锂硫电池用杂原子掺杂碳纳米管/硫复合柔性自支撑正极的制备及电化学性能研究

碳纳米管膜具有丰富的孔道结构、大比表面积、高导电性及优异的柔性,可通过负载硫形成柔性碳纳米管/硫复合膜,用于锂硫电池正极材料。为了提高锂硫电池的循环稳定性,抑制“穿梭效应”,通过浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)分别制备了氮掺杂和硼掺杂的碳纳米管膜(N-CNT膜和B-CNT膜),然后通过浸渍工艺负载硫后得到掺杂型碳纳米管/硫复合柔性自支撑正极膜。微观表征显示：复合膜中硫和碳纳米管在纳米尺度复合均匀。复合膜均具有良好导电性：CNT正极电导率为4.62S/m, N-CNT正极电导率为0.86S/m, B-CNT正极电导率为1.29S/m。作为锂硫电池正极,B-CNT正极表现出最佳性能：在0.2C倍率下首次放电容量达到1197.3mAh/g, 200次循环后容量保持在950.2mAh/g, 1C倍率下放电比容量仍旧保持在615.5mAh/g。分析认为：碳纳米管良好的导电性和丰富的孔结构同时提供了高效的电子和离子传输通道;硼原子掺杂向碳纳米管引入极性,增强了碳纳米管网络对聚硫离子的吸附作用,抑制了“穿梭效应”。可为高比容、高循环稳定性锂硫电池正极材料研发提供解决思路。     

基体碳材料对锂硫电池性能影响的研究

采用乙炔黑、土状石墨、Cabot Vulcan XC-72炭黑、Cabot Bp2000超级导电炭黑作为硫载体制备了一系列含硫复合材料。通过X射线粉末晶体衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析(BET)等分析测试手段对材料的物理性能进行表征,利用电池测试系统对材料的电化学性能进行了测试。结果表明基体材料表面结构、孔径分布及比表面积等因素都对复合材料的电化学性能造成影响,综合性能最好的基体材料为BP2000超级导电炭黑,其初始放电比容量高达1385.1mAh/g,在室温下经过30次循环之后电池放电比容量仍保持在1080.2mAh/g,容量保持率高达78%。     

锂硫电池柔性正极材料研究进展

随着化石能源的日渐枯竭、能源危机和环境问题的日益突出,开发环境友好的二次电池能源体系迫在眉睫。锂硫电池作为一种新型的储能电池,其理论比容量高达1 675 mAh/g,质量密度可达2 600 Wh/kg,且原材料来源广、成本低等优点,使得其有望代替锂离子电池成为下一代理想的能源电池。近年来,可穿戴电子设备、智能纺织品的出现,对储能电池提出了更高的要求—柔性,因此开发柔性锂硫电池已经成为研究热点。作为锂硫电池的重要组成部分,柔性正极材料的研究和制备对柔性锂硫电池系统的开发至关重要。从锂硫电池柔性正极基体材料入手,对碳材料、导电聚合物材料和新兴的MOF材料等3个方面进行了分类总结,详细阐述了各自制备方法及对柔性正极性能影响。碳材料高的导电性和多孔结构设计、导电聚合物和MOF材料对多硫化物优异的化学吸附作用,均有助于抑制多硫化物的"穿梭效应",提升柔性锂硫电池的长循环电化学稳定性能。最后分析了现有锂硫电池柔性正极材料存在的缺陷与问题,对未来发展方向做出了展望。这将为开发新型的锂硫电池用柔性正极材料提供指导,同时为其它二次电池柔性正极材料开发过程中的共性问题提供实验和理论依据。     

以荷叶制备多级孔碳硫复合正极材料及性能研究

以荷叶为原料, 采用多阶炭化的方法, 得到高比表面积(572.1 m²/g)和存在大量多级孔尤其微孔(平均孔径3.31 nm)结构居多的炭骨架, 继而用高能球磨法及熔融法与单质硫进行复合制备出不同含硫量(48wt%, 62wt%, 71wt%)碳/硫复合材料。通过XRD、FESEM、EDS和TG对材料结构和形貌进行表征, 结果表明硫被均匀固定在多孔碳材料的类石墨烯层状结构和类微米棒结构中。充放电测试表明, 62wt%含硫量的复合正极材料性能表现最佳, 在0.1C, 1.2~2.8 V范围内充放电, 首次放电比容量达1246 mAh/g, 100次循环后依旧保持在600 mAh/g, 制备出的复合正极材料对多硫化物的“穿梭效应”起到了抑制作用。     

锂硫电池自支撑正极材料的研究进展

锂硫电池具有1675 mAh·g-1的理论比容量,丰富的硫资源,低成本和环境友好等优点,将是下一代最具潜力的高能量密度储能电池之一.然而单质硫的绝缘性、多硫化物的穿梭效应以及活性硫的低含量和低面载量等问题,是导致锂硫电池的实际能量密度低、容量衰减快的主要原因.锂硫电池正极材料的设计与构筑至关重要,自支撑的硫正极材料不需...     

