碳纳米管多微孔集流体对氧化锡锂离子电池性能的影响

以纸纤维为基体,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电剂,采用真空抽滤法制得多微孔结构的导电纸。将MWCNTs导电纸作为负极集流体代替铜箔应用于氧化锡锂离子电池。采用场发射扫描电镜(SEM)进行表征。SEM显示,Sn O2均匀地分布在MWCNTs构建的三维导电网络的孔隙中。对循环后的MWCNTs导电纸负载Sn O2极片进行EDS元素分析,结果表明,三维多微孔集流体能充分均匀吸附Sn O2浆料,从而保证基体材料的结构稳定性和化学稳定性。电化学测试表明,MWCNTs导电纸作为负极材料Sn O2的集流体能够有效改善电池性能。在100 m A/g电流密度放电时,60次循环后比容量为580 m Ah/g,逐渐增大电流密度时电池比容量下降较为平缓,库伦效率保持在97%以上。     

不同管径多壁碳纳米管与硫含量对锂硫电池单质硫正极电化学性能的影响

采用分段加热法合成了不同管径、不同硫含量的单质硫-多壁碳纳米管(S-MWCNT)复合材料,利用电化学方法、SEM、TEM、比表面吸附等分析方法,筛选出以10~20 nm直径的MWCNT为核,质量分数85%硫为壳的最优化条件下的复合材料。SEM测试显示单质硫均匀填充到MWCNT的中空管和层间的孔中形成了结构稳定的复合物。在最优化的条件下,复合材料首次放电比容量达1 272.8 mAh·g-1,活性物质利用率为76.0%,循环至第80周时放电容量还保持在720.1 mAh·g-1,容量保持率高达64.4%。与未添加MWCNT的单质硫电极相比,硫复合电极活性物质的利用率和循环性能都得到了较大的改善。     

正极集流体为碳纳米管宏观膜的锂离子电池及其性能

采用超轻的碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)宏观膜替代传统的金属铝集流体,替换后的锂离子电池以LiCoO2为活性物质,在1 C条件下电池首次放电比容量为132.8mAh·g-1,500次循环后容量保持率高于80%;当正极材料层面密度为16mg·cm-2时,LiCoO2-CNT电极的能量密度比LiCoO2-Al电极提高25%;同时,CNTs膜作为正极集流体的电池自放电率低于1.5%。该CNTs膜经电流刺激后仍保持较高的石墨化程度,相比金属集流体,其表面束状的多孔结构可有效保证正极材料层和集流体间的紧密接触。该膜有望替代传统铝箔成为新一代锂离子电池用集流体。     

以电解二氧化锰/多壁碳纳米管/纸纤维复合材料作集流体和正极片的高能量柔性锌锰电池

以电解二氧化锰(EMD)为正极活性材料,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电剂,纸纤维为基体制得复合纸,并将复合纸代替石墨片集流体和正极片应用于柔性锌锰电池。采用扫描电子显微镜对复合纸进行表征,并通过恒流放电测试其放电性能。结果显示,采用复合纸的电池放电比容量是传统锌锰电池的3倍,使EMD利用率从7.4%提高到43.8%,且在较大电流放电和弯曲放电情况下仍能保持明显的放电性能优势。     

多壁碳纳米管对单质硫正极材料电化学性能的改性

为增强单质硫电极的导电性能和抑制活性硫在电解液中的溶解,选用高比表面积、强吸附能力的多壁碳纳米管作为非活性添加剂,通过密封分段加热的方式与单质硫形成复合材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和比表面积(BET)测试均表明单质硫均匀分散到碳纳米管基体中。电化学测试显示添加碳纳米管的硫电极首次放电比容量高达1 487.0mAh.g-1,硫的利用率达到了88.9%,循环50次后比容量还保持在913.7mAh.g-1,较之普通硫电极其电化学性能得到显著改善。     

氟化多壁碳纳米管作正极对锂/氟电池性能的影响

通过对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行氟化改性,获得氟碳原子比分别为0.28(CF0.28),0.56(CF0.56),0.78(CF0.78)的氟化多壁碳纳米管。将氟化多壁碳纳米管作正极活性物质涂覆于铝箔,金属锂片为对极,组装成锂/氟化多壁碳纳米管(Li/CFx)一次纽扣电池。采用热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)进行结构和性能表征,通过恒流放电检测电池的电化学性能。结果表明:活性物质为CF0.78的正极电极的电化学性能最佳,在电流密度为39mA/g时放电比容量达724mAh/g,同时出现了稳定的放电平台。在0.05C放电倍率时,3种电极的活性物质利用率分别达到73.4%,89.6%,92.9%。相比0.05C,2C放电倍率下的放电比容量衰减率分别为68.8%,34.1%,39.6%,表明提高氟化程度,能够降低放电比容量衰减率,虽CF0.78相对CF0.56的放电化容量衰减率有所上升,但在相同放电倍率时,其放电曲线稳定性是最好的。     

