锌离子电池正极材料V2O5的储能机理和容量衰减原因

水系锌离子电池凭借低成本和环境友好的特点具有极大的发展和应用前景. 具有高比表面、分层、或快速离子导体结构的钒基材料是锌离子电池最具有前景的正极材料之一. 如何改善钒基材料的长循环性能是亟待解决的问题之一. 本文采用溶胶凝胶法并冷冻干燥成功制备了V₂O₅·1.6H₂O干凝胶,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对其物相和形貌进行了表征,发现制备的材料为V₂O₅·1.6H₂O,结晶相良好,且成片状纤维大孔结构. 电化学测试表明,在0.1 A·g^–1电流密度下,首次放电比容量为388.4 mA·h·g^–1,循环1000次后容量仍保持为129.7 mA·h·g^–1,具有良好的长循环稳定性. 在0.1、0.2、0.5、1、2和3 A·g^-1电流密度下,纤维状V₂O₅干凝胶表现出良好的倍率性能,放电比容量分别为388.4、338.5、282.9、239.1、194.4和165.9 mA·h·g^–1,远高于商业化V₂O₅ (279.5、251.0、205.5、174.5、144.6和125.1 mA·h·g^–1). 良好的电化学性能主要归功于结合水的支撑作用增大了层间距,在循环过程中材料具有良好的结构稳定性,避免了放电容量衰减;同时纤维片状结构缩短了锌离子的迁移路径. 对充放电机理研究发现,在锌离子的嵌入脱出过程中伴随有碱式硫酸锌的生成与消失,且该过程可逆.

     

电极孔隙结构对高比容量硅/碳负极性能的影响

通过控制高比容量硅碳负极(1100 mAh·g^-1)极片压实密度、引入不同尺寸的造孔剂,构筑电极的孔隙结构。采用压汞法(MIP)和扫描电子显微镜(SEM)等表征手段,研究极片的孔隙率、孔径大小和孔径分布对高比容量硅碳负极电化学性能的影响。结果表明:当电极的孔隙率控制在46.2%时,高比容量硅碳负极电极的循环性能较优,循环50周后仍保持765 mAh·g^-1的可逆比容量。进一步通过引入不同尺寸的造孔剂碳酸铵((NH₄)₂CO₃),优化电极的孔径大小和分布。当造孔剂碳酸铵的颗粒尺寸分布在10μm左右、添加量为10%(质量分数)时,构筑的高比容量硅碳负极电极的循环性能较优,循环50周后仍保持955.7 mAh·g^-1的可逆比容量,大大提升了电极的循环稳定性;通过孔隙结构的控制,电极保持较好的倍率性能,1.0C倍率下仍保持1032.6 mAh·g^-1的较高可逆比容量。将利用造孔剂优化过孔隙结构后的高容量硅碳负极应用于2安时软包装锂离子电池中,...     

基于LLZTO@Ag复合层负极改性的硫化物全固态锂电池及其性能

硫化物全固态锂金属电池以其高比能和高安全性得到了越来越多的关注,但是电解质与正负极极材料之间严重的界面问题仍然限制其进一步发展. 为解决Li₆PS₅Cl固态电解质对金属锂不稳定的难点,许多工作提出引入合金负极、引入中间界面层以及电解质直接改性等策略,但是都和实际应用存在一定的差距. 考虑到石榴石氧化物固态电解质Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）具有较高的锂离子电导率和极好的材料稳定性,而Ag金属具有良好的导锂性,因此创新性地提出采用LLZTO与Ag的复合界面层来解决Li₆PS₅Cl全固态电池的金属负极界面问题,提高全电池的循环稳定性. 研究了LLZTO和Ag简单分散复合、均匀分散包覆复合以及纳米球磨复合等不同组成的LLZTO–Ag复合界面层方式对Li₆PS₅Cl全固态锂金属电池负极界面的改善作用,并探究了优化后的全固态电池的电化学性能. 结果表明,纳米球磨复合得到的LLZTO@Ag复合界面层能有效阻止锂枝晶生长和电池短路. 在最佳工艺下,全固态锂金属电池的0.1C首圈效率为77.5%,放电比容量为187.3 mA·h·g⁻¹,经0.3C循环100圈后容量保持率为81.7%.     

