超级电容器的能量限制与提升措施

介绍了超级电容器是一种新型的绿色能量存储装置,具有高功率、良好循环寿命和工作温度范围广等优点,但是其能量密度较低,甚至达不到新型锂离子电池能量密度的十分之一,成为了限制超级电容器应用的主要问题。文章指出传统超级电容器能量密度限制因素包括:仅电极表面活性物质参与反应,电极电势充放电过程中会不断变化,以及充电过程中电解液离子的消耗等。减少电解液中离子的消耗与提升电极容量成为了解决能量密度较低的有效措施,目前研究的重点包括采用混合型结构、锂离子型结构的超级电容器等。文章指出锂离子电容器结合了传统双电层电容器和锂离子电池的优势,在保持高功率密度的同时提升了能量密度,是一种极具发展前景的混动和纯电动汽车电源。由于预嵌锂的负极也可作为锂的来源,因而锂离子电池可以选择更多的正极材料,从而开启了锂离子电池研究的新大门。     

超级电容器结构及应用发展概述

超级电容器是一种介于普通电池和电容器之间的新型储能元件,本文简单介绍了超级电容器的原理和特点,并重点阐述了超级电容器电极材料和电解液的特点,包括：碳电极材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料以及水体系电解液、有机体系电解液和离子液体电解质等,并对其未来应用和发展方向提出了展望,认为其在混合动力汽车方面应用空间很大。     

锂离子电池硅基阳极预锂化研究进展

硅基阳极材料具有超高的理论比容量，是替代石墨类材料、提高锂离子电池能量密度的有效途径。但与石墨类材料相比，硅基阳极材料在首次嵌锂过程中，会大量消耗来自正极的锂离子，造成活性锂损失，形成较大的初始不可逆容量，影响材料的首次库伦效率，严重降低了锂离子电池的能量密度。预锂化技术，通过使电极材料接触额外的锂源，可以补偿锂离子电池在首次循环过程中造成的活性锂损失，是目前提高锂离子电池首次库伦效率的最有效手段，可使锂离子电池获得更高的能量密度和更好的循环性能。对当前主要的预锂化手段进行了概述，总结了各种预锂化技术的优缺点，并提出预锂化技术未来面临的挑战，为预锂化策略的实际性应用提供方向。     

双碳基电极锂离子电容器的研究进展

锂离子电容器结合了锂离子电池和超级电容器的优点，可用于新能源储能等领域。双碳基电极锂离子电容器是现阶段的主要研究方向之一，其正负极均采用碳基电极材料，利用不同碳基材料的储能优势，不仅具有资源丰富、原料环保及安全性高的优点，而且具有优越的电化学性能。首先介绍了不同双碳基电极锂离子电容器的储能机理，并进一步阐述了各种碳基正极和负极材料的性能特点、改进方向和研究现状，最后展望了未来的研究方向及可行方案。     

锂离子电池正极涂层孔隙结构优化的数值模拟

以磷酸铁锂(LFP)为正极材料的锂离子电池在电子产品、电动汽车等领域应用广泛,但其能量密度仍有待提升以进一步满足不同场景应用需求。锂离子在正极孔隙电解液中的扩散过程是LFP锂离子电池性能的控制因素之一,通过优化电极孔隙结构可以在一定程度上减小锂离子在电解质中的扩散阻力进而提升能量密度。采用准二维模型描述电池内部的传质电化学过程,考察了当锂离子电池正极孔隙存在梯度分布后对锂离子电池能量密度的影响及作用机理。通过对比孔隙率均匀分布和梯度分布的电池模拟结果,发现孔隙率的梯度分布能提高单位活性材料的利用率,提升电解质通量和电极活性材料的嵌锂量,从而增加电池能量密度。随着电极厚度的增加,孔隙率分布的梯度越大,对能量密度的提升效果越显著,研究结果对于厚电极涂层的制备工艺具有重要意义。     