锂硫电池硫正极材料研究进展

由化石燃料的大量使用导致的全球能源和环境问题日益严重,已对人们的生产和生活产生了明显的影响。开发利用储量丰富的清洁能源(如太阳能、水能和风能等)有望较好地解决全球能源和环境问题。由于这些清洁能源存在地域性、间歇性等特点,高效的能量转化和存储技术是实现清洁能源规模化利用的关键和基础。锂离子电池作为绿色环保的储能器件,已在手机、笔记本电脑、相机等便携电子产品中广泛使用。近年来,锂离子电池开始在电动汽车等动力电池领域得到应用。但是,由于其能量密度不够高,导致锂离子电池电动汽车续航短、充电频繁及购车成本高。由金属锂为负极和硫为正极组成的锂硫电池的能量密度(2 600 Wh·kg~(-1))远高于目前广泛使用的锂离子电池。此外,硫正极材料具有储量丰富、毒性低、价格便宜、环境友好等突出优点。因此,锂硫电池被认为是当前最具研究前景的高能量密度二次电池之一。硫正极材料的本征导电性差、在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩,储放锂过程中形成的多硫化锂易溶于电解液,使得锂硫电池的倍率性能、循环寿命和库伦效率等电化学性能离实际应用仍有较大距离。迄今为止,关于硫正极材料的研究工作,主要集中于如何提升其导电性、抑制或消除由多硫化锂的溶解引起的穿梭效应以及在反复的循环过程中保持电极材料微结构的稳定性等方面。相关研究表明,将硫与不同形貌的碳材料复合构筑成具有特殊微观结构的硫/碳复合正极材料可显著提高其导电性、抑制多硫化锂的穿梭效应和减缓储放锂前后的体积变化,进而改善倍率性能、循环稳定性和充放电效率等。此外,在硫正极材料中引入异质元素掺杂碳材料、金属氧化物和导电集合物均可通过化学吸附实现对易溶解多硫化锂的有效吸附。将上述多种改性方法结合也可使硫正极材料具有优异的电化学储锂性能。本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了硫正极材料存在的主要问题,综述了近几年锂硫电池复合正极材料的研究进展,最后对锂硫电池正极材料的研究思路与发展趋势进行了分析和展望。     

锂硫电池硫/导电聚合物正极材料的研究进展

综述了锂硫电池硫/导电聚合物正极材料的研究进展。重点探讨了导电聚合物在硫基正极材料改性中的制备方法、结构设计,并对其中存在的问题进行了分析。最后对硫/导电聚合物正极材料的进一步发展及商业化应用进行了展望。     

羟基化多壁碳纳米管掺杂抑制锂硫电池的穿梭效应

为了抑制锂硫电池的“穿梭效应”,改善锂硫电池的电化学性能。正极片掺杂羟基化多壁碳纳米管（MWCNTs—OH）,利用亲水性羟基官能团对多硫化物的吸附作用,阻止多硫化物的扩散,增加有效物质的利用率,抑制穿梭效应的产生,提高锂硫电池的容量和循环性能。利用TEM、SEM和EDS等进行结构和性能表征。电化学测试结果表明,掺杂MWCNTs—OH的锂硫电池,放电容量明显提高。在0.1 C倍率,首次放电比容量达到1 281 mAh/g,首次库伦效率接近96.7%,循环10次后比容量还保持在882 mAh/g。在0.2 C、0.5 C和1 C倍率下充放电时,电池首次放电比容量分别达到794.2 mAh/g、712.2 mAh/g和557.3 mAh/g,显示出极佳的倍率性。      

锂硫电池硫正极材料研究现状与展望

综述了锂硫电池硫正极材料的研究现状。针对锂硫电池目前存在的问题,展望了其发展趋势,并指出硫/有序多孔碳纳米复合材料对提升锂硫电池性能有重要研究价值;同时形成三维空间传导网络的导电添加剂和具有良好粘接性、导电性及电化学稳定性的粘结剂对锂硫电池性能提升也具有重要作用。     