铁氧化物锂离子电池负极材料研究进展

铁氧化物锂离子电池负极材料具有比容量高、资源丰富、价格便宜和环境友好等优势,是目前高容量负极材料的研究热点之一.然而,铁氧化物负极材料巨大的体积效应、较差的循环性能以及大的首次可逆容量损失,影响了其在锂离子电池中的应用.目前研究最多的铁氧化物负极材料是α-Fe_2O_3和Fe_3O_4,理论容量分别为1 007 mA·h·g~(-1)和924 mA·h·g~(-1).关于其电化学性能的改进方法,包括制备不同形貌与尺寸的纳米结构材料以及铁氧化物/碳纳米复合材料.介绍了铁氧化物锂离子电池负极材料的储锂机理及其存在的问题,综述了各类铁氧化物负极材料的制备方法、影响因素及电化学性能,并对铁氧化物负极材料的进一步研究、发展应用予以展望.     

锂离子电池富锂正极材料的包覆改性研究进展

随着新能源汽车及储能行业的快速发展,传统正极材料难以满足人们对电池高能量、高密度锂电池的要求。富含Li和Mn的层状氧化物xLi₂MnO₃·(1–x)LiMO₂ (M=Ni,Mn,Co),其高比容量可超过250 mA·h·g–1,有希望成为下一代锂离子电池最理想的正极材料。但是,富锂材料仍存在首次循环不可逆容量高、循环性能差和倍率容量低等问题,为解决这些问题,本文阐述了富锂正极材料的结构和电化学反应之间的构效关系,讨论了金属氧化物、金属氟化物、碳、导电聚合物和锂离子导体等涂层材料对富锂正极材料电化学性能的影响规律及作用机理,同时还对以上涂层在富锂正极材料中应用的优缺点进行了总结。最后,对锂离子电池富锂正极材料的包覆改性的未来发展发现作出展望。      

磷基负极材料在金属离子电池中的现状与趋势

开发高性能二次电池材料是缓解能源与环境危机的有效途径。商业锂离子电池石墨负极由于理论容量较低且在钠离子电池中几乎不显示容量,无法满足人类日益增长的能量需求。红磷由于理论容量高（2596 mA∙h∙g^–1）、氧化/还原电位适宜、地球资源占比丰富以及价格低廉等优点成为碱金属离子电池研究中的热点,有望成为商业化大规模储能系统中应用的负极材料。但是,红磷在作为负极材料时具有导电性差、体积膨胀大等缺点,导致活性材料利用率低,电极粉化现象严重,电极循环稳定性差,严重限制了其在二次电池中的商业应用。最近研究表明,通过合理的结构设计可以有效地提高红磷的电子导电率及结构稳定性,进而改善红磷负极的循环稳定性和倍率性能,促进红磷在商业锂/钠离子电池中的广泛应用。本文综述了近年来纳米红磷负极材料在可控合成方法、结构设计与改性以及性能优化机理上的研究进展。最后,总结了目前红磷负极材料研究存在的问题,并提出可能的应对策略,对纳米红磷基负极材料未来在电池领域发展前景进行了展望,旨在促进其商业应用。     

铝电解槽废阴极碳基复合电极电化学性能研究

为了弥补锂离子电池能量密度低、双离子电池(DIBs)容量低的问题，将铝电解废阴极碳(SCC)与商用镍钴铝酸锂(NCA)结合，制备一种复合电极材料用于双离子电池正极。该复合电极在工作电压区间能够同时实现阳离子(Li⁺)脱出与阴离子(PF₆^-)嵌入，满足高能量密度、低成本的要求。由于低电压区间锂离子的脱嵌，SCC@NCA的初始放电比容量能够达到98.2 mAh·g^-1，较纯SCC(28.4 mAh·g^-1)有明显提高。在150mA·g^-1电流强度下循环210圈后仍有57.3%的容量保持率，并且该复合电极能够表现出378.8 Wh·kg^-1的高能量密度，即使在2677.1 W·kg^-1的高功率密度下，能量密度仍保持在187.4 Wh·kg^-1。同时由于SCC的微膨胀结构给离子的扩散提供了更宽的迁移通道，复合后电极材料表现出更小的阻抗和更高的锂离子扩散速率。优异的电化学性能为SCC的研究和应用提供了...     

