高功率锂离子电池研究进展

高功率快放型锂离子电池是目前锂离子电池领域研究的重点方向之一。为了获得具有高功率密度的锂离子电池,正极材料须具有较高的电压和较高的电子与离子导电率,正极材料主要包括高电压钴酸锂、镍锰酸锂和高电压三元材料,负极材料包括碳系材料、钛基材料和金属氧化物材料,以及为提高首效和降低负极电位而采用的预嵌锂方法,并对锂离子电池电解液用锂盐、溶剂和添加剂进行了综述。最终总结了功率密度测试方法,并对高功率锂离子电池的研究进行展望。      

La_(0.8)Zn_(0.2)MnO_3固体电解质的制备及导电性能

以Mn(NO3)2、La(NO3)3.6H2O和Zn(NO3)2.6H2O为原料,通过溶胶-凝胶法制备单一钙钛矿结构La0.8Zn0.2MnO3(LZMO)。对合成后的LZMO凝胶进行自蔓延燃烧。XRD分析表明,高于873K煅烧后得到的LZMO,粉体形成了钙钛矿结构且没其他杂相。在673~973 K条件下,空气气氛中,用两端阻塞的交流阻抗方法研究了由1 073 K煅烧所得的钙钛矿材料LZMO离子导电性能,表明了该材料在中高温条件下已经具有了非常好的离子导电性能,673~973 K固体电解质的导电率为1.3×10-3~7.4×10-2Ω-1.m-1。应用Arrhenius公式对离子导电的活化能进行计算,求得离子导电活化能为70.17 kJ/mol。     

水系锌离子电池钒基正极材料储能机制、存在的问题及其改性策略

中性或弱酸性体系下的水系锌离子电池(AZIBs)因高安全、低成本及高能量密度等特性成为近年来研究的热点。其中，备受关注的钒基化合物具有比容量高、结构灵活多样等优点在AZIBs领域展现出了广阔的市场应用前景。主要总结了钒基材料的4种反应机制并叙述了钒基正极材料在AZIBs中的研究进展，在AZIBs中，Zn²⁺有着较大的离子半径，随着循环的进行Zn²⁺不断嵌入/脱出，引起材料结构的变化，从而导致活性物质从导电集流体上脱落，严重影响电池的循环寿命；钒基材料本身的导电性能较差，不利于电子的转移；钒基材料在AZIBs中的电压窗口比较窄。针对这些问题，主要从离子和分子预嵌、表面修饰和复合材料制备、缺陷设计及金属离子掺杂、自支撑电极结构设计、电解液优化等5个方面进行了总结，并对未来AZIBs钒基正极材料的研究方向进行了总结与展望。     

磷酸钒盐在水系锌离子电池中的应用

锂离子电池因锂资源储量有限、分布不均及一定的安全问题,导致其在大型储能领域的应用受限.水系锌离子电池因其资源丰富、安全环保、易于组装以及价格低廉等优势在大规模储能领域具有极大前景.但是由于锌离子与正极材料基体具有较强的静电吸附作用,导致其动力学缓慢以及部分正极材料在水系电解液中存在溶解等问题,限制了水系锌离子电池的发展.在目前的正极材料中,磷酸钒盐因其结构稳定、电压平台高、功率密度高等特点受到研究者的关注.然而,磷酸钒盐作为水系锌离子电池正极材料时,较差的电子电导率和溶解问题,制约其循环稳定性和倍率容量.本文综述各类磷酸钒盐及其衍生物的物相结构、合成方法、储锌性能和储锌机制,归纳提高电化学性能的方法如构建纳米结构、调节电子结构、包覆导电材料、调控电解液等.最后,总结了磷酸钒盐储锌正极材料现阶段存在的挑战,并对其未来的发展方向提出了展望.     

