钠离子电容器负极材料研究进展

钠离子电容器是一种新型高性能能源储能技术,结合了超级电容器和二次电池的优点。目前钠离子电容器应用主要是在新能源领域,如风力发电、太阳能路灯、电动汽车等方面,钠离子电容器与这些产业的配套结合,将形成我国绿色能源的有效整体。本文综述了钠离子电容器的负极材料的种类,指出钠离子电容器电极材料未来的研究重点。     

高性能碳基储能材料的设计、合成与应用

电化学储能器件的性能很大程度上决定于其电极材料。碳材料具有来源广泛、化学稳定性好、易于调控、环境友好等优点,被广泛应用于各类能量存储系统,但仍存在能量密度低、倍率性能差等问题。本文从碳材料孔结构调控、杂原子掺杂、与金属氧化物复合三个角度,综述了构建高性能碳基储能材料的设计合成策略,介绍了其在锂/钠离子二次电池、超级电容器等领域的研究进展,对几种方法策略的优缺点进行了总结,并对未来的研究方向进行了展望。本文对高性能碳基储能电极材料的设计开发具有积极意义。     

序:能源存储材料和器件驱动低碳发展

一次能源的过渡消耗和城市交通的大量排放是环境污染尤其是城市雾霾的主要污染源。发展新能源和电动汽车是解决环境污染和能源枯竭的根本途径,成为我国优化能源结构、振兴能源产业的重要组成部分,也是世界各国竞相发展的新兴产业。当前,在国家一系列政策的推动下,太阳能、风能等新能源和电动汽车虽然已经取得了一定的发展,但是规模化发展难以进行,最主要原因是新能源存储和电动汽车用储能和动力电池在能量密度、功率密度和循环寿命等方面仍然不能满足理想需求。因此,发展高性能储能器件及其关键材料对推动新能源和电动汽车的发展具有重要意义。 储能器件主要包括锂离子电池和超级电容器,已经得到规模化应用,学术界和产业界重点通过开发高能量密度、高功率密度和长循环寿命电极材料来提高锂离子电池和超级电容器的综合性能。为了提高锂离子电池的安全性,固态电池及其固态电解质成为锂电池的重要研究方向;为了提高锂电池的能量密度,锂金属、硅碳、氧化物和硫化物等负极材料,富锂锰基固溶体和高镍三元正极材料也是研究重点。此外,新型储能器件如锂硫电池、钾离子电池、钠离子电池燃料电池也得到大量的研究,但主要集中在高性能电池材料开发,还未实现产业化。因此,未来需要进一步开发可实用化的电池材料,加强新型储能器件的产业化技术研究。 为了集中地报道能源存储材料和器件方面的最新研究进展,我们组织了本期专辑,内容涵盖了当前能源存储材料和器件的热点研究方向和领域,主要包括锂离子电池固态聚合物电解质、富锂锰基正极材料、三维锂金属负极、锂硫电池正极材料、超级电容器电极材料、钾离子电池炭负极材料、WS₂纳米电极材料、燃料电池催化剂等方面的研究。专辑内容系统、深入、全面,涵盖了上述领域的重要研究成果和进展,尤其包括专辑论文作者对该研究方向的理解和解读。本专辑对科研工作者及时了解该领域的发展动态和推动我国在该领域的发展将有很大帮助。 本人非常荣幸受邀作为特邀编辑组织这期专刊,诚挚感谢本期文章的所有作者,感谢他们高水平的研究论文和专题评述,感谢他们将能源存储材料和器件研究成果、研究心得和理解撰写成文贡献给本专辑,使本专辑高效率完成并与读者分享其中的精彩内容;同时感谢本专辑所引用高水平研究成果的所有作者。希望本专辑能够为我国储能材料和器件的发展和人才培养贡献力量。     

