双功能氮氧化钛-碳涂层提升高容量锂离子电池用SiOx的储锂性能(英文)

非化学计量微米氧化硅(SiO_x)由于其高理论容量和低成本,有望成为锂离子电池石墨负极材料的替代品.然而, SiO_x的实际应用仍然受到其较差的固有导电性和循环过程中明显的体积变化的阻碍.在本工作中,为了同时解决这些问题,我们使用可规模化的溶剂热和热还原方法制备了具有TiO_1-yN_y-C涂层的SiO_x基负极材料(SiO_x@TiON-C).我们通过系统性研究发现, TiO_1-yN_y-C涂层可以适应SiO_x循环过程中大的体积变化且有效提高其导电性.因此, SiO_x@TiON-C负极具有突出的储锂性能.具体而言, SiO_x@TiON-C负极可以在500 mA g^-1的电流密度下循环500圈后仍保持750.2 mA h g^-1的优异可逆容量, 75.1%的初始库仑效率和优异的倍率性能.这项工作为促进下一代锂离子电池微...     

将硅纳米颗粒限域在多壳层空心球:一种提升循环稳定性的有效策略（英文）

单质硅是一种有潜力的高容量锂离子电池负极材料.然而,受限于充放电过程中巨大的体积膨胀,其循环性能并不理想.在这个工作中,我们设计了一种独特的三组分复合负极材料(Si/Cr₂O₃/C),其中Si纳米颗粒被限域在碳包覆的氧化铬多层空心球(MSHSs)中.得益于Cr₂O₃/C基体的体积变化缓冲能力与优异的结构稳定性,将Si纳米颗粒封装在MSHSs中可以有效地提高其电化学性能.合理的结构设计赋予了Si/Cr₂O₃/C三组分复合材料高的可逆容量(在100 mA g^-1的电流密度下,比容量为1351 mA h g^-1)和稳定的循环性能(在500 mA g^-1的电流密度下,循环300次后比容量保持在716 mA h g^-1).这一工作提出了一种多壳层空心结构设计的新思路,以解决硅基负极材料循环性差的瓶颈.     

电子堆积工程调控二硒化镍纳米片助力具有快速动力学的钠离子电池（英文）

近年来,钠离子电池电极材料引起了研究者们极大的兴趣.过渡金属硒化物具有高钠离子存储容量,是一种具有前景的钠离子电池负极材料.然而,该类材料较低的电导率以及钠离子脱嵌过程中巨大的体积膨胀,导致了其较差的钠离子电池倍率性能和循环寿命.本工作采用二维的双金属有机框架材料为模板,设计制造了多孔铁掺杂NiSe₂纳米片材料(Fe-NiSe₂@C NSs),该结构具有充分暴露的活性位点,增强的电导率,丰富的空隙和短电子传输路径,易于适应钠离子脱嵌带来的体积膨胀应力,并具有快速的电荷转移动力学.作为钠离子电池负极材料时,Fe-NiSe₂@C NSs表现出高比容量(5 A g^-1电流密度下为302 mA h g^-1)和优异的循环稳定性(5 A g^-1的电流密度下循环1000圈容量保持率为99%).此外,该材料在与Na₃V₂(PO₄)₂O₂F正极材料组成的钠离子全电池...     

弹性MXene上垂直生长缺陷1T′-ReSe2纳米片实现快速稳定钾离子存储(英文)

过渡金属二硫族化合物(TMDs)用作钾离子电池(KIBs)负极时存在反应动力学缓慢及结构稳定性不足等难题,导致其循环和倍率性能差,使得其应用严重受限.在本文中,我们将Te掺杂的1T′-ReSe₂负载在MXene上构建了高性能KIBs负极(Te-ReSe₂/MXene).该超结构利用缺陷化的Te-ReSe₂与自调节弹性MXene的协同效应,表现出高可逆容量(0.1 A g^-1电流密度下循环200圈后为361.1 m A h g^-1),优异的倍率性能(20 A g^-1电流密度下为179.3 m A h g^-1)和超长的循环寿命(5 A g^-1电流密度下循环2000圈后为202.8 m A h g^-1),并能实现柔性全电池的稳定运行,是目前所有TMDs基负极展示的最好性能之一.动力学分析和理论计算表明,该材料具有出色的赝电容特性,高电导率和优异的K⁺吸附/扩散能力,显著提升了...     

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。     

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。     

强耦合氧化钼氮碳复合材料的制备及其锂离子存储性能研究（英文）

氧化钼(MoO₃)是一种具有吸引力的锂离子电池(LIBs)负极材料;然而,其导电性低、锂化后体积膨胀大、锂离子扩散动力学缓慢等特点严重限制了其实际应用.本文中,我们利用高量Mo/N掺杂的碳前驱材料合成了超细的MoO₃纳米颗粒(NPs,10-15 nm),所合成的MoO₃NPs被限制在原位生成的N掺杂碳网络结构中.这种设计既促进了快速的电子传导,又缩短了锂离子扩散路径;同时,MoO₃表面丰富的氮物种和氧缺陷有助于降低锂离子的吸附能垒,这些共同支持了MoO₃ NPs在高电流倍率下耐久储锂性能的提升.值得注意的是,所获得的NCMoO₃纳米复合材料表现出1362 mA h g-1(0.1 A g^-1)的较高容量,并在10.0 A g^-1时保持394 mA h g^-1的可逆容量.全电池测试表明:在大倍率5 C下,LiFePO₄//NC-MoO₃-400电池仍...     