混合导电材料电导率的测试方法研究

研究在N_2中利用直流扫描电压法、直流偏压法、交流阻抗谱法三种方法,分别测定了两类混合导电材料的电子电导率。研究发现,对于以电子导电为主的镧锶钴铁氧化物(LSCF)材料和以离子导电为主的LSCF与钐掺杂氧化铈(SDC)混合材料,该三种方法测量的结果在误差范围内都近似相同。说明此三种方法在测试混合导电材料的电子电导率上同样适用。     

纳米TiO_2电子传输层制备方法及其钙钛矿太阳能电池性能

采用旋涂法(SC)、原子层沉积(ALD)和磁控溅射(MS)3种方法制备二氧化钛(TiO_2)致密籽晶层并生长TiO_2纳米柱层(TiO_2 nanorod layer),研究了由TiO_2致密层(TiO_2 compact layer)和TiO_2纳米柱层组成的纳米TiO_2层(nano-TiO_2 layer)的形貌结构及其作为电子传输层(ETL)对钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对制备的纳米TiO_2层的结构、形貌进行了表征。研究发现采用磁控溅射制备的TiO_2籽晶层的表面粗糙度最大,为26.6 nm,有利于生长TiO_2纳米柱层,生长的金红石型晶体结构的TiO_2纳米柱具有最好的结晶性。采用紫外可见吸收光谱(ultravioletvisible absorption spectroscopy)对掺氟的SnO_2透明导电玻璃(FTO)/纳米TiO_2层/钙钛矿层结构的光吸收性能进行分析。采用电流-电压曲线(I-V曲线)对不同纳米TiO_2层的钙钛矿太阳能电池性能进行了测试分析。结果表明,与旋涂法、原子层沉积方法相比,采用磁控溅射制备的纳米TiO_2层作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有最佳的转换效率。     

过渡金属硫化物镁离子电池正极材料研究进展

镁离子电池作为高电压、高能量可充式电池的典范,已成为储能领域的科研重点和市场热点,开发可逆循环性好、与电解液良好兼容的正极活性材料是提升镁离子电池综合性能的关键。经研究发现,过渡金属硫化物(TMDCs)更加有利于镁离子在分子层间的嵌入和脱出,展现出较好的储镁能力。在介绍镁离子电池工作原理及关键材料的基础上,对近年来有关具有层状结构的MoS2和TiS2、块状堆积结构的谢弗雷尔(Chevrel)相以及其他过渡金属硫化物在镁离子电池正极材料方面的应用研究进行了梳理和总结,并对存在的问题和今后的研究重点以及发展趋势进行了阐述,希望能对今后有关提升镁离子电池综合性能研究起到一定的借鉴作用。     

稀土氧化物的导电性质

稀土氧化物是一组具有混合导电性质的半导体,即电子导电与离子导电。不同的材料其二种导电的比例是不同的。电子导电指半导体的电子或空穴导电。离子导电指氧离子在氧空位中移动,随温度升高而加剧,随氧分压升高而抑制,利用这种性质,可分别用做热敏电阻和固体电解质。     

水系钠离子电池负极材料NaTi2(PO4)3的研究进展

近年来,水系钠离子电池由于原材料储量丰富、安全可靠、环境友好等优势在电化学储能系统中引起了愈加广泛的关注与研究。在已报道的诸多水系钠离子电池负极材料中,具有超离子导体结构的NaTi₂(PO₄)₃(NTP)成为最具代表性的负极材料。然而,由于NTP固有的本征电子导电性差与不可逆的“溶解-沉淀”行为阻碍了其进一步实际应用。本文综述了近几年来NTP及其复合材料作为负极材料在水系钠离子电池中的研究进展,总结了NTP改性的主要方法,包括表面修饰、尺寸形貌控制和掺杂取代,并对每种改性措施进行了详细论述。最后对NTP作为水系钠离子电池负极材料的应用前景进行了展望。     

中国科学院物理研究所揭示二硫化钼嵌锂诱导结构相变的原子机制

正层状金属硫化物体系具有多变的原子配位结构和电子结构,电子和声子之间存在很强的相互作用。层间较弱的范德瓦尔斯力使得可以通过嵌入各种功能化的分子和离子来调控材料的性质。二硫化钼(MoS2)及其插层化合物在很多方面具有重要的应用价值,例如制备催化剂、吸附剂、固体电解质、感应器、电致变色显示器以及二次锂离子电池等。因此MoS2中的嵌入化学以及嵌入化合物的物理和化学性质在基础研究和实际应用中都受到高度关注。锂     

