黑磷基储钠负极材料的研究进展

钠离子电池被认为是商业化锂离子电池最有前景的替代品而受到了极大关注。然而,嵌入型碳基负极材料的固有低比容量导致相对低的能量密度,极大地限制了其未来的应用。研究新型电极材料是研制新一代钠离子电池的基础。目前磷资源丰富,理论比容量高,可用于电池负极材料。综述单一黑磷及黑磷基复合材料作为钠离子电池负极材料的最新研究成果,阐述近几年黑磷基复合材料作为负极在储钠领域的研究进展,分析复合材料的制备及结构形貌对电化学性能的影响等,并展望黑磷基储钠负极材料的未来发展方向。     

钠离子电池碳基负极材料研究进展

钠离子电池由于其资源丰富和原材料成本低的特点,成为锂离子电池潜在的替代产品。然而,同高倍率、高循环稳定性的钠离子电池正极材料相比,负极材料的开发相对滞后,这限制了钠离子电池的商业化运行。碳基负极材料具有资源丰富、导电性能好、循环性能稳定、无毒等优势,受到了研究人员和产业界的广泛关注。针对不同种类的碳基材料展开论述,讨论了影响碳基负极材料储钠性能的关键因素和储钠性能的优化策略,并对该领域最新的研究进展和所面临的挑战进行了展望。     

钠离子电池负极材料的储钠机制及性能研究进展

绿色能源的应用,促使着电化学储能与转换技术的飞速发展。锂离子电池作为储能领域最成功的二次离子电池之一,已被应用于各种电子产品中,但是由于锂资源短缺造成锂离子电池的成本增加,限制了其在大规模储能设备领域的应用。因此,寻找价格低廉、性能优异的二次离子电池是当下的研究热门之一。钠离子电池不仅拥有和锂离子电池相似的工作原理,而且还具有成本低、资源丰度大和可逆容量高的特点,有望成功地代替锂离子电池而应用于商业化生产。本工作主要综述了钠离子电池负极材料的性能研究进展,首先根据钠离子在负极材料存储方式不同,分析归纳了负极材料的插层反应、合金化反应和转换反应三种储钠机制,然后介绍了负极材料的结构修改、元素掺杂和材料复合三种改性方式,随后重点介绍了碳基材料、钛基材料、合金类材料、转换类材料和有机材料等几种关键的钠离子电池负极材料的电化学性能和所面临的问题,最后,以实际生产和工业应用为基础,展望了钠离子电池负极材料的研究方向。     

室温钠离子电池用高性能碳材料研究进展

随着大规模储能领域对性价比要求的日益提升,室温钠离子电池有望成为新一代能源存储器件。在多种备选材料中,出于综合性能、成本和安全性考虑,碳基材料是最具实用潜力的钠离子电池负极材料之一。值得注意的是,体相扩散型碳和表面吸附型碳在储钠位点、电化学行为和设计思路上有很大区别。综述了两类碳材料近年来的研究进展,探讨了储钠机理、电解液匹配以及关键性能提升等问题。最后,对钠离子电池碳基负极材料研究面临的挑战及未来发展方向进行了展望。     

锂离子电池硅基负极电解液成膜添加剂的研究进展

锂离子电池是能源储存和利用的一项关键技术,能量密度已成为现代电池发展中的一个关键指标。硅基负极由于其较高的理论比容量,得到广泛关注,但硅基材料存在严重的体积膨胀问题。功能性添加剂对电池性能有明显的改善效果,是电解液体系不可缺少的部分,具有“用量小,见效快”的特点,通过成膜添加剂形成稳定的固态电解质界面（SEI）膜进而稳定电极电解液界面,改善硅基负极电池性能。本文总结了近年来硅基负极电解液成膜添加剂的研究进展,对成膜添加剂按照官能团或元素进行分类论述,并对多组分成膜添加剂的协同作用进行了简要阐述。最后,针对目前硅基负极电解液添加剂的研究现状进行了总结,并展望了未来的研究方向。     

