赝电容氮掺杂碳包覆Fe1-xS有效促进低温钠存储性能（英文）

近年来,构筑适用于宽温度范围的钠离子电池负极材料越来越引起人们的研究兴趣.Fe1-xS作为一种典型的零带隙材料,由于其低的成本和高的理论比容量,被认为是钠离子电池理想的负极材料.本文以室温合成的Fe金属有机骨架(Fe-MOF)为前驱体,借助硫化处理制备了木耳状氮掺杂碳包覆的Fe1-xS化合物(Fe1-xS@NC).Fe1-xS@NC独特的木耳状结构可以很好地缩短电荷扩散路径,显著提高离子/电子电导率,促进反应的动力学过程.该Fe1-xS@NC电极在8000 mA g^-1的高电流密度下展示了高达510.2 mA h g^-1的理想比容量.即使在0和-25°C的工作环境中,该电极在2000 mA g^-1的电流密度下仍能分别保持387.1和223.4 mA h g^-1的可逆比容量,证实了该电极在严苛温度下的潜在应用.更值得注意的是,由Fe1-xS@NC负极和Na3V2(PO4)2O2F正极组装的全电池在0.3和3.8 V之间同样呈现了出色的倍率容量(在2000 mA g^-1电流密度下的可逆容量为186.8 mA h g^-1)和优异的循环性能(在700 mA g^-1电流密度下、经过100个循环后可维持183.6 mA h g^-1可逆容量).定量动力学分析进一步证实该电极是电容行为为主的电荷存储,这种特质可加速电极电化学动力学反应过程,从而赋予Fe1-xS@NC优异的电化学性能.     

高性能锂离子电池正极Calix[6]quinone（英文）

有机醌类化合物因其具有高的理论容量值而引起了人们的广泛关注.本文合成了一种新型的环状大分子Calix[6]quinone(C6Q),它由6个对苯醌单元组成,可提供12个电化学位点,是一种极具发展前景的锂离子正极材料.C6Q在0.1 C的电流密度下展示了高达423 mA h g^-1的初始放电比容量(理论放电比容量为447 mA h g^-1).经过100圈充放电循环之后,它的容量保持在216 mA h g^-1;经过300次循环之后,仍然拥有195 mA h g^-1的高容量.C6Q具有高容量和宽的电化学窗口,因此可以提供高达1201 W h kg^-1的能量密度.此外,使用有序介孔碳CMK-3固载C6Q的方法可以进一步提高C6Q的电化学性能.     

SnSe2纳米晶耦合分层多孔碳微球作为长寿命钠离子电池负极材料（英文）

硒化锡用于钠离子电池负极时具有较高的理论比容量且其成本低廉,因而备受关注.然而,由于其固有的低导电性,以及在充放电过程中的缓慢动力学和体积膨胀,硒化锡作为钠离子电池负极材料表现出的性能较差.本文首次合成SnSe2纳米晶耦合分层多孔碳微球(SnSe2NCs/C)用于增强钠离子电池的比容量、倍率能力和持久性.SnSe2NCs/C独特的结构可以有效阻止SnSe2纳米晶的团聚,减轻材料体积膨胀,加快电子和离子的扩散,增大电解液与电极材料的接触面积,提高材料结构的稳定性.所制备的SnSe2NCs/C微球具有较高的可逆比容量(在100 mA g^-1的电流密度下循环100圈后仍保持565 mA hg^-1的比容量),出色的倍率能力和长循环寿命稳定性(在1 Ag^-1的电流密度下循环1000圈后仍保持363 mAhg^-1的比容量).     