锂硫电池石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能

以经活化处理的石墨烯(AG)为主体材料, 通过化学还原法制备了石墨烯负载硫的复合正极材料AG/S。SEM、EDX和TEM测试结果表明经活化处理后形成手风琴结构的AG, 有利于电解液的浸润; 活性物质硫均匀地负载在AG表面, 同时沉积在AG的层间。电化学测试表明: 在400 mA/g电流密度下, AG/S复合正极材料首次放电比容量为1452.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在909.7 mAh/g; 在1000 mA/g电流密度下, AG/S复合材料首次放电比容量为1309.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在717.1 mAh/g。AG/S复合正极材料的倍率性能、库仑效率和循环性能优异, 这得益于小尺寸的硫在材料中均匀分布, 活化石墨烯优良的导电性以及其结构对硫的固化作用。     

高性能锂硫电池碳基硫宿主的研究进展

“双碳”战略要求新型储能器件具备更高的能量密度和更低的成本。锂硫电池因其低成本、环保和高比能(2600 Wh kg^-1)等优势,而成为储能领域中最具潜能的电池体系,已受到了广泛的关注及研究。近年来,锂硫电池已取得了系列进展,但仍面临一些问题与挑战,包括硫固有的电荷传输效率差、可溶性多硫化物的“穿梭效应”、充放电过程中的剧烈体积膨胀及锂枝晶的生长等,这些问题会导致锂硫电池性能下降甚至失效。碳基硫宿主具有多孔、高电导、轻质、大比表面积等优点,能够有效解决以上难题,已成为锂硫电池研究领域中的重要方向。而碳材料种类繁多,有碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米片、碳纳米花等,不同形貌或具备不同纳米尺度维度的碳纳米结构对锂硫电池的性能具有不同的影响规律。基于此,本文围绕高性能锂硫电池碳基硫宿主进行综述,分类综述了一维、二维、及多维复合碳材料在锂硫电池领域的应用及其性能,阐述不同维度碳基硫宿主对其电化学性能的影响规律,并对未来的研究方向进行了一定的展望。     

锂/硫电池的研究现状、问题及挑战

锂/硫电池是以金属锂为负极、单质硫为正极而构筑的二次电池体系。锂/硫电池具有高的理论能量密度 (2600 Wh/kg), 成为最具发展潜力的高能化学电源体系。但这种基于溶解?沉积反应的锂/硫电池体系仍面临一些无法避免的问题, 包括金属锂负极的显著结构变化、硫正极材料存在的活性物质利用率低和循环性能差等缺点, 制约了锂/硫电池的发展。本文结合近年来关于锂/硫电池的突破进展, 简要阐述了锂/硫电池的研究现状、问题及面临的挑战。     

面向锂硫电池的高负载量碳硫复合正极材料研究进展

在近20多年的发展过程中,锂离子电池已经越来越接近于其理论能量密度的极限,并且随着化石能源消耗和电动车需求量的增加,锂离子电池已经不能满足于社会的需要,寻找可替代的绿色新能源也变得愈发重要。其中,锂硫电池是最有希望代替锂离子电池,成为下一代电化学储能系统的电池之一。由于硫的无毒性、低成本和高的能量密度等优势,使得锂硫电池吸引了研究者们的广泛关注。硫作为锂硫电池中非常重要的一部分——正极材料,对于电池的循环寿命、循环稳定性、能量密度、库伦效率等方面产生了非常重要的影响。但是锂硫电池中存在的关键问题亦限制了其实际应用,例如硫的导电性差、多硫化物中间体的"穿梭效应"、较低的硫负载量、大的体积膨胀以及复杂的内部反应机理等。为了提高锂硫电池整体的性能,设计具有高的比表面积、优越的导电性以及更多的活性位点的基底材料来负载硫变得越来越重要。为解决这些问题,研究者们设计了各种不同材料来进行硫的负载,例如碳-硫复合材料、金属氧化物-硫复合材料、聚合物-硫复合材料等。其中由于碳材料具有密度低、比表面积大、导电性好、结构多样、易于加工制备和价格低廉等优点,引起了研究者们的广泛关注,因此研究者们相继实现了用一维、二维以及三维等不同结构的碳材料来负载硫,使得锂硫电池的循环寿命、循环稳定性和库伦效率得到了有效的提高。虽然在循环寿命等方面,研究者们做出了很大的贡献,但是硫的负载量却有限,从而导致电池整体的能量密度仍然很低。从商业化的角度来看,电池能量密度的高低才是研究者们关注的重点,因此研究者们在提高其性能的同时,也在不断地提高硫的负载量,以求达到更高的能量密度。本文主要从四个方面进行了相关总结:首先,概述了锂硫电池最新发展状况;其次,概要介绍了锂硫电池中存在的反应机理和阻碍锂硫电池发展的主要问题;再次,重点总结了提高锂硫电池的性能和载硫量方面的研究进展,并简单介绍了面载量、面容量和电解液与硫的比值对电池整体性能的影响;最后,总结和展望了锂硫电池未来可能的发展方向。     

