。锂离子电池作为重要的储能设备已成功应用于多个领域,然而,锂资源储量有限、分布不均匀且成本较高,难以满足未来的应用需求。钠离子电池再次进入研究人员的视野,钠离子电池的储能机理与锂离子电池相似,钠与锂位于同一主族,除物理化学性质与锂相似之外,在储量和成本上同样具有较大优势。开发高容量、优异倍率性能和长循环寿命的负极材料是钠离子电池实现产业化的关键。以资源丰富、成本低廉且可再生的生物质合成的碳基负极材料得到广泛研究,其优良的储钠性能已得到证实,有望成为最具潜力的新型低成本高性能钠离子电池负极材料。本文首先介绍了生物质衍生碳基材料主要来源于植物器官、秸秆和废弃生物质,其次阐述了热解法、化学活化法和模板法等制备生物质衍生碳基负极材料的方法,探讨了不同结构的生物质衍生碳基材料的储钠性能,分析了生物质衍生碳基材料的储钠机制,并展望了生物质衍生碳基负极材料未来的研究方向。     

钠离子电池硬碳负极材料研究进展北大核心CSCD

随着高性能电极材料的开发和储钠机理的研究,钠离子电池的电化学性能得到极大的提升。硬碳作为公认的最成熟和最具商业化潜质的负极材料,仍面临着首次库仑效率低、倍率性能较差等问题。同时,科研人员投入巨大精力深入研究硬碳储钠机理,探索提高性能和降低成本的合成方法。但对于储钠机理仍存在分歧,尤其对低压平台区的储钠机制有较大争议。本工作通过对近期文献的综合分析,基于硬碳材料的嵌入、吸附及纳米孔填充三种不同储钠过程,着重介绍了“嵌入-吸附”“吸附-嵌入”和其他多种形式的复合储钠机理。随后,在深入了解硬碳材料储钠机理的基础上,分析了比表面积、孔隙、缺陷、层间距和官能团等对硬碳负极材料倍率性能和首次库仑效率的影响。同时介绍了结构优化和涂覆涂层方法表面改性对改善硬碳负极材料倍率性能和首次库仑效率的影响。为了促进硬碳的实际应用,阐述了电解质优化对ICE膜性能改善及倍率性能的影响。综合分析表明,硬碳材料改性及电解液优化,有望同时实现高倍率性能、高首次库仑效率和循环稳定性。     

钠离子电池黑磷基负极材料研究进展北大核心CSCD

钠离子电池被认为是一种极具潜力的二次电池体系,得到了国内外的广泛关注。硬碳是主要的钠离子电池的负极材料,但是,由于硬碳材料固有比容量较低,极大地限制了其全电池能量密度的提升。相比之下,磷资源丰富,且作为活性材料具备理论比容量高的优点,可用于发展磷基高比容量和长寿命的钠离子电池负极材料。本文通过对近期相关文献的探讨,综述了提高结构稳定性和电化学性能的一些有效策略。黑磷能够较为容易地通过机械的方法制备,并与石墨烯、多壁碳纳米管、科琴黑等碳材料复合,但是微观化学键的构建需要额外考虑,碳材料表面与黑磷化学键结合能够显著增强结构和储钠可逆性。此外,也可以引入导电高分子材料和部分典型的二维材料与黑磷复合,实现材料和电极微观结构优化,提供了提升电化学性能的重要方法,最后展望了黑磷作为钠离子电池负极材料的发展前景。     

锂/钠离子电池锡锑合金负极材料改性的研究进展

锡锑(SnSb)合金材料具有高理论容量、高电导率、低反应电位等优点,是当前研究最为广泛的锂/钠离子电池负极材料之一。然而,SnSb合金负极材料在嵌脱金属离子过程中巨大的体积效应导致电极材料粉化失活,从而导致其循环性能不尽人意。为了解决上述问题,从结构设计、碳复合材料、三元合金等方面介绍近些年的研究进展,分析现有合成策略的设计方法和作用机理,最后提出SnSb合金负极材料在未来研究中的发展方向。     

钠离子电池磷基负极材料研究进展北大核心CSCD

钠离子电池作为一种新型的能源储存技术得到越来越多的关注,尤其是在大规模储能领域具有明显的优势,有望部分取代锂离子电池。钠离子电池磷基负极材料具有高的理论容量和合适的储钠电位,因而受到广泛关注。但部分磷基材料导电性差和循环过程中体积变化大,使得其在产业化应用方面仍面临着严峻的挑战。本文针对磷基钠离子电池负极材料的研究进展,对红磷、黑磷、磷烯、金属磷化物的储钠机理、研究现状、改进策略进行了总结。目前,钠离子电池磷基负极材料的研究主要集中在导电材料复合和限域结构设计。另外,保护性/导电性涂层包覆、元素取代/掺杂改性、新型电解液的使用以及测试电化学窗口的调控也可改善磷基钠离子电池负极材料的电化学性能。富磷相的制备、储钠机理的确定、先进的检测技术和计算模拟的运用、电池配套组分和全电池的研究是未来金属磷化物钠离子电池负极材料的研究方向。     