氧化钨/碳纳米管膜复合负极的制备及其储锂性能

氧化钨(WO₃)因具有较高的理论比容量(693 mAh/g)已成为锂离子电池负极材料的有力候选者。但在电池充放电即锂离子脱/嵌入过程中WO₃会产生较大的体积变化,导致其放电比容量快速衰减,故对其循环稳定性研究仍是热点之一。文中采用水热法和喷涂法分别在碳纳米管膜(CMF)基底上成功合成了水热型-氧化钨/碳纳米管膜(H-WO₃/CMF)和喷涂型-氧化钨/碳纳米管膜(S-WO₃/CMF)复合电极。XRD测试结果显示H-WO₃/CMF和S-WO₃/CMF中的WO₃分别属于单斜相和六方相。将H-WO₃/CMF和S-WO₃/CMF分别组装成扣式电池进行电化学性能测试,结果表明H-WO₃/CMF的首次放电比容量高于S-WO₃/CMF。当H-WO₃/CMF以0.2 C倍率循环时,第1圈放电比容量达到635 mAh/g,循环50圈时放电比容量为510 mAh/g,仍有上升趋势; S-WO₃/CMF在0.2 C倍率下循环时,第1圈放电比容量仅为515 mAh/g,在后续循环过程中容量衰减较快。交流阻抗测试结果显示H-WO₃/CMF的导电性高于S-WO₃/CMF。研究结果表明:H-WO₃/CMF作为锂离子电池负极,有望提升WO₃的电化学稳定性。      

WS2/C复合锂离子负极材料的制备及电化学性能研究

在锂离子电池中通过固相反应合成WS₂/C复合负极材料。实验结果证实,WS₂/C复合负极材料呈片层状结构,负极材料的比表面积较高,有利于锂离子在片层间的脱出和嵌入。碳复合后,二硫化钨纳米片的层间距保持0.63 nm不变。复合的碳材料附着在硫化钨纳米片层交接处,起到良好的导电作用,有利于提高材料的导电性。复合10%C的负极材料性能最好,整体放电比容量高于未添加碳的负极材料,在100 mA/g的电流密度下循环30次,材料的放电比容量达到876 mAh/g,高于未复合碳的材料的805 mAh/g。     

锂离子电池用CuFe2O4立方颗粒负极材料的合成及其电化学性能

金属氧化物材料具有多倍于商业石墨负极的理论容量,但此类材料在储锂过程中会出现体积膨胀,导致活性物质粉化脱落,影响锂离子电池的循环寿命。以金属有机框架（MOFs）普鲁士蓝立方体为自牺牲模板合成了空心CuFe₂O₄立方颗粒,并将其作为锂离子电池的负极材料。CuFe₂O₄立方块的粒径范围在300~500 nm之间,壳层厚度为40 nm。电化学测试表明CuFe₂O₄立方颗粒在200 mA/g电流密度下循环200次后放电容量仍能达到742.4 mAh/g,出色的性能得益于颗粒的中空结构能够有效缓解因储锂而产生的体积膨胀,从而延长锂离子电池的循环寿命。      

高温固相还原法制备新型锂离子负极材料NbO及其电化学性能

以Nb和Nb2O5粉末为原料,采用高温固相还原法合成NbO电极材料。通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、激光衍射粒度分析(LDSA)、充放电测试、循环伏安(CV)测试等手段对材料的结构、形貌及电化学性能进行表征,并通过原位XRD分析测试,探究NbO作为负极材料在锂离子电池中的反应机理。结果表明:NbO用作电极材料的平均嵌锂平台在1.6 V左右。NbO对锂的插嵌机理为锂离子的直接脱嵌,是1个单相转变过程。在0.05 C(C为充放电电流倍率)下,NbO和球磨处理后(Ball-milling)的NbO-BM的首次放电容量分别为220(mA·h)/g和280(mA·h)/g,经过50次循环后,剩余容量分别为170(mA·h)/g和220(mA·h)/g     