碳纳米管导电浆料的制备及其对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 电化学性能的影响

用CVD法制备碳纳米管,通过强酸超声处理后溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中制备成碳纳米管导电浆料,利用XRD,SEM,BET考察了制备的碳纳米管导电剂浆料的结构和表面形貌,并考察了其作为导电剂对LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂锂离子电池电化学性能的影响;研究结果表明经过王水处理后的碳纳米管获得了更好的分散性,并且得到了更多的介孔。添加了碳纳米管导电浆料的电池首次放电比容量是186.1 mAh/g,而未添加碳纳米管导电浆料的电池首次放电比容量是181.2 mAh/g。添加了碳纳米管导电浆料的电池循环性能更好,100次循环容量保持率是95.95%;添加了碳纳米管导电浆料的电池大倍率性能优越,在2C、3C、5C倍率下要明显高于单独用SP做导电剂的电池(1 C=180mA/g)。并且,添加碳纳米管导电浆料的电池电极界面阻抗要小。      

阳极微结构对等离子喷涂金属支撑 SOFC 的电池性能的影响研究

阳极微结构尤其是表面结构的调控对固体氧化物燃料电池 (SOFC) 的极化与性能具有显著的影响。大气等 离子喷涂 (APS) 和高温烧结是金属支撑 SOFC 阳极功能层最常用的两种制备方法。本文采用 APS 和高温烧结两 种制备方法,在相同的金属支撑体上沉积阳极功能层以获得具有不同阳极 / 电解质界面结构的 SOFC。对两种阳 极功能层的组织结构、表面粗糙度、比表面积和物相构成进行了研究。结果表明,两种方法制备的阳极组织形貌 差别较大,高温烧结的阳极功能层表面具有良好的平整度,而 APS 制备的阳极功能层呈现出典型的层状结构, 表面粗糙度和比表面积较大。从断面形貌中可以看出,高温烧结阳极电池的电解质功能层厚度均一,两种电池阳 极与电解质功能层之间均结合紧密。两种电池的输出性能结果表明,APS 阳极电池具有较高的输出性能和较低的 电极极化阻抗。     

Li4SiO4-Y2O3的溶胶-凝胶法合成及离子导电性研究

用溶胶-凝胶法制备了Li4SiO4-xY2O3(x=0～0.5)离子导体材料,并用DTA-TG、XRD及交流阻抗等技术对样品进行了测试,结果发现用溶胶-凝胶法可降低Li4SiO4的合成温度并可提高离子的导电性,适量Y2O3的掺入可增强基质的致密性,并可提高材料的导电性能.     

TiO_2包覆层结晶度对染料敏化太阳能电池性能的影响

二氧化钛(TiO_2)纳米颗粒广泛应用于染料敏化太阳能电池的光阳极。设计了一种以TiO_2纳米颗粒包覆Ag纳米线阵列的异质结作为光阳极的新型结构的染料敏化太阳能电池。通过控制水热反应温度制备了两种具有不同结晶度的TiO_2纳米颗粒包覆层,利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射分析(XRD)对包覆层的形貌和晶体结构进行了表征,通过I-V曲线和紫外光电子能谱(UPS)分析了TiO_2包覆层的结晶度对电池性能的影响。结果表明:TiO_2包覆层的结晶度对组装后的电池效率具有显著影响,TiO_2结晶度较低的电池具有较高的开路电压(Voc),结晶度较高的电池具有较大的短路电流密度(Jsc)。理论分析表明:电池开路电压的差异来源于TiO_2包覆层结晶度不同导致的电子结构的变化;而短路电流密度的差异则是由光阳极表面积大小和电子从染料激发态向TiO_2导带注入效率不同造成的。     

Li-CO_2电池正极材料研究进展

随着新能源汽车的发展,可充电的能循环使用的高能量密度电池迎来了巨大的发展契机,由于Li离子电池的超高能量密度,稳定的循环性能,引发了人们广泛的关注与研究,Li-CO_2电池作为一种新型的Li离子电池,由于节能减排以及温室效应的影响下,也渐渐成为了研究热点。目前,对于Li-CO_2电池的研究,主要集中在正极电极材料上,经历了KB到纳米碳材料的过程,如今使用石墨烯作为正极材料,放电比容量已经达到14722 m Ag~(-1),并达到了超过20个周期的循环周期,已初具使用价值,具备极大的研究潜力和前景。     

YCrO_3电解质固体氧化物燃料电池制备及性能研究

采用溶胶–凝胶法制备YCr_(0.9)M_(0.1)O_3(M为Cr和Co)两种材料粉体,用共压法在370MPa压强下制成单电池。XRD结果显示1 000℃下煅烧的两种粉体都形成了很好的钙钛矿结构相,无明显杂相生成。电池横断面的SEM图显示电池内部电解质层较为致密,无断裂和分层现象。离子过滤法研究结果证明YC电解质中的载流子应该是氧离子。YCC电解质电池在550℃取得了197.97mW/cm2最大功率密度。对YC粉体材料进行XPS表征发现其表面存在氧空位,且经过燃料电池性能测试后的YC电解质材料表面的氧空位浓度显著增加。Co的掺杂提高了YC粉末的表面氧空位浓度,这应该是YCC电解质电池性能较高的原因。     