磷掺杂石墨相氮化碳的制备及其在锂硫电池中的应用

通过热缩聚合成法,采用尿素为原料,制备石墨相氮化碳(g-C₃N₄),以磷酸氢二胺作为磷源,制备不同磷含量的磷掺杂g-C₃N₄ (xP-CN),研究磷掺杂对xP-CN的微观结构、形貌及xP-CN/S复合材料作为锂硫电池正极材料电化学性能的影响。研究表明,磷掺杂后xP-CN的层间距增大,导电性提高,比表面积变大,10% P-CN的比表面积最大达到101.741 m2·g?1。10% P-CN/S复合材料在0.05 C (1 C=1675 mA·h·g?1)下首次放电比容量达到1383.8 mA·h·g?1,在0.2 C下循环100次后可逆比容量为860.0 mA·h·g?1,而g-C₃N₄/S复合材料比容量仅为178.3 mA·h·g?1;10% P-CN/S复合材料经过倍率测试后比容量可以回复到0.2 C时的93.6%,表现出良好的循环性能和倍率性能。      

碳包覆的磷/石墨烯复合材料的制备及其储锂性能研究

以纳米黑磷和氧化石墨烯为原料,通过高温热处理的方法合成了碳包覆的磷/石墨烯复合材料,通过XRD、Raman、FT-IR、XPS及SEM对该复合材料进行表征。电化学性能测试表明,在100mA/g的电流密度下,制备的复合材料首次充电比容量为530mAh/g,循环50次后比容量仍然保持在492mAh/g,容量保持率为92.8%,表现出优异的电化学性能。     

石墨烯桥联碳-聚乙二醇包覆的Si纳米颗粒Li离子电池复合负极材料

Si是一种很有前途的Li离子电池负极材料。为解决其巨大体积形变导致的容量衰退快、循环寿命短等问题,采用简单的搅拌和热还原,利用聚乙二醇衍生的薄碳修饰Si纳米颗粒(C-PEG@Si NPs),并通过石墨烯的桥联来制备具有多级包覆结构的石墨烯桥联C-PEG包覆的Si纳米颗粒(graphene@C-PEG@Si NPs)复合材料。利用SEM、 TEM、 X射线衍射、恒流充放电测试等一系列表征测试方法对材料结构、物相和电化学性能进行分析。C-PEG与石墨烯涂层可有效地减小Li离子储存过程中Si对电解质的暴露面积并缓解其体积膨胀。研究结果表明,相比纯Si, graphene@C-PEG@Si NPs复合材料表现出优异的电化学性能,在210 mA/g的电流密度下,经过100次循环可逆比容量仍高达1 032 mA·h/g,电极在4 200 mA/g的大电流密度下循环100次,其比容量仍保持在430 mA·h/g以上。     

生物活性小分子基水系锌有机电池实现长寿命和快充（英文）

因具有高安全性和高性价比的优势,水系锌离子电池(AZIBs)成为了当前研究的热点.然而,电极材料溶解、固有电导率低、反应动力学慢等问题严重阻碍了其实际应用.在本文中,我们合成了一种在黑色素瘤治疗中发挥重要作用的含硫有机小分子(seriniquinone,SQ),将其作为电极材料应用于锌离子电池.通过导电碳修饰的方法制备了SQ/CMK-3复合电极,进一步解决了活性物质SQ的溶解问题并提高了其导电性.在Zn‖SQ/CMK-3半电池中,SQ/CMK-3正极在100 mA g^-1电流密度下的初始放电比容量达到234.4 mA h g^-1.在1 A g^-1的高电流密度下经过5000次超长循环后,比容量仍保持100.2 mA h g^-1.此外,通过密度泛函理论计算,我们提出了在两个SQ分子之间嵌入四个Zn²⁺的储存机理,并通过多种非原位表征测试进行了证实.在采用SQ/CMK-3复合材料作为正负两极的全有机对称电池中,SQ不仅在100 mA g^-1的电流密度下获得高达1...     

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.     