聚苯胺包覆蛋白石页岩/硫复合材料的制备及其电化学性能

以蛋白石页岩为载硫体, 通过化学沉积法制备蛋白石页岩/硫复合材料, 再利用化学氧化聚合法在其表面包覆一层聚苯胺, 制备出一种新型的蛋白石页岩/硫-聚苯胺复合材料, 作为锂硫电池的正极材料。SEM、TEM和BET等测试结果表明蛋白石页岩呈层状多孔结构, 小尺寸硫在材料内分布均匀,聚苯胺包覆的厚度约为400 nm。电化学性能测试表明, 蛋白石页岩/硫-聚苯胺正极活化后放电比容量最高达到1164.93 mAh/g, 在0.5C (1.0C=1675 mA/g)倍率下, 循环300次后放电比容量为539.30 mAh/g, 库伦效率始终保持在95%以上, 说明蛋白石页岩具有良好的吸附性, 同时导电聚苯胺包覆层具有双效固硫的作用, 有利于吸附多硫化物和抑制穿梭效应。     

电纺FeMnO3纳米纤维毛毡的制备及电化学性能研究

本研究以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、九水硝酸铁和四水合醋酸锰为原料, 无水乙醇和N,N-二甲基甲酰胺为溶剂, 配置了均一稳定的前驱体纺丝液, 利用静电纺丝技术制备了PVP/Mn(COOH)₂/Fe(NO₃)₃复合纳米纤维, 高温煅烧后得到了锰酸铁(FeMnO₃)纳米纤维毛毡, 用其作为锂电池负极材料。利用红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和BET比表面积分析仪等研究样品的表观形貌与晶型结构。结果表明: 煅烧后制得的FeMnO₃纳米纤维毛毡具有良好的形貌结构, 比表面积为9.9 m2/g, 当温度达到470 ℃后, 曲线变得平缓, 热重损失不明显。充放电、循环伏安以及循环性能测试结果表明, FeMnO₃纳米纤维毛毡具有良好的电化学性能及电稳定性, 首次充电比容量为1264 mAh/g, 在50 mA/g电流密度下经过37次循环后其比容量仍保持在533 mAh/g; 在循环50次后, 阻抗约为170 Ω, 基本保持不变。     

NiO薄膜电极的电沉积制备及其性能研究

采用阴极电解沉积法成功制备了可用于薄膜锂离子电池的NiO薄膜电极,并对其进行了表征,测试了其电化学性能.研究表明,在溶液浓度为0.05mol/L,温度为80℃,电流密度为0.3mA/cm2条件下沉积1h,并经过热处理制备的NiO薄膜电极属立方结构,首次放电容量达到928mAh/g,在78μA/cm2的电流密度下循环10次后仍保持702mAh/g,表现出良好的电化学性能.     

水系钠离子电池普鲁士蓝正极材料的制备与电化学性能研究

普鲁士蓝(PB)是一种金属有机骨架配合物, 作为正极材料在水系钠离子电池中有广泛的应用前景。本文采用单一源法制备PB, 系统研究了反应温度、反应时间以及盐酸浓度对PB形貌结构和电化学性能的影响。研究结果表明, 升高反应温度能提高PB结晶性和循环稳定性, 以80 ℃合成的PB为正极材料组装的电池在100圈充放电循环后容量保持率为93.9%。延长反应时间可以使PB粒径增大, 但是反应时间超过6 h后PB粒径基本保持不变。延长反应时间有利于提高循环性能, 10 h所合成PB组装的电池在100圈充放电循环后容量保持率可以达到90%。提高盐酸浓度会改变PB的表面形貌, 同时改善电化学性能。盐酸浓度为0.20 mol/L时, 所得PB组装的电池经过100个循环后, 比容量仍有67.5 mAh/g。本研究可以为制备高性能PB基水系钠离子电池提供理论和实验指导。     

AgNWs-TPU/PVDF柔性薄膜电容传感器的制备和性能

用醇还原法制备长径比约为800的银纳米线(AgNWs)并分散成网状结构,用溶液流延法使用聚偏氟乙烯(PVDF)和不同质量分数的聚氨酯(TPU)制备柔韧性PVDF/TPU复合薄膜,然后将AgNWs网固定在PVDF/TPU柔性薄膜的表面作为电容的极板制备出柔性薄膜电容式传感器.用扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见光谱和X...     