表面化学反应控制制备多级结构电极材料及性能

超级电容器和锂离子电池等储能设备的研究和开发日益受到人们的关注。对于超级电容器和锂离子电池等储能设备,其电化学性能主要取决于电极材料,因此高效储能材料的制备成为开发高效储能设备的关键。本文主要介绍了多级结构过渡金属氧化物基电极材料的制备及性能,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器和锂离子电池方面的相关工作:基于表面化学反应控制制备多级结构金属氧化物、金属氢氧化物/碳嵌入式纳米杂化物以及多种三维结构的多元复合电极材料,表现出优异的电化学性能。     

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。     

锂离子电容器碳正极材料的研究进展

锂离子电容器是一种采用电容型正极材料、电池型负极材料进行组装的储能器件,结合了锂离子电池与超级电容器两者的优点,兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命。但是由于锂离子电容器还存在正负极动力学过程以及容量不匹配的问题,大大影响了锂离子电容器的电化学性能。通常锂离子电容器的功率密度取决于负极材料,而能量密度取决于正极材料,因此为提高锂离子电容器的能量密度,还需发展具有高比容量和高导电性的正极材料。目前,碳材料因具有低成本、来源广泛、高比表面积和丰富的孔道结构等特点,是一种极具应用潜力的电极材料。综述并分析了各种碳材料(包括活性炭、模板炭、石墨烯和生物炭等)作为锂离子电容器正极材料的电化学性能与优缺点,最后对锂离子电容器正极材料的研究提出了建议与展望。     

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。     

MCMB在超级电容器中的研究进展

超级电容器作为一种新型储能器件，具有快速充放电，高功率密度，长循环寿命的优势，在混合电动汽车、机械设备、智能电网等领域具有广泛的应用，但是较低的能量密度限制了其进一步发展。电极材料是超级电容器重要的组成成分，而碳材料由于其储量丰富、结构多样、成本低廉，是目前超级电容器使用最多的电极材料。在众多碳材料中，中间相炭微球(MCMBs)作为锂离子电池常用的负极材料，在超级电容器中也具有广泛的应用。本文综述了MCMB的制备，改性方法及其在超级电容器中的应用进展。     

富氧多孔炭的合成及其在电化学储能中的作用

多孔炭在电化学储能器件中具有不可或缺的作用。本文主要介绍了富氧多孔炭材料的物理化学特性、表面含氧官能团的种类及表征方法;总结了富氧多孔炭常见的合成方法并分析了各种方法的优缺点;以超级电容器和锂/钠离子电池为例,阐述了近年来富氧多孔炭材料在储能应用方面的研究进展,探讨了含氧官能团在储能过程中的作用机理;指出了富氧多孔炭应用于电极材料时高比容量与高导电性能相互制约的问题,提出理性设计多孔炭结构中含氧官能团的类型及数量,可以在保持多孔炭电化学稳定性的同时,为多孔炭提供丰富的氧化还原活性位,提高其与电解质的亲和性,从而提升储能器件的能量密度;并展望了含氧官能团原位表征技术的开发与材料先进结构组分的设计等富氧多孔炭储能电极的未来发展方向。     

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。     

多孔炭材料设计合成及电化学储能应用

多孔炭材料具有导电性好、结构稳定、资源丰富、价格低廉的天然优势，既可直接作为电极材料，构建炭基电化学储能器件，又可与非炭电活性材料复合，起到传输电子、缓冲体积膨胀及调节界面反应的作用，在电化学储能器件中一直发挥着不可或缺的作用。结合本文作者课题组的研究工作，本文总结了多孔炭制备及孔结构和形貌的调控方法，分析了各方法的优缺点；并以超级电容器、锂离子/钠离子电池和锂硫电池为代表，阐述了多孔炭材料在电化学储能领域的作用及应用研究现状，讨论了电化学储能器件对多孔炭材料的结构与性能要求，指出了多孔炭在电化学储能应用中存在的局限性，并对多孔炭在这些储能领域的研究和发展趋势做出展望。     