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。     

纳米Si掺杂SiOx-Si@C@碳纳米管复合负极材料的制备及性能

在对氧化亚硅(SiO)材料进行表面碳包覆和添加导电材料的基础上,掺杂少量纳米Si进一步提高其首次充放电容量和首次库仑效率。采用XRD、SEM、TEM、Raman、FTIR分析材料的物相结构和微观形貌,通过恒流充放电测试仪分析复合材料的电化学性能。结果显示,纳米Si质量为SiO_x质量10%的复合材料(SiO_x-Si@C@碳纳米管(CNTs)-10)的首次充放电容量分别为1 348.1 mA?h/g和1 874.4 mA?h/g,首次库仑效率为71.9%,循环100周后材料的可逆容量为1 116.2 mA?h/g,容量保持率为82.8%;以不同电流密度充放电,其放电容量远远高于没有纳米Si掺杂的材料。SiO_x-Si@C@CNTs复合材料具有较高的首次库伦效率、较好的循环性能和倍率性能。      

立方相碳化钛在锂空电池中的电化学行为

采用直流电弧等离子体法在甲烷和氩气混合气氛下原位合成碳化钛(TiC)纳米颗粒。X射线衍射、透射电子显微镜等物理表征结果显示TiC纳米颗粒粒径约为40～90 nm的立方体结构。循环伏安(CV)测试表明,TiC纳米颗粒兼具高效的氧还原和氧析出双效催化活性,可有效弥补炭材料氧析出催化活性较弱的缺陷。恒流充放电测试结果表明,相对于普通炭材料(导电炭黑,Super-P),TiC纳米颗粒催化剂可将锂空电池充电过电势降低280mV;在电流密度(i_sp)为50mA·g^-1时,首次放电比容量达1267mAh·g^-1;即使在较高的电流密度150mA·g^-1下,比容量仍保持在778mAh·g^-1,体现了良好的倍率性能。在电流密度为100mA·g^-1、限定比容量为500mAh·g^-1下,稳定循环10次。通过XRD、红外、扫描电镜表征可知,在TiC纳米颗粒的双效催化作用下,Li_2O_2的生成与分解具有良好的可逆性,有效避免了大量反应副产物积累的问题,进而提高锂空电池的电化学性能。     

Red Phosphorus Nanoparticle@3D Interconnected Carbon Nanosheet Framework Composite for Potassium‐Ion Battery Anodes

Red phosphorus (P) has been recognized as a promising storage material for Li and Na. However, it has not been reported for K storage and the reaction mechanism remains unknown. Herein, a novel nanocomposite anode material is designed and synthesized by anchoring red P nanoparticles on a 3D carbon nanosheet framework for K‐ion batteries (KIBs). The red P@CN composite demonstrates a superior electrochemical performance with a high reversible capacity of 655 mA h g^?1 at 100 mA g^?1 and a good rate capability remaining 323.7 mA h g^?1 at 2000 mA g^?1, which outperform reported anode materials for KIBs. The transmission electron microscopy and theoretical calculation results suggest a one‐electron reaction mechanism ofP + K⁺ + e^?→ KP, corresponding to a theoretical capacity of 843 mA h g^?1,which is the highest value for anode materials investigated for KIBs. The study not only sheds light on the rational design of high performance red P anodes for KIBs but also offers a fundamental understanding of the potassium storage mechanism of red P.     

Wet‐Chemical Synthesis of Hollow Red‐Phosphorus Nanospheres with Porous Shells as Anodes for High‐Performance Lithium‐Ion and Sodium‐Ion Batteries

Large‐volume‐expansion‐induced material pulverization severely limits the electrochemical performance of red phosphorous (P) for energy‐storage applications. Hollow nanospheres with porous shells are recognized as an ideal structure to resolve these issues. However, a chemical synthetic approach for preparing nanostructured red P is always of great challenge and hollow nanosphere structures of red P have not yet been fabricated. Herein, a wet solvothermal method to successfully fabricate hollow P nanospheres (HPNs) with porous shells via a gas‐bubble‐directed formation mechanism is developed. More importantly, due to the merits of the porous and hollow structures, these HPNs reveal the highest capacities (based on the weight of electrode materials) of 1285.7 mA h g^?1 for lithium‐ion batteries and 1364.7 mA h g^?1 for sodium‐ion batteries at 0.2 C, and excellent long‐cycling performance.     