层状金属二硫化物作为钠离子电池负极的研究进展

钠离子电池（NIBs）因其资源丰富、环境友好等特点被认为是最有望替代锂离子电池（LIBs）的新一代储能系统。然而,钠离子半径大于锂离子,传统锂离子电池负极材料在充放电过程中钠离子嵌入/脱出困难,容易造成材料结构的坍塌。目前,缺乏合适的负极材料仍是限制NIBs大规模应用的主要障碍之一。与传统的NIBs负极材料（碳材料、金属氧化物、金属磷化物等）相比,层状金属二硫化物（TMDs）由于其独特的层状结构可“额外”储存钠离子,并有效地缓解电化学反应中的体积变化已被广泛研究。本文将首先将介绍三种常见关于TMDs材料的合成方法 （水/溶剂热法,化学气相沉积法,液相剥离法）。接下来对几种作为NIBs负极的常用TMDs(MoS2、SnS2、WS2、VS2)的研究进展进行综述。最后将对不同TMDs材料合成方法的优缺点进行比较并进一步展望其目前所遇到的挑战及未来的发展前景,为进一步推动TMDs在NIBs的产业化应用提供一些理论参考和科学借鉴。     

生物质衍生碳材料在全钒液流电池电极方面的应用北大核心CSCD

电极是全钒液流电池的重要组成部分,是电解液中不同价态钒离子发生电化学反应的场所。理想的液流电池电极需要同时具备电导率高、比表面积大、润湿性好、耐腐蚀、成本低廉的特性,而目前的材料往往不能兼顾。生物质衍生碳材料具有独特的多孔结构,且含有丰富的氧官能团和氮、磷、硫等元素,可以为电化学反应提供更多的活性位点,被广泛应用于电极材料中。本文回顾了生物质衍生碳材料作为电极或电极催化剂,在全钒液流电池中的应用和研究进展,重点讨论了材料的制备方法、结构组成及其电化学性能,有利于加深人们对电极“构-效关系”的理解,以期设计出更好的电极材料,提高全钒液流电池的性能,降低成本,推进全钒液流电池产业化的发展。     

磁性金属元素在钠离子电池中的应用北大核心CSCD

钠离子电池由于其资源丰富、价格低廉等因素常被用作锂离子电池的替代品。但由于钠的原子半径相对较大、动力学性能相对迟缓等问题,限制了钠离子电池的商业化发展进程。本文基于目前最新的研究,系统总结了普鲁士蓝类、层状过渡金属氧化物类、聚阴离子类中的磁性金属元素在钠离子电池正极材料中的应用,通过掺杂磁性元素来提高电化学性能及循环稳定性。普鲁士蓝类在实际应用中普遍存在容量利用率低、效率低、倍率差和循环不稳定等缺点,然而通过磁性金属元素的掺杂降低Na^(+)通过SEI膜的扩散电阻,加速离子扩散过程,增加活性位点。层状过渡金属氧化物类、聚阴离子类正极材料利用磁性金属元素,增强了钠离子电池的电化学性能。对比锂离子电池负极材料,通过设计含有磁性元素的新型钠离子电池负极材料实现快速储钠,在碳基材料中负载磁性金属元素,加速Na^(+)扩散。本文对最新的进展情况进行分析并综述。     

钠离子电池筛分型碳:缘起与进展北大核心CSCD

钠离子电池被广泛认为是锂离子电池在大规模储能应用领域的最佳补充甚至替代,硬碳是目前最具潜力的实用化负极材料,但硬碳负极低电位平台的产生机制仍存争议,且硬碳复杂的微纳结构与低电位平台的关联机制尚不明确,严重制约了钠离子电池的产业化进程。本工作首先概述了钠离子电池碳负极的研究进展与关键挑战,并分析探讨了设计理想碳负极的关键结构要素;其次介绍了本研究团队有关碳分子筛负极的研究进展,并基于碳分子筛提出了理想的碳负极模型——筛分型碳;最后重点论述了筛分型碳“樱桃小嘴、大腹便便”的孔结构特征及其对储钠机制和电化学性能的影响,明确提出了筛分型碳负极的理性设计原则,并对筛分型碳未来在钠离子电池产业化进程中所面临的机遇和挑战进行了简要的评述和探讨。     