二次电池中金属锂负极沉脱机理研究进展

金属锂负极是下一代高比能二次电池备受关注的负极材料,以金属锂为负极的锂金属电池具备极高的理论能量密度,但其仍存在充放电循环效率低、电池寿命短等问题。要实现高能量密度高安全性的锂金属电池的合理设计和优化,需要对金属锂负极中锂金属沉积脱出过程的离子输运、电子输运、界面反应等机制机理有清晰的认识。本文针对金属锂负极中存在的枝晶生长、死锂形成、固体电解质界面膜作用等机理问题,综述了研究者们在其沉脱机理的模型与理论计算、实验研究等方面做出的诸多研究进展,为锂金属电池的合理设计提供了更全面的机理认识。     

金属有机框架衍生的0维材料在超级电容器中的应用

金属-有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)衍生的0维材料,具有比表面积大、孔隙率高、孔径可调等特点,近年来广泛用于锂离子电池、燃料电池和超级电容器等储能器件中。电极材料是决定超级电容器电化学性能的关键因素。MOFs衍生的0维材料在超级电容器中的应用具有广阔的前景。综述了MOFs衍生的0维材料在超级电容器中的研究进展,探讨了目前在该领域中存在的问题,并对其未来的发展前景进行了展望。     

超级电容器电极材料研究进展

化石燃料的枯竭、环境污染以及清洁能源输出不连续性和不稳定性是目前社会电力发展需求中的主要问题,在各种电化学储能技术中,超级电容器因具有充放电速度快、使用寿命长、功率密度大而被广泛研究。在众多影响超级电容器的因素中,电极材料对其整体性能起到决定性作用。综述了超级电容器用电极材料,如碳基材料、导电聚合物、金属氧化物和氢氧化物、金属硫化物的储能机理及其研究进展。最后,对目前电极材料研究所面临的挑战及未来发展方向进行了展望。     

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。     

锂离子电池异构建模及内部传质机理探究：粒径分布的影响

锂离子电池是目前应用较广的储能设备,具有能量密度高、使用寿命长等特点。随着锂离子电池正极材料实际能量密度接近理论值,电池组装工艺参数的优化成了提升其性能的重要途径,其中电极颗粒粒径及分布是十分重要的参数。因此,本文针对石墨-LiFePO₄体系锂离子电池,利用异构模型构建单粒径和双粒径电极的几何结构,再结合Newman模型模拟其放电过程,定量研究了正极材料粒径分布对锂离子电池性能的影响,探究了存在粒径分布的电极中不同粒径的颗粒在充放电过程的作用机制。模拟结果表明,粒径的减小可以减小固相扩散系数对电池性能的影响,但会增加液相扩散阻力;而粒径的分布可以促进锂离子在电解液中的扩散,提高小粒径颗粒的锂嵌入量,但会引起极化增大,导致大颗粒的锂嵌入量降低。粒径分布宽度越大,总体粒度越大,锂离子电池的能量密度越小。选择合适的粒径分布宽度,适当减小总体粒度的大小,能有效提升电极的能量密度。研究结果对于锂离子电池电极活性材料颗粒粒径分布的选择提供了有益的基础知识和指导。     

二维MXene材料——Ti3C2Tx在钠离子电池中的研究进展

作为第一个被制备出来的MXene材料,Ti₃C₂T_x独特的二维层状结构使其具有良好的电学、光学、力学与热电等性质,在电化学储能领域展现出巨大的潜力。由于钠储量在地球中较为丰富且远高于锂储量,因此钠离子电池具有成本低等优点,成为近几年储能领域的研究热点。主要围绕Ti₃C₂T_x的特性,介绍了其通过插层、造孔等改性方法以及与单质、金属氧化物、金属硫化物结合构成复合材料作为钠离子电池电极材料的研究进展。最后指出应采取基于钠离子脱嵌或反应的更有针对性的优化方法提升总体的电化学性能。