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...     

柔性活化碳纤维膜用于钾离子电池负极材料

钾离子电池是一种安全、可靠、低成本的新型电化学储能器件,但其负极存在容量小、动力学缓慢和循环稳定性差等问题。本工作利用静电纺丝技术结合空气活化方法制备了活性碳纤维柔性自支撑电极。活性碳纤维的三维多孔道网络结构有利于提高电极与电解液的浸润性和促进钾离子扩散。同时,氧和氮的共掺杂提供了额外的氧化还原位点,提高了储钾容量。作为钾离子电池负极材料,优化后的活性碳纤维在0.05 A·g^-1的电流密度下平均可逆容量达到363.7 mAh·g^-1,且在1.0 A·g^-1的电流密度下经过2 500次循环后容量保持率为88.5%。     

石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12对Si/C负极表面固体电解质中间相的调控机制研究

硅(Si)负极在充放电过程中巨大的体积变化会导致固态电解质中间相(SEI)破裂和硅颗粒粉化, 进而造成容量快速衰减。本研究报道了一种利用Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂(LLZTO)固体电解质调节Si/C负极表面SEI成分的策略。将LLZTO层均匀地涂覆在商用化聚丙烯(PP)隔膜表面, 不仅提高了电解液对隔膜的润湿性, 均匀化锂离子通量, 并且增大了SEI中无机组分的比例, 从而增强Si/C负极的界面稳定性。得益于上述优势, 使用LLZTO修饰的PP隔膜所组装的锂离子电池表现出更为优异的循环稳定性和倍率性能。Li-Si/C半电池的可逆容量为876 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=1.5 A·g^-1)的倍率下, 200次循环的容量保持率为81%; 而LFP-Si/C全电池的比容量为125 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=170 mA·g^-1)的倍率下循环100次后容量保持率为91.8%。该工作中LLZTO固体电解质调节了Si/C负极表面SEI成分, 为开发高性能硅基锂离子电池提供了新思路。     

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。     

还原氧化石墨烯原位包覆纳米MnTiO3颗粒的简易合成及储锂性能研究

对于高能量密度的锂离子电池而言, 研究稳定、高容量负极材料的需求十分迫切。基于此, 本工作设计了一种简单有效的溶胶-凝胶法, 来合成高性能的被还原石墨烯氧化物原位包覆的MnTiO₃纳米颗粒(MnTiO₃@rGO)。合成的MnTiO₃纳米粒子分散均匀, 被少层的石墨烯包裹。由于还原氧化石墨烯的高电导率, MnTiO₃@rGO作为锂离子电池负极表现出优异的倍率性能, 在5.0 A·g^-1的高电流密度时, MnTiO₃@rGO展现出了286 mAh·g^-1的比容量。此外, 得益于MnTiO₃@rGO的多孔结构和柔性的还原氧化石墨烯外层, MnTiO₃@rGO负极具有显著的长期循环稳定性。在500个循环后, 比容量仍保持在441 mAh·g^-1, 仅损失了8.4%。结果表明, 该方法对提高金属氧化物负极的导电性和循环稳定性具有较高的应用价值。     

碗状C@FeS2@NC复合材料的制备及其电化学性能

在二氧化硅微球表面包覆一层酚醛树脂并在高温下将其转化为碳壳,然后进行溶剂热反应、多巴胺包覆、高温硫化以及氢氧化钠刻蚀,制备出碗状C@FeS₂@NC(氮掺杂碳层)复合材料。这种复合材料具有开放性三维碗状结构,能释放体积变化产生的应力,其较大的比表面积(70.67 m²·g^-1)有很多的活性点位。内外双层碳壳提高了这种复合材料的导电性并提供了稳定的机械结构,外层NC具有很好的保护作用。将这种复合材料用作锂离子电池负极,在0.2 A·g^-1电流密度下首圈放电比容量和充电比容量分别为954.3 mAh·g^-1和847.2 mAh·g^-1,对应的首圈库伦效率为88.78%。循环100圈后,其放电比容量稳定在793.8 mAh·g^-1。     

碳纳米管包覆的MoS2锂电负极材料制备及其性能研究

二硫化钼(MoS₂)作为一种出色的二维层状材料,是锂离子电池负极的理想候选材料。然而,由于MoS₂二维层状结构的堆叠性、充放电过程中的体积膨胀以及自身的低电导率等问题,限制了其在锂离子电池中的发展。文章将MoS₂与有机碳源葡萄糖复合,合成出了MoS₂@C的复合材料,实验表明,不同含量葡萄糖碳化后形成的碳纳米管对水热生长存在MoS₂明显的影响,通过调控葡萄糖的含量合成出在碳纳米管内层生长的MoS₂@C复合材料,其具有较高的比容量,以及更好的结构稳定性,在充放电过程中的比容量衰减更小。其作为锂离子电池负极材料时,在0.2 Ag^-1的电流密度下循环100次后保持680.7 mAhg-1的比容量;在1 Ag^-1的电流密度下,循环1000次后仍可保持580.9 mAhg^-1的可逆比容量。同时,分析了MoS₂@C在水热过程中的硫化反应进程,为合理制备MoS₂与...     