石墨烯和碳纳米管二元复合导电剂对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2锂离子电池性能的影响

主要以石墨烯(Gen)、碳纳米管(CNTs)及其二者的复合材料石墨烯/碳纳米管(Gen/CNTs)为研究对象,将其以不同的含量、比例添加在LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂中,制备了一系列软包电池。通过XRD、SEM、电化学性能等测试研究了不同导电剂与正极材料结合情况,以及导电剂含量配比对锂离子电池性能的影响。结果表明：电池的性能与导电剂含量密切相关,并且复合导电剂的性能优于单一导电剂。在石墨烯/碳纳米管比例相同的情况下,随着导电剂添加量增加,电池的内阻显著降低,放电容量、倍率性能、循环性能均得到改善。导电剂为1.5%Gen/CNT (3/7,质量比)时,0.2 C下放电比容量可达163.2 mAh/g,在5 C下放电比容量仍可达85.5 mAh/g,其循环性能也最好,1 C循环200次后,容量保持率可达103.12%。     

用CaS(TiS_2)固体电解质硫浓差电池测定铁液中硫活度的实验研究

在实验室条件下,用自制的CaS(1～1.5wt％TiS_2)固体电解质硫浓差电池测定了1400℃碳饱和铁液和液态生铁中的硫活度。实验所用的电池可以表示为 (+)Mo,W+WS_2|CaS(TiS_2)|[S],Mo金属陶瓷(一) 实验结果表明:在实验条件下,CaS(TiS_2)主要表现为离子导电,其化学性能稳定并具有较高的抗热震性,能满足含碳铁液测硫活度的要求。实验所测得的电动势与硫含量之间的关系为液态生铁1g[S％]=1.118-6.034E(V) (0.03～0.6％S) 碳饱和铁液1g[S％]=3.393-12.375E(V) (0.005～0.15％S) 文章对CaS基固体电解质在1400℃液态生铁和1600℃钢液中的热力学稳定性也分别进行了讨论。     

La1-xSrxCr1-yMnyO3-δ阳极材料的固相合成及导电性能研究

采用固相法制备固体中温氧化物燃料电池(SOFC)阳极材料La1-xSrxCr1-yMnyO3-δ(LSCM), 用X射线衍射(XRD)分析了LSCM材料中钙钛矿相的形成过程, 直流四探针对合成材料的导电性能进行了研究, 碘量法测定了材料中的非化学计量值. 结果表明: 固相法制备所得到的产物分别在1250和1350 ℃下烧结15 h都能得到单一的钙钛矿相;对LSCM样品导电性能研究表明, 其电导率随温度的升高而增加, 在850 ℃时空气气氛下的电导率可达22.04 S·cm-1;LSCM系列材料的电导率随着氧的非化学计量值的增加而提高. 用丝网印刷方式, 制备以LSCM为阳极, La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ(LSGM)为电解质, La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(LSCF)为阴极的单电池, 并对其性能进行测试, 最大功率输出密度约100 mW·cm-2.     

Ce0.8Sm0.2O1.9-La9.33Si6O26复合材料的制备与氧离子导电性

为了提高Ce0.8Sm0.2O1.9(CSO)基氧离子导电材料的离子导电性,用2步化学共沉淀法制备Ce0.8Sm0.2O1.9La9.33 Si6O26(CSO-LSO)氧离子导电复合材料.通过X射线衍射分析材料的物相组成,利用扫描电子显微镜观察材料的微观形貌,利用交流阻抗分析测试材料的离子导电特性.结果表明,经300℃煅烧可得到纯相的CSO粉体,平均晶粒尺寸为9.8 nm.在整个测试温度范围内,CSO-LSO复合材料的氧离子电导率比单相CSO提高了10倍以上;700℃时,CSO-LSO复合材料电导率为0.12 S.cm-1,比CSO的总电导率(0.008 6 S·cm-1)提高约14倍.通过分析得出界面效应是提高复合材料电导率的主要因素.