正极材料LiNi0.8Mn0.2O2前驱体合成工艺的探究

成本低、性能稳定的无钴镍锰正极材料是目前的研究热点。采用共沉淀法制备Ni_0.8Mn_0.2(OH)₂前驱体, 用氨水作为络合剂, 探究了NH₃浓度对前驱体Ni_0.8Mn_0.2(OH)₂共沉淀的晶粒生长和形貌的影响, 以及对锂离子电池正极材料LiNi_0.8Mn_0.2O₂的晶体结构和电化学性能的影响。通过X射线衍射仪、扫描电镜、循环伏安测试、交流阻抗和电池充放电测试系统表征材料的结构、形貌和电化学性能。表征结果显示, 在0.1 C, 2.5~4.2 V化成条件下, 初始放电比容量为167 mAh/g, 充放电效率为96%。当氨水用量为45 mL时, 样品具有较优的循环性能, 在1 C倍率下, 2.5~4.2 V的电压测试范围内, 循环100次后, 放电比容量为139 mAh/g, 容量保持率为93.9%。在低倍率充放电条件下样品具有明显优于其他材料的电化学性能。      

La3+掺杂对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2结构和电化学性能的影响

采用共沉淀法制备添加了La3+的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料, 通过XPS、X射线分析仪、扫描电镜、电化学工作站、电池充放电测试系统详细地探讨了不同添加量的La3+对材料的结构、形貌和电化学性能的影响。结果显示, 与无添加的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料比较, 添加了La3+的材料一次颗粒尺寸更大, 球形度更好且材料的电极R_sf+R_ct阻抗均显示有所降低; 当添加x=0.01时, 材料的大电流循环稳定性得到了较大提升, 1 C条件下经过100次循环后, 添加La3+材料容量保持率为75.81 %, 而未添加材料容量保持率只有49.57 %; 添加了La3+材料制得的电池在0.5、1、5 C倍率下的放电比容量也要明显高于无添加材料。      

LiFePO4/CNT复合材料的制备及电化学性能

采用溶胶凝胶-微波法制备LiFePO₄/碳纳米管(CNT)复合正极材料.考察不同微波时间和CNT含量对其电化学性能的影响,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的晶型结构和表面形貌进行表征.结果表明:掺CNT量为2%(质量分数)和微波18 min所得样品有较好的电化学性能;0.1C充放电的首次放电比容量为142 mAh·g^-1,第10次循环的比容量为136 mAh·g^-1.     

静电纺丝法制备钴酸镍及其电化学性能试验研究

研究了采用静电纺丝法制备NiCo₂O₄纳米纤维前驱体，并将煅烧后的NiCo₂O₄纤维用作锂离子电池负极材料，考察了其电化学性能。结果表明：质量比2∶1的Co(NO₃)₂和Ni(NO₃)₂经电纺可制备出直径约400 nm的NiCo₂O₄纳米纤维前驱体；以NiCo₂O₄纤维作负极材料的锂离子电池首次放电比容量为1 141 mAh/g, 100次循环后放电比容量约为415 mAh/g;电池内部成分电阻仅为3.77Ω,循环性能稳定。     

锂离子电池中高容量Si-Cu/C复合负极材料的制备与性能研究

采用高能球磨方法制备了用作锂离子电池负极材料的Si—Cu／C复合材料。X射线衍射和扫描电子显微镜结果表明，复合材料中Si和Cu5Si是共存的，活性硅颗粒均匀地分散在石墨和惰性的铜硅合金基体中。电化学测试在电流密度0．2mA·cm^-2，电压范围0—1．4V条件下进行，其结果表明高分散Si—Cu／C复合材料首次可逆容量为524mAh·g^-1，远高于目前普遍使用的中间相碳微球；循环寿命也远优于同粒度的硅单体，经过30次循环后容量仍保持531mAh·g^-1。其高比容量和良好的循环性能表明：高分散Si—Cu／C复合材料有望替代碳成为锂离子电池负极材料。     