钛基复合材料用于钠离子电池负极的长循环性能研究

钠离子电池（SIBs）是一种可替代锂离子电池的绿色清洁能源。由于TiO₂具有化学稳定性好和廉价易得的优点,被作为一种优异的插入式负极材料广泛应用于钠离子电池。通过溶胶-凝胶法合成TiO₂@MWCNTs纳米复合材料,并利用X射线衍射、透射电子显微镜和扫描电子显微镜对复合材料的晶体结构和形貌进行表征。以TiO₂@MWCNTs纳米材料为负极组装钠离子电池,并对其电化学性能进行测试。在0.1 A/g电流密度下,该电池的初始放电容量可达477 mA·h/g,在循环1 000圈以后,放电容量仍然可以保持在181 mA·h/g,呈现出优异的长循环性能。     

全固态电池用硫系玻璃电解质材料研究进展EI北大核心CSCD

综述了锂/钠离子硫系玻璃或玻璃陶瓷电解质材料的最新研究进展,总结了基于硫系玻璃电解质材料的全固态电池应用中存在的与电极材料界面稳定性、固–固界面接触性以及锂穿刺等关键技术问题,并展望了新型硫系玻璃/玻璃陶瓷电解质材料关键技术研发策略和全固态电池应用探索的发展方向。     

石墨相氮化碳改性及其在电化学能源转换和储存中的应用

针对石墨相氮化碳(g-C3N4)在电化学能源转换和储存领域的应用,总结了材料的制备和改性方法,对比了这些方法的优缺点;重点介绍了其在电催化、超级电容器、锂硫电池、锂离子电池等方面的应用进展;最后对g-C3N4作为电化学能源材料存在的问题及其未来研究方向进行了展望.     

全固态电池用硫系玻璃电解质材料研究进展

综述了锂/钠离子硫系玻璃或玻璃陶瓷电解质材料的最新研究进展,总结了基于硫系玻璃电解质材料的全固态电池应用中存在的与电极材料界面稳定性、固–固界面接触性以及锂穿刺等关键技术问题,并展望了新型硫系玻璃/玻璃陶瓷电解质材料关键技术研发策略和全固态电池应用探索的发展方向。     

计算机模拟在不同类型离子电池电极材料中的研究进展

高能量密度储能装置的锂硫电池和钠离子电池等新型电池体系正在迅速发展。简要概述了锂离子电池、锂硫电池和钠离子电池的正负极材料,着重就第一性原理、分子动力学、蒙特卡罗及有限元方法在电极材料中的研究进展,以及在材料的晶体结构、电子结构、离子的输运过程、材料中的温度和应力分布以及掺杂改性等方面的应用进行了综述,对计算模拟技术在电极材料中的应用前景进行了展望。这些理论研究成果将有助于加深对材料和电池性能之间关系的理解,并对新电池体系材料的设计和研发具有理论指导意义。     

锂离子电池用Na-Mn-O材料的合成及应用

Na-Mn-O材料可作为离子交换法制备层状LiMnO2的前体,同时也可以直接作为锂离子电池的正极材料,被认为是锂二次电池研究中很有前景的新型材料。本文重点介绍了Na-Mn-O材料的晶体结构、制备方法,以及以该材料为前体,通过离子交换法合成的LixMnO2正极材料的结构与电化学性能。同时讨论了Na-Mn-O材料在锂二次电池、钠离子电池以及其它一些方面的应用,分析了Na-Mn-O材料作为未来锂二次电池正极材料的发展趋势。     

钴酸镍基纳米材料在超级电容器中的研究进展

电极材料是决定超级电容器性能的关键因素。钴酸镍纳米材料因其合成简单,价格低廉,储量丰富且理论比电容较高等优点,成为超级电容器电极材料的研究热点。但钴酸镍纳米材料导电率较低、比表面积较小且电化学稳定性较差等缺点严重影响了其实际应用。本文简单介绍了钴酸镍纳米材料的晶体结构以及其作为超级电容器电极材料时的储能机理,同时结合一些示例归纳总结了钴酸镍基纳米材料的制备方法以及钴酸镍纳米材料的改性研究现状,包括形貌改性、复合改性及引入缺陷。最后指出,钴酸镍基纳米材料的环保且高效的制备方法,通过掺杂或缺陷等方法改善其电化学性能,增大其工作电压窗口以及探索适用于钴酸镍基超级电容器工作的电解液,将是未来研究的重点。     