基于电化学反应机理的钠离子电池负极材料研究进展

钠离子电池作为一种新型的储能体系,与比较成熟的锂离子电池体系相比,不仅是元素的变化,更重要的是电化学反应机理的变化。简要分析了钠离子电池的优点,以负极材料的电化学反应机理为基础,归纳概括了近期钠离子负极材料的研究进展,主要分为碳材料、合金类材料、过渡金属氧化物和硫化物及有机化合物四类,并介绍了相应材料的电化学性能,为开发综合性能优异的钠离子负极材料提供理论基础。     

基于石墨烯的钠离子电池负极材料研究进展

钠离子电池是一种低成本的新型储能器件,被称为是锂离子电池的换代版。文章介绍了用于基于石墨烯的钠离子电池负极材料的国内外研究现状,并对目前石墨烯基材料用于钠离子电池负极材料时存在的问题进行了讨论,为今后的研究提出建议。     

锂离子电池新型负极材料的研究进展

锂离子电池作为一种电源应用很广泛,但是在应用中存在一些不足,选取电化学性能良好的正负极材料是提高和改善锂离子电池电化学性能最重要的因素。从新型碳材料、硅基负极材料、锡基负极材料三方面介绍了目前锂离子电池的研究状况,并展望了锂离子电池负极材料的发展趋势。     

锂离子电池硅负极粘结材料的研究进展

硅基负极材料因具有较高的理论比容量 4200 mAh/g，已成为国内外新能源锂离子电池负极材料领域研究热点课题。然而，由于硅基材料体积膨胀率高达400%，经多次充放电循环后，硅颗粒会发生破裂和粉化使其在电极基体上易脱落，从而导致电池容量衰减快、寿命短的技术缺陷。为缓解硅颗粒巨大体积变化产生的应力以及维持电极完整性，国内外科学研究者们从电池组成上出发，对活性材料、导电剂、粘结剂、电解液等进行系统研究，其中对聚合物粘结剂改性是一种实现其高寿命、抗衰减的有效手段之一。基于锂离子硅基负极材料优异特性及粘结材料的研究现状，综述了硅基负极组成、结构、性能、作用原理、分子间作用机制以及负极粘结剂的分子结构设计，探讨其对硅基锂离子电池电化学性能的影响规律，为锂离子电池硅基负极粘结材料的应用与开发提供理论和实践指导。     

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。     

Room Temperature Ionic Liquid-based Electrolytes as an Alternative to Carbonate-based Electrolytes

The issue of the safety of Li-ion batteries is becoming more critical with the increase in their size for applications in large energy storage devices, such as hybrid electric vehicles (HEVs), and energy storage systems (ESSs) for smart grids. The thermal runaway of Li-ion batteries is considered to be caused by their flammable components, such as the volatile carbonate solvents of electrolytes. Room temperature ionic liquids (RTILs) have recently received much attention because of their characteristics of non-flammability and non-volatility. In addition, RTILs show high ionic conductivity and a wide electrochemical stability window. Therefore, RTIL-based electrolytes are considered one of the most promising candidates to improve the safety of Na-ion, as well as Li-ion batteries; indeed, RTIL-based electrolytes have shown excellent improvements in terms of thermal stability and electrochemical performance. This review provides a comprehensive overview of selected RTIL materials, including their physicochemical and electrochemical properties. Moreover, we discuss the failure mechanisms of certain RTIL-based electrolytes with various electrodes to suggest alternative strategies for improving their electrochemical performance.     

Aqueous processing based novel composite electrode for Li-ion batteries using an environmentally benign binder