弱结晶二氧化锰超级电容器充放电分析

以等物质的量的高锰酸钾和乙酸锰为原料,采用机械化学法制备出弱结晶型α-MnO₂超级电容器电极材料.在1.2V电压内,200mA·g^-1电流密度下对对称型超级电容器进行恒流充放电测试.采用XRD法、循环伏安及交流阻抗法对充放电前后电极材料的结构以及电化学性能进行表征,首次采用求斜率法对充放电曲线分析.结果表明:超级电容器表现出法拉第电容与双电层电容的双重特征;在循环过程中,电化学惰性物质Mn₃O₄生成,循环伏安图中氧化还原峰逐渐消失;充放电曲线的法拉第电容特征逐渐消失而接近双电层电容理想曲线;超级电容器的比容量、等效串联电阻发生了对应的变化,其最大电极比容量达到416F·g^-1,经过近500次循环后,比容量为220F·g^-1.     

直接融盐法制备锂离子电池负极材料Li4/3Ti5/3O4及其电化学性能

以CH3COOLi·2H2O和锐钛矿型TiO2为原料,通过直接融盐法合成锂离子电池负极材料Li4/3Ti5/3O4,考察合成条件对材料性能的影响,并通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对样品进行物相和形貌分析.结果表明,先在70℃保温5 h或10 h,再在800℃煅烧2 h可得到纯相的Li4/3Ti5/3O4粉末,平均粒径在300nm左右,且粒径分布均匀.充放电测试表明在70℃保温5 h、800℃煅烧2 h得到的样品具有最优异的电化学性能.以0.1C倍率充放电,其首次放电容量达到172(mA·h)/g,接近理论容量,20次循环后,容量仍保持在140(mA·h)/g.与传统的固相法相比,用直接融盐法得到的材料具有较大的锂离子扩散速率、高倍率性能和循环可逆性.     

磷酸钒锂/碳复合材料在锂离子电池中的电化学性能及电极反应动力学研究

相比于溶胶-凝胶法制备的Li₃V₂(PO₄)₃/C(LVP/C-S),采用水热超声辅助流变相法结合溶液沉积法制备的Li₃V₂(PO₄)₃/C(LVP/C-R)复合正极材料具有更优异的电化学性能。通过XRD、SEM和Raman光谱仪等对合成材料进行表征。将合成材料作为锂离子电池正极组装半电池进行倍率和循环性能测试,同时通过循环伏安法、电化学阻抗以及恒流间歇滴定技术分析电极反应动力学。结果表明,水热超声辅助流变相法合成的Li₃V₂(PO₄)₃(LVP-R)通过溶液沉积法包覆碳层后,晶面间距增大,粒径更小,导电性、振实密度增大,分散性明显提升。这有利于Li⁺在正极材料中嵌入/脱出,以及缩短Li⁺的扩散路径,从而促使锂离子电池的倍率性能、库仑效率和循环稳定性提高。LVP/C-R作为锂离子电池...     

无烟煤制备高性能锂离子电池负极材料的研究

以我国资源丰富的低成本优质无烟煤为原料,经过2800 ℃高温纯化、石墨化处理,制备出锂电池用负极材料,用相同手段处理商业化石墨的前体石油焦与石墨化无烟煤作对比。通过X射线衍射（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）,拉曼光谱（Roman）和氮吸附?解吸等手段对无烟煤基负极材料进行微观结构的表征。采用恒流充放电（GCD）,循环伏安（CV）表征其电化学性能。实验结果表明,无烟煤基石墨化负极材料的石墨化度可达95.44%,比表面积为1.1319 m2·g?1,石墨片层结构平整光滑。该石墨化无烟煤作为锂离子电池的负极材料首次库伦效率为87%,在0.1C的电流密度下具有345.3 mA·h·g?1的可逆容量,且在高倍率下该材料比石墨化石油焦材料显现出更好储锂性能,这归功于石墨化无烟煤较为规则高度有序的表面结构。在不同倍率循环后电流密度恢复到0.1C时容量基本无衰减,100圈循环后可逆容量保持率高达93.8%,基本与石墨化石油焦负极相当,拥有优异的循环稳定性。无烟煤基石墨在容量、倍率性能及循环稳定性上基本接近甚至超过石墨化石油焦。本研究表明,采用优质无烟煤作为原料生产锂离子电池负极材料具有潜在的研究价值和广阔的商业前景。