钠离子电池正极材料Na3V2（PO4）3研究进展

作为新一代可充电钠离子电池（SIBs）正极材料,Na₃V₂（PO₄）₃（NVP）具有理论容量大、化学稳定性好、使用寿命长、天然丰度高、价格低廉等优点,因此,受到了广泛的关注。综述了近年来NVP正极材料的储钠机理、制备方法和改性研究的最新进展。基于固有的晶体结构和离子迁移机制,总结了NVP正极材料的储钠机理。评价了不同制备方法对NVP正极材料的形貌、粒度分布、结晶度等的影响规律。此外,针对NVP正极材料严重的体积效应、电子导电率低、界面兼容性差等问题,总结了主流的改性方法。最后,展望了NVP正极材料在未来大规模储能领域的应用前景,阐述了其在电子导电率低以及体积效应等方面的挑战,并指明了在可控制备NVP以及开发高压电解液等方面的潜在研究方向。     

A review on cobalt phosphate-based materials as emerging catalysts for water splitting

Electrolytic water splitting is the most effective approach for the production of oxygen and hydrogen as it uses water as a feedstock which is non-toxic, green, and inexpensive. Hydrogen generation by electrolysis of water is an important process for the production of renewable energy resources. The high cost, less abundance, poor stability, and carbon monoxide poisoning of currently used noble metals as electrocatalyst is the bottleneck of this technology. These limitations can be conquered by using transition metal phosphates. In particular, cobalt phosphate-based materials show favorable performance and stability for electrolytic water splitting. Furthermore, cobalt phosphates in combination with semiconductors act as a co-catalyst in solar water oxidation. The variable oxidation state of cobalt is beneficial for fast electron transfer. The phosphate group due to its unique lattice structure helps in the adsorption and dissociation of water on the surface of the electrode. This review will provide a brief outline of the structure and activity relation between cobalt phosphate-based materials. The electrocatalytic applications of these materials in water oxidation, hydrogen generation, and overall water splitting have also been discussed. The role of cobalt phosphate-based materials in water splitting using solar radiation is thoroughly explained. In the end, a diverse range of synthesis methods, challenges, and future prospects have been presented.     

磷基负极材料在金属离子电池中的现状与趋势

新能源汽车的高速发展,对电池材料的能量密度提出更高的要求。磷由于具有比容量高、倍率性好、资源丰富、价格低廉等特性而被视为最具潜力的金属离子电池负极材料之一。针对磷基负极材料在电化学循环过程中存在的体积膨胀率大、循环性能差、导电性差等缺点,将磷与不同材料复合可以提升其电化学性能。本文重点综述了红磷与不同碳材料的复合,复合材料的制备方法、结构设计以及每种复合材料对电化学性能的影响、每种材料的不足及改进措施：天然多孔碳与红磷结合既可保证材料的电化学性能又可控制材料的成本,逐渐成为一种趋势。接着,综述了以红磷为原料制备不同金属磷化物的研究进展,包括不同金属磷化物的晶体结构、制备方法、电化学循环过程中的氧化还原机制以及每种金属磷化物的研究意义 不同金属磷化物用在合适的特定工作环境下可以取得事半功倍的效果。最后,对磷基材料在金属离子电池中的应用前景进行了展望：研究过程以密度泛函理论、第一性原理等手段指导磷基材料的设计,采用真空和超重力等方式对红磷转化加以控制,最终实现对磷基材料大规模、低成本、高安全的应用。     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。     