Along with the high energy density and safer battery materials, easy and environment benign electrode processing is also one of the major concerns for the battery manufacturing industries. Therefore, herein, water-based electrode processing is used which reduces manufacturing cost and makes easy and cost-effective recycling of discarded batteries. In addition, the increasing use of Li-ion batteries from portable electronics to electric vehicles has imposed a threat to the environment due to hazardous materials used. The present study also focuses on the replacement of polyvinylidene difluoride (PVDF) non-conducting binder dissolves in toxic solvent N-methyl 2-pyrrolidone with water-soluble poly (3,4-ethylene dioxythiophene): poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) conducting binder. The entire study is performed on the synergistic effect of PEDOT:PSS with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs or MC) and carbon black (CB) on Li-ion battery performance using LiFePO₄ cathode active material. The discharge capacities were found 144 mAh g⁻¹ and 160 mAh g⁻¹ at 0.1C for composite electrodes LFP/CB-9P and LFP/MC-9P, respectively having 9 wt% PEDOT:PSS. Whereas the composite electrodes LFP/CB-10PV and LFP/MC-10PV having 10 wt% PVDF binder show only capacities 117 mAh g⁻¹ and 134 mAh g⁻¹, respectively. The composite electrode LFP/MC-9P shows the highest capacities up to 20C rate and maximum retention capacity of 84% at 5C after 500 cycles among all samples studied. Whereas electrodes prepared with PVDF binder could not perform well at more than 5C current rate, capacity retention is also found nearly 0% after 500 cycles. Therefore, superior results of PEDOT:PSS and MWCNTs with LiFePO₄ propose an environmentally benign composite electrode of next generation Li-ion batteries for electric vehicles.     

镍锰酸锂正极材料及其适配性电解液研究最新进展

随着新能源汽车产业的蓬勃发展,对高能量密度动力电池的需求日益迫切。开发高电压正极材料及其适配性电解液,成为下一代高能量密度动力电池的主要研究方向。镍锰酸锂（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）材料以其高电压（4.7 V,vs.Li/Li ⁺）、高能量密度（达650 W·h/kg）、资源丰富且价格低廉而受到广泛关注。然而,镍锰酸锂材料在长期的充放电循环过程中,锰从电极材料中溶解,破坏了电极材料的结构,导致电池性能恶化。介绍了镍锰酸锂正极材料及其适配性电解液研究最新进展。指出离子掺杂、表面包覆、复合方法是改善镍锰酸锂电化学性能的有效途径。同时,通过引入成膜添加剂、改变锂盐的种类及浓度、调整主溶剂的种类及比例等方法,可以提高电解液的耐高压性能,提高镍锰酸锂电极与电解液的界面稳定性,也是提升镍锰酸锂电池性能的重要方法。最后提出,适用于锂离子电池的5 V高电压电解液的研发相对滞后,其是制约高电压电池体系应用的主要问题。     

锂离子电池电极中多级孔道结构设计

在较高充放电速率下,锂电池电极中Li⁺扩散受限严重,致使电池性能显著降低。为了减弱扩散限制,设计电极的孔结构是一种行之有效的方法。本工作以LiCoO₂正极为模型电极,利用建立的二维模型,优化了电极中含低曲折因子孔道的多级孔道结构。这些低曲折因子孔道可作为Li⁺传输的“高速公路”,优化其孔隙率和孔径,可大幅度提升高放电倍率下的能量密度。低曲折因子孔道的最佳孔隙率高度依赖于其孔径,其直径小于10 μm较优。当电极厚度为200 μm且总孔隙率为0.36时,优化后的多级孔电极相比于传统电极,能量密度可提高45.9%~91.4%。此外,当Li⁺的扩散限制较弱时（例如,电极厚度≤50 μm和总孔隙率≥0.48）,优化电极的多级孔结构并不会显著提升电极性能。本工作可为锂电池电极中多级孔道结构的设计提供一定的指导。     

Chemically engineered graphene oxide as high performance cathode materials for Li-ion batteries

The development of environment-friendly electrode materials is highly desired for the clean and sustainable Li-ion batteries (LIBs) system. Organic cathode materials that involve conducting polymers, organic carbonyl/sulfur compounds are expected to be promising candidates for future LIBs with a concept of “green and sustainable”. However, their battery performances are relatively worse than that of inorganic counterparts due to their low electronic conductivity and unwanted dissolution reactions occurring in electrolytes. Aimed to alter their performances, we herein focuses on the preparation of upgraded organic materials by chemical engineering of graphene oxide (GO) and the systematic study of their electrochemical performance as positive electrodes for LIBs. The obtained decarboxylated GO and carbonylated/hydroxylated GO electrodes show significantly enhanced electrochemical performance compared with that of the GO electrode. Our results demonstrate that the manipulation of oxygen functional groups on GO is an effective strategy to greatly improve the Li storage property of GO-based materials for advanced LIBs cathodes.     