非金属杂原子掺杂对锂离子电池硬碳负极改性研究进展

动力型锂离子电池是当今主流的能源存储与转化器件,具备着能量密度高、循环寿命长、环境友好等特性。硬碳负极具有更大的层间距和更为丰富的孔隙结构,弥补了石墨负极电解液兼容性和低温倍率性能等方面的不足,但存在振实密度和首次库伦效率较低等缺点,整体性能较差。杂原子掺杂改性通过提高电子电导率、增强表面润湿性、赝电容贡献以及多元素共掺杂的协同作用方式有效改善了硬碳负极材料的电化学性能。本文在概述杂原子掺杂制备方法的基础上,综述了近年来针对锂离子电池硬碳负极材料杂原子掺杂改性的研究进展,包括非金属杂原子单掺杂、多原子共掺杂机理和应用,并对未来发展做出了展望。     

静电纺丝法制备硅碳纳米纤维及其在锂钠离子电池中的应用

静电纺丝法由于具有工艺简单、功能多样等优点,是一种重要的制备一维锂钠离子电池纳米结构电极材料的方法。目前,已有大量利用静电纺丝技术制备高性能电极材料的研究报道,但具有系统性和针对性的综述论文尚十分有限。碳材料是最早被研究且已实现商业化的锂离子电池负极材料,硅材料则是理论容量最高的负极材料,因此,两者一直是学术界和工业界关注的重点;但碳材料理论容量低和硅材料体积变化大的问题严重阻碍了各自更广泛的实际应用。静电纺丝技术被证明是一种可以解决上述问题的十分有效的方法。因此,本文系统地综述了静电纺丝法制备的硅基和碳基纳米纤维在锂钠离子电池负极材料上的应用和发展,重点从静电纺丝原理、硅碳材料的设计及合成、结构的调控与优化、复合材料的制备到电化学性能的提高等方面作了详细介绍和讨论,同时也指出静电纺丝法在大规模生产中的不足及未来可能的发展方向。希望此综述可以为先进储能材料（尤其是硅基和碳基纳米电极材料）的设计和制备提供一些有益的指导和帮助。     

薄膜锂离子电池负极材料的研究进展

全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池的最新研究领域,其能量密度高、厚度薄、循环寿命长、可靠度高。薄膜化的负极材料是锂离子电池的重要组成部分,负极薄膜材料制备方法的研究取得了较大的进展,未来研究重点是低成本、低能耗、高综合电化学性能的负极薄膜材料以及可批量生产的薄膜制备技术。对薄膜化的硅负极材料、金属或合金薄膜材料、氧化物薄膜材料和复合薄膜材料近几年来的研究状况进行了综述,并对其发展前景进行了展望。     

钠离子电池锰酸钠正极材料研究进展与发展趋势北大核心CSCD

近年来,钠离子电池凭借钠资源储量丰富、分布广泛、价格低廉、绿色可持续发展、安全稳定、集成效率高、快速充电性能优异、低温性能好等一系列优势被认为是锂离子电池当前最好且最有发展前景的互补品,也是未来发展大规模电化学储能最具前景的系统之一。然而阻碍钠离子电池发展的因素是正极材料体系结构易发生相变、放电比容量不够高、循环性能不够好等问题。目前,钠离子电池正极材料的研究中过渡金属氧化物材料表现出更多样的结构种类、更优的结构稳定性、更高的比容量、良好的充放电循环性能和其他优异的电化学性能。本文针对锰酸钠正极材料微观以及宏观结构的研究进展进行归纳总结,着重对不同钠含量的锰酸钠材料通过三种不同位点(钠位、锰位和氧位)掺杂以及包覆的手段进行系统深入的研究,详细展示并论述了不同元素不同位点掺杂以及不同包覆手段所带来的增益效果。在未来的发展过程中,应加强对微观宏观结构的进一步提升,拓展多元素多位点掺杂种类、掺杂比例、搭配类型和包覆材料种类等,提升包覆技术,并不断加强钠离子电池电解液、负极材料等配件的创新与发展。     

钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠研究进展北大核心CSCD

钠离子电池因其原材料储量丰富、成本低、安全环保等优势在大规模储能、低速电动车领域具有广阔的应用前景。氟磷酸钒钠[Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(2)F_(3),NVPF]正极材料具有稳定的三维框架结构、高的理论比容量(128 mA·h/g)和高的工作电压(约3.8 V)等优点,已成为近年来钠离子电池正极材料研究的热点。然而,NVPF较低的电子电导率和较慢的离子扩散速率导致其实际比容量偏低且倍率性能不理想,阻碍了其进一步发展。为此,研究者们通过优化NVPF的合成工艺,并采用包覆、离子掺杂和结构设计等方法对其进行改性,使其电化学性能得到了显著提升,极大增强了NVPF在钠离子电池中的应用潜力。本文通过对近年相关文献的回顾,介绍了NVPF的晶胞特征,并梳理了NVPF的四种脱嵌钠机制(固溶反应机制、分步钠脱嵌机制、三步钠脱嵌机制和两步钠脱嵌机制);简要综述了NVPF常用的三种合成方法(高温固相法、水热法和溶胶-凝胶法),并归纳了各方法的优缺点;详细介绍了利用包覆、离子掺杂和结构设计等方法改性NVPF的研究进展。最后,从实际应用角度出发,对NVPF的合成、改性及其全电池的发展进行了展望,以期推动NVPF正极材料在钠离子电池中的应用化进程。     

钠离子电池预钠化技术研究进展北大核心CSCD

钠离子电池是下一代低成本和高性能规模储能电池技术之一,预钠化技术可有效补充其在循环过程中的不可逆钠损耗,因此在钠离子电池的实际应用中具有重要地位。本工作综述了目前已有的预钠化方法,包括物理预钠化、电化学预钠化、化学反应预钠化、正极添加剂以及富钠正极。考虑各种预钠化技术安全性、可操作性、高效性和整体成本等诸多因素,分析了各种预钠化技术的优势与不足,指出了目前预钠化技术存在的问题,最后展望了预钠化技术在未来钠离子电池中的商业前景和发展方向。物理预钠化操作简单方便,但安全性是其主要问题;电化学预钠化能获得稳定的SEI膜,但受限于繁琐的工艺步骤;化学反应预钠化也能形成均匀致密的SEI膜,但对气氛有一定的要求,且溶剂昂贵;正极添加剂操作简单方便,但对其产生的残留物和气体的研究甚少;富钠正极稳定性好,但受限于种类太少。未来的预钠化研究需要综合考虑成本、环保、安全和稳定性等因素,并对副反应和副产物的影响机理进行深入地研究。     

木质素作为锂离子电池电极材料的研究进展

木质素是地球上储量充足的芳香族高聚物,结构中富含羟基、羧基、醚基等多种官能团.这些官能团的存在允许选择性的修饰这种复杂的化合物.木质素是制浆造纸工业的副产品,成本便宜、来源广泛,通过简单温和的化学活化制备的多孔木质素基碳已成为环境净化、电催化和储能领域的研究热点,尤其是作为锂离子电池的负极材料.本文简要介绍了锂离子电池...     

普鲁士蓝正极软包钠离子电池的滥用性能

以普鲁士蓝(PB)为正极,硬碳(HC)为负极,制作了软包PB/HC钠离子电池,研究了其滥用性能。该电池经过0 V过放电后,其充放电曲线和容量可完全恢复,并且内阻变化较小;即使经过-3.6 V的深度过放电,该电池仍可正常充放电。PB/HC电池还显示出优异的过充性能,经过20%、30%和40%过充后,电池的容量保持率分别可达97.9%、91.6%和88.6%,且20%过充电池的循环性能与未过充的电池相当。此外,PB/HC钠离子电池经过针刺、短路和加热实验后,不发生起火和爆炸,且经过短路实验后,电池没有出现显著的温升。以上结果表明,基于PB正极的钠离子电池显示出优异的耐滥用性能,在大规模储能中具有良好的应用前景。     

高功率锂离子电池软/硬复合碳负极材料CSCD

为了满足储能市场对高功率电池的需求,开发具有高功率性能的锂离子电池负极材料成为必然发展趋势。本文通过湿式合成法将软碳和硬碳的前驱体进行复合,开发了一种新型的复合碳锂离子电池负极材料。考察了其克比容量、库仑效率、倍率性能以及循环稳定性。用X射线粉末衍射(XRD)、拉曼、扫描电镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)对所制备的复合碳材料的结构和表面形貌进行表征。结果表明,该复合碳材料同时具有软碳和硬碳的优点,且性能优于机械混合碳,在保持高比容量和高效率的前提下,倍率性能尤为突出,其2C容量可达154 m A·h/g,且2C/0.2C的容量保持率为64.2%;同时0.2C克比容量为240 m A·h/g,库仑效率为82%。经过5C充放电后,恢复0.2C小电流充放电后,容量保持率达99.8%,循环稳定性很好。XRD、拉曼以及透射电子显微镜的表征结果均表明软、硬碳在复合过程中不只是简单机械共混而是具有协同效应。