超级电容器用活性炭国产化关键化学与化工问题

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长和安全可靠等优点,在电动汽车、轨道交通、新能源、电磁弹射和激光武器等领域已广泛应用。然而,作为超级电容器的关键电极材料——活性炭,始终未实现国产化,一直依赖从日本和韩国进口,极大地制约了国内超级电容器及其下游产业的发展。本文综述了超级电容器用活性炭的理化性能对其电化学性能的影响,介绍了国内外超级电容器用活性炭产业现状,指出了其生产过程中制约产品品质的典型传质和传热等化工问题。文章提出,应在现有活性炭基础上建立全面合理的超级电容器用活性炭指标体系,从而指导其国产化工艺开发。针对其生产工艺和装备开展仿真模拟研究,以解决国产炭材料批次稳定性和一致性的问题,保障超级电容器行业关键材料自主可控。     

高稳定碱性离子膜分子设计研究进展

以阴离子交换膜（碱性离子膜）为基础的能量转化与储能过程十分重要,包括碱性膜燃料电池、碱性膜电解水制氢等,该类电膜过程对未来能源结构会产生深远影响。现有阴离子交换膜存在耐碱性差、性能衰减显著的问题,严重制约高效能源储存及转化技术发展。为了获得高稳定的碱性离子膜,近年来,围绕耐碱高分子材料的分子设计开展大量工作。本综述从碱性膜材料的高分子骨架和阳离子基团两个角度出发,针对膜材料耐碱性,重点阐述聚烯烃和聚芳基的主链结构,以及非金属中心、金属中心,两类阳离子的分子结构设计策略,展望高稳定碱性膜的结构设计规律及主要挑战,为设计与合成高性能碱性离子膜,满足清洁能源转化与储能膜过程提供新思路。     

锂镍钴锰氧正极材料的热聚合法制备及性能表征研究

经过几十年的发展,锂离子电池由于其在能量密度、循环寿命等方面的优势,在小心电子产品上获得了广泛的应用。在目前的商业化锂离子电池产业中,应用最广泛的正极材料是由Good enough等开发的LiCoO2材料,但是其有毒、热稳定性差等特点,导致其难以得到进一步的应用。因此,通过开发他们的复合材料成为了锂离子电池正极材料开发的主要研究方向之一。论文主要对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料的热聚合法制备及性能表征进行了一定的研究。     

紊流循环法合成超细磷酸锂及表征

采用共沉淀法在紊流循环方式下制备超细磷酸锂的一种新工艺,探索了氢氧化锂和磷酸在紊流循环釜中制备超细磷酸锂的反应条件,用X射线粉末衍射、激光粒度仪、扫描电镜、比表面及孔隙分析仪及热分析仪对产物的晶体结构、粒度分布、外观形貌、比表面积以及热稳定性进行了表征。结果表明该方法制得的磷酸锂热稳定性好,粒度分布窄（D₅₀=3.25 mm）,比表面积（BET）为13.38 m²·g^-1,为一种分散均匀的超细粉体材料,可望成为一种高活性的锂离子电池正极材料原材料或电解质添加剂。     

钌基碱性电解水制氢催化剂研究进展

碱性电解水具有操作易实现、设备费用低和寿命长的特点,是目前应用最广泛的将可再生资源转化为氢能的技术。但电解水存在能耗高的问题,因此需要高效催化剂提高能量转化效率。钌具有与铂相近的金属-氢键强度,是极具前景的制氢催化剂。综述了近年来钌基催化剂的制备及其碱性电解水制氢反应的最新研究进展。与廉价过渡金属材料相比,钌基催化剂具有优异的电化学活性和稳定性,是一种很有前景的析氢材料。以目前主要研究的钌金属及其合金、钌基磷化物、钌基硫化物、钌基硒化物为代表,分别进行了简要的介绍和评价,最后提出了钌基电催化剂在制氢应用中存在的问题和未来的发展方向。