A carbon-based 3D current collector with surface protection for Li metal anode

Lithium metal is considered the ideal anode material for Li-ion-based batteries because it exhibits the highest specific capacity and lowest redox potential for this type of cells.However,growth of Li dendrites,unstable solid electrolyte interphases,low Coulombic efficiencies,and safety hazards have significantly hindered the practical application of metallic Li anodes.Herein,we propose a three-dimensional (3D) carbon nanotube sponge (CNTS) as a Li deposition host.The high specific surface area of the CNTS enables homogenous charge distribution for Li nucleation and minimizes the effective current density to overcome dendrite growth.An additional conformal A12O3 layer on the CNTS coated by atomic layer deposition (ALD) robustly protects the Li metal electrode/electrolyte interface due to the good chemical stability and high mechanical strength of the layer.The Li@ALD-CNTS electrode exhibits stable voltage profiles with a small overpotential ranging from 16 to 30 mV over 100 h of cycling at 1.0 mA·cm-2.Moreover,the electrodes display a dendrite-free morphology after cycling and a Coulombic efficiency of 92.4％ over 80 cycles at 1.0 mA·cm-2 in an organic carbonate electrolyte,thus demonstrating electrochemical stability superior to that of planar current collectors.Our results provide an important strategy for the rational design of current collectors to obtain stable Li metal anodes.     

多孔碳纳米管纸负载中空硅微球作为阳极的高容量锂硅电池

为提高硅基锂离子电池的电化学性能,制备了一种多微孔结构的集流体。以纸纤维为基体,多壁碳纳米管（MWCNTs）为导电剂,制得MWCNTs/纸纤维复合多孔导电纸代替铜箔作为负极集流体。MWCNTs负载中空Si微球复合材料作为负极活性材料。FESEM分析显示,中空Si-MWCNTs复合活性物质均匀分布在MWCNTs构建的三维导电网络的孔隙中,从而保证了材料的结构稳定性和化学稳定性。所制备的中空Si-MWCNTs/纸纤维复合锂离子电池具有良好的循环稳定性和较高的比容量,同时具有可逆性。在0.02 C的电流密度下,循环30次后其比容量稳定在1 300 mAh/g。在3 C的大电流密度下,比容量仍可稳定保持在330 mAh/g。恢复0.25 C充放电后,容量恢复为1 150 mAh/g。     

Oxygen-defective MnO2 decorated carbon nanotube as an effective sulfur host for high performance lithium sulfur battery

The incorporation of sulfur with multifunctional conductive host material has been regarded as a promising strategy to improve the sulfur utilization and mitigate the polysulfides diffusion for high-performance Li-S battery. Herein, an oxygen-defective MnO₂ nanoparticles modified carbon nanotube composite (CNT/OD-MnO₂) has been proposed as multifunctional sulfur host materials. In the CNT/OD-MnO₂, the continuous CNT frameworks provide abundant conduction paths of electrons, and the oxygen-defective MnO₂ nanoparticles can accelerate the adsorption and conversion process of polysulfides during the charge–discharge process. As expected, the derived sulfur cathode exhibits superior electrochemical properties with the assistance of CNT/OD-MnO₂. Compared with the CNT/MnO₂-S (61.8%) and CNT-S (38.8%) cathodes, the CNT/OD-MnO₂-S cathode delivers a higher capacity retention of 81.3% even after 300 cycles. These results confirm the promising application of CNT/OD-MnO₂ as an effective sulfur host material for advanced Li-S battery.     

碳纳米管纸/纳米硅复合电极的锂离子电池性能

采用纳米硅和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合材料作为活性材料,以纸纤维为基体,MWCNTs为导电剂制得的MWCNTs导电纸代替铜箔集流体应用于硅基锂离子电池。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、恒流放电测试、电化学阻抗对复合材料的形貌和电化学性能进行分析。结果表明,采用MWCNTs导电纸-纳米硅复合的锂离子电池在80mA/g的电流密度下,循环50次后比容量达到约1000mAh/g,在2000mA/g大电流密度下仍保持好的循环稳定性。     

Flammable carbon nanotube transistors on a nitrocellulose paper substrate for transient electronics

Transient electronics represent an emerging class of technology comprising materials that can vanish in a controlled manner in response to stimuli. In contrast to conventional electronic devices that are designed to operate over the longest possible period, transient electronics are defined by operation typically over a short and well-defined period; when no longer needed, transient electronics undergo self-deconstruction and disappear completely. In this work, we demonstrate the fabrication of thermally triggered transient electronic devices based on a paper substrate, specifically, a nitrocellulose paper. Nitrocellulose paper is frequently used in acts of magic because it consists of highly flammable components that are formed by nitrating cellulose by exposure to nitric acid. Therefore, a complete and rapid destruction of electronic devices fabricated on nitrocellulose paper is possible without producing any residue (i.e., ash). The transience rates can be modified by controlling radio frequency signal-induced voltages that are applied to a silver (Ag) resistive heater, which is stamped on the backside of the nitrocellulose paper. The Ag resistive heater was prepared by a simple, low-cost stamping fabrication, which requires no harsh chemicals or complex thermal treatments. For the electronics on the nitrocellulose paper substrate, we employed semiconducting carbon nanotube (CNT) network channels in the transistor for superior electrical and mechanical properties.

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