石墨烯修饰的柔性多彩电热致变色薄膜的制备及性能研究

通过化学氧化还原法并辅以抽滤法制备RGO导电薄膜, 通过丝网印刷法制备变色层, 构筑了多层结构的多彩(红-蓝-白以及橙红-黄-白等)柔性电热致变色薄膜。采用SEM、XRD以及Raman等分析薄膜的结构性质。采用红外热成像以及吸收光谱研究了薄膜(红-蓝-白)的热学以及变色性能。结果表明：当加热时间为3.4 s时, 薄膜温度能达到38℃, 变为蓝色; 当加热时间为6.3 s时, 薄膜温度达到45℃, 变为白色。在较低电压下(6 V), 该薄膜能实现多色彩可逆变色, 其变色时间约为6.3 s, 褪色时间约为9.2 s。该柔性电热致变色薄膜以混合纤维素滤膜为基体, 保证了薄膜良好的柔性, 在可穿戴显示领域有着一定的应用价值。     

基于Fe/Co-MOF制备的高性能镍铁电池铁电极及其电化学性能

铁电极是构筑高性能镍铁电池的关键。本文报道了一种基于Fe/Co-MOF制备镍铁电池铁电极的新思路,并系统研究了该材料的电化学性能。XRD、SEM和HRTEM等结果表明,Fe/Co-MOF烧结产物以八面体颗粒为主,主要由Fe_3O_4相及少量Fe-Co合金构成。作为镍铁电池的阳极时,相比于未加入Co的材料,目标材料的电化学性能得到了明显改善。Fe/Co-MOF烧结产物的放电平台稳定在1.18V,比Fe-MOF烧结产物的放电平台(1.10V)高约0.08V。尽管Fe/Co-MOF烧结产物在前10次循环出现了明显的容量衰减,但之后保持了较好的循环稳定性能,在1.0A·g-1电流密度下循环90次后比容量稳定在233.1mAh·g-1,而Fe-MOF烧结后产物的比容量仅为181.2mAh·g-1。交流阻抗结果显示Fe/Co-MOF烧结产物表现出更低的电荷传递阻抗。     

自支撑氮掺杂石墨烯纸柔性电极的制备及其储锂性能的研究

以氧化石墨烯(GO)为原料,尿素为氮掺杂剂,采用固/气界面水热反应的方式,即在反应釜内将GO抽滤得到的氧化石墨烯纸(GOP)与尿素分解产生的氨蒸气相互作用,成功制备出自支撑氮掺杂石墨烯纸(NGP)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(RS)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试对样品进行形貌结构及电化学性能的表征。测试结果表明:水热条件下尿素能有效地实现氧化石墨烯纸的氮掺杂,氮掺杂量为7.89%;氮掺杂石墨烯纸在100mA/g和500mA/g的电流密度下,充放电循环100周之后,放电比容量可分别保持在288mAh/g和190mAh/g。采用改进的固/气界面水热反应法制备的氮掺杂石墨烯纸较未掺杂石墨烯纸可逆比容量提高了近2.5倍,具有良好的循环稳定性,可为制备高性能的柔性锂离子电池负极材料提供新方法。     

钒电解液的绿色制备及其热力学分析

以分析纯V₂O₅为原料, 利用双氧水还原的方法制备钒电解液, 并对五氧化二钒的溶解机理进行了研究. 通过UV-Vis光谱分析和ICP, 对钒电解液在电解过程中钒离子的价态变化和浓度变化进行表征. 通过计算, 得到了钒电解液制备的反应焓变和吉布斯自由能变化, 结果表明: 生成硫酸氧钒的反应为放热反应, 并且该反应促进了五价钒离子的溶解. 将所制备的电解液组装成动态电池, 在电流密度为2.4 mA/cm²时, 电池的电流效率、电压效率、能量效率分别为93.6%、98.1%和91.9%, 充放电结果表明: 所制备的电解液具有很好的活性, 可以应用于钒电池.