固态金属锂电池研究进展：外部压力和内部应力的影响

固态锂金属电池具有理论能量密度高、安全性高等优势,是极有前景的下一代储能系统。然而,固体电极与固体电解质之间有限的固–固接触严重阻碍了界面离子的传输。因此,增加外部压力是增加固–固接触及延长电池循环寿命的重要途径。同时,在充放电过程中,电极体积变化产生的内应力也将影响电池界面特性。通过介绍两种基本物理接触模型,结合硫化物、氧化物、聚合物电解质以及金属锂的物理性质,综述了外压和内部应力对电解质、电极及电池的影响。最后,对外压力与内应力在全固态金属锂电池中的作用进行了总结和展望。     

锂离子电池正极材料研究的进展

锂离子电池由于有高能量密度、高输出电压、无记忆效应和无环境污染等优点,得到越来越多的应用。作者简述了锂离子电池的结构和充放电原理,详细介绍了近年来应用于锂离子电池的一些正极材料。并讨论了它们的优缺点及在锂离子电池中的应用前景。指出今后电极材料的研究与开发重点将朝着高比容量、高充放电效率、高循环性能以及低成本方向发展。     

High energy density Li-ion capacitor assembled with all graphene-based electrodes

To meet the higher requirement of energy storage units, novel devices combining high power performance of supercapacitor and high energy density of Li-ion battery are in urgent demand. Herein we designed and fabricated a Li-ion capacitor device, which is composed of an electrochemical double layer capacitance electrode as the positive electrode and a Li-ion battery type electrode as the negative electrode. Both electrodes consist of graphene-based active materials: a three-dimensional graphene-based porous carbon material with ultrahigh specific surface area, appropriate pore size distribution and excellent conductivity for the positive electrode, and a flash-reduced graphene oxide with open-pore structure and superior rate capability for the negative electrode. With the benefit of the Li-ion capacitor structure, the device exhibits a comprehensive and excellent electrochemical performance in terms of high operating voltage (4.2 V), ultrahigh energy density of 148.3 Wh kg⁻¹ (with power density of 141 W kg⁻¹), maximum power density of 7800 W kg⁻¹ (with energy density kept at 71.5 Wh kg⁻¹) and long cycle life. Such a superior performance indicates that the Li-ion capacitor could be a promising novel energy storage device for wide applications in fast, high efficient and long life energy storage systems.     

固态金属锂负极界面研究进展

开发下一代高安全性、高能量密度电池是电动汽车、可穿戴便携电子设备与可再生能源高效利用的关键。固态金属锂电池是极有希望的下一代电池体系。本文首先综述了固态电解质与界面特性,包括固态电解质中的离子传输机理和固态电解质分类,指出金属锂电极与固态电解质之间有限的固-固界面接触是固态金属锂电池实用化的重要挑战,其界面演变特性主导了固态电池的性能表现。界面演变是机械-化学-电化学耦合的过程。其次,文章综述了电池界面失效机制与构筑策略,指出界面失效包括枝晶状沉积引发的电池短路与空穴累积、副反应导致的电化学界面脱触等,使用界面润湿剂、引入界面缓冲层或构造三维多孔骨架结构化电极等是解决界面问题的重要手段。最后,文章总结指出,固态金属锂电池仍有巨大的进步空间,先进的理论研究和表征手段为进一步认识和理解固-固界面提供了新的机遇,通过界面化学、材料科学、系统工程等领域的交叉共融,有望共同推动下一代高安全、高能量密度固态储能技术的发展。     

全固态锂离子电池技术进展及现状

锂离子电池电解质多为有机液体,易燃易爆、安全性差。用固态电解质制备的全固态锂离子电池,具有电化学窗口宽、能量密度大和安全性高等优点,是电动汽车和规模化储能应用的理想化学电源。本工作主要介绍了全固态电解质的电解质材料及电极/电解质界面调控与机理问题,为改善固/固界面相容性及降低界面阻抗方面提供解决方案。阐述了目前主流的正负极材料、全固态锂离子电池的设计及目前的专利申请状况,简要讨论了全固态锂离子电池面临的主要问题,并从产业应用角度展望了其应用现状和未来发展趋势,为从业者全面了解全固态电池的发展提供有利依据。