基于转化-合金化机制的钠离子电池PbSe@CNTs负极材料（英文）

钠离子电池作为新型的储能电池体系因钠资源储量丰富、成本低廉等优势有望填补锂离子电池在某些应用领域的空缺,非常适用于大规模储能领域.然而,高容量储钠负极材料仍然需要进一步研究.本文以废旧铅酸电池的回收铅和商业化硒粉为原料,采用机械球磨法制备了纳米硒化铅与碳纳米管(PbSe@CNTs)的复合材料.碳纳米管网络缠绕在PbSe纳米粒子上,可有效抑制纳米粒子的团聚,同时提高了电子导电性.纳米级的PbSe和拓扑结构的CNTs有利于电解液的渗透,缩短了Na+和电子的传输路径,缓解了脱嵌钠过程中的机械应变,提高了倍率和长循环稳定性能.PbSe@CNTs电极在20 mA g^-1电流密度下具有597 mA h g^-1的可逆比容量,在100 m A g^-1循环100圈仍保持458.9 mA h g^-1的可逆比容量,容量保持率为88%.通过X射线衍射和拉曼光谱分析,证实了PbSe的储钠机理为两步转化-合金化过程,反应方程式为PbSe+5.75Na⁺+5.75e^-?0.25Na     

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...     

用于锂离子电池的四嗪环连接的共轭微孔聚合物电极性能研究

共轭微孔聚合物因其交联多孔的骨架及高度共轭的结构,在锂离子电池电极材料领域具有巨大的应用前景。以四嗪作为连接单元,构筑了具有氧化还原活性的共轭微孔聚合物TZF和TBFZ,并对该共轭微孔聚合物作为锂离子电池负极材料的性能进行了测试。结果表明,由于具有更丰富的活性单元四嗪环以及更低的最低未占分子轨道能级,TZF展现出比TBFZ更好的电化学性能。此外,在不同的电流密度下循环后,TZF比容量均有不同程度的提高。当电流密度为0.1C时,循环250次后比充电容量从62增加到108.6 mAh·g^-1;电流密度为1.0C时,循环1000次后比充电容量从40提高到139 mAh·g^-1,并且库伦效率始终接近100%,表明TZF作为锂离子电池负极材料具有良好的氧化还原活性及循环稳定性。     

杨梅状碳包覆四氧化三铁复合材料的制备及锂离子电池负极性能

Fe₃O₄被认为是一种储锂性能优异的锂离子电池负极材料,但目前仍存在导电性差和充放电过程体积膨胀问题。文中以L-精氨酸、对苯二甲醛和九水硝酸铁为原料,通过溶剂热反应得到铁离子掺杂L-精氨酸聚合物(W-Fe₃O₄@NC precursors),随后高温热解制备了杨梅状碳包覆四氧化三铁(W-Fe₃O₄@NC)复合负极材料。对W-Fe₃O₄@NC的形貌、表面化学结构、孔隙率和在锂离子电池负极中的电化学性能进行了表征。结果表明,得益于独特的杨梅状形貌、有益的氮掺杂、高度分散的Fe₃O₄纳米微粒和均匀的碳包覆,W-Fe₃O₄@NC在1 A/g电流密度下循环800圈后比容量高达815.1 m Ah/g,在5 A/g的大电流密度下,比容量仍保持在232 mAh/g,循环稳定性和倍率性能显著优于纯碳材料(NC)和市售Fe₃     

活化剂对大豆壳制备的多孔碳材料储锂性能的影响

生物质多孔碳材料因来源广泛、性价比高,被广泛应用在锂离子电池中,而制备过程中使用的活化剂对材料储锂性能影响较大。因此,以大豆壳为碳源,在不同工艺条件下制备多孔碳材料,通过结构表征和电化学性能测试,考察活化剂对多孔碳材料储锂性能的影响。研究表明：(1)当电流密度为185 mA·g^-1,电压范围为0～3.0 V时,经CaCl₂活化的多孔碳材料(DK-CaCl₂)的首次放充电比容量为639.0/269.5 mA·h·g^-1,而KOH活化的多孔碳(DK-KOH)的首次放充电比容量为986.7/307.5 mA·h·g^-1;(2)大豆壳∶KOH的质量比分别为1∶2、1∶4和1∶8时,得到的多孔碳的首次放充电比容量为544.9/136.8、986.7/307.5和375.1/93.4 mA·h·g^(-1),200次循环后放电比容量分别为88.8、318.9和94.7 mA·h·g^-1。这说明不同活化剂及不同活化比例制备的多孔...