钠离子电池无粘结剂二氧化钛负极材料的合成

作为电池的重要组成部分,电极材料直接影响电池的能量密度。电极材料在制作过程中往往会添加粘结剂以稳定极片结构,但粘结剂的加入会降低电极材料的比容量,影响其离子迁移速率。通过在经水热反应刻蚀的钛箔/网上原位生长二氧化钛(TiO 2)得到无粘结剂TiO 2/Ti纳米线阵列电极,并系统地研究不同钛基底及水热反应温度对TiO 2/Ti纳米线阵列电极物理性能和电化学性能的影响。结果表明,不同钛基底及水热反应温度均对生长的TiO 2纳米线的形貌和电化学性能有重要影响。其中通过220℃水热反应生长在钛网(0.15 mm)上的TiO 2纳米线呈蛛网状,具有较大的比表面积,属于锐钛矿型TiO 2,储钠过程主要由赝电容效应控制,且具有优秀的电化学性能:首周放电比容量为986 mAh g^-1,库伦效率为21.7%;随后放电比容量逐渐稳定在240 mAh g^-1左右;循环200周后放电比容量仍能达到228 mAh g^-1,库伦效率稳定在99.3%左右;即使在3200 mA g^-1的超大电流密度下,放电比容量仍能达到152 mAh g^-1。无粘结剂电极材料极大可以有限地提升电极材料的比容量,对未来高能量密度电池体系的设计具有一定的理论意义和参考价值。     

自组装二氧化锰纳米片包覆嵌硫多通道碳纳米纤维复合物在锂硫电池阴极中的应用

由于可充电锂硫电池在能量密度方面具有显著的优势,因此被认为是很有前途的下一代储能体系.然而,多硫化物的穿梭和硫的绝缘特性,导致了锂硫电池严重的容量衰减和低硫利用率,阻碍了它们的实际应用.因此,本研究合理设计制备了一种二氧化锰纳米片包覆嵌硫多通道碳纳米纤维复合物用于锂硫电池阴极.多孔多通道碳纳米纤维的高导电性促进了电极中电子和离子的传输动力学,多孔结构将硫包裹并隔离在其内部空隙中,在物理上延缓了高阶多硫化物的溶解.此外,二氧化锰壳层对高阶多硫化物的物理限制和化学吸附相结合,可以隔离长时间充放电循环后从碳基体中泄漏的多硫化物,从而进一步提高电极的电化学性能.     

Dispersed distribution derived integrated anode for lithium ion battery

With the development of portable communication devices and electric vehicles, there is a great need for energy storage devices with lighter weight and higher energy density. In this paper, a new method by combining waster-paper-synthesized conductive paper (CP) and active material MnO₂ together is developed to obtain a new type of anode without any binder for lithium ion batteries. By this way, we can obtain low density anode with active material in CP, instead of the commonly-used heavy metal current collector. Also, binder has been abandoned, which are usually used to combine active material into anode, to further decrease weight. The multi walled carbon nanotube (MWCNT) was added in serves as a component of CP and the conductive agent for active material. Compared to traditional anode coated on Cu current collector, the CP-combined anode can greatly improve the electrochemical performance of active material MnO₂. It can let more particles to fully participate in the reaction and therefore boost the specific capacity to a great extent (about 3 times higher). It delivered an initial specific capacity of 1629.9 mA h g⁻¹ at a current density of 100 mA g⁻¹ and maintained about 67% even after 100 cycles. What’s more, it shows reversible capacity of about 260 mA h g⁻¹ at high current density of 1000 mA h g⁻¹. Our original synthesis method of anode, which shows far-reaching referential value and environmental significance, can be generalized to other electrodes and other battery systems.     

Amorphous Red Phosphorus Embedded in Sandwiched Porous Carbon Enabling Superior Sodium Storage Performances

The red P anode for sodium ion batteries has attracted great attention recently due to the high theoretical capacity, but the poor intrinsic electronic conductivity and large volume expansion restrain its widespread applications. Herein, the red P is successfully encapsulated into the cube shaped sandwich‐like interconnected porous carbon building (denoted as P@C‐GO/MOF‐5) via the vaporization–condensation method. Superior cycling stability (high capacity retention of about 93% at 2 A g^?1 after 100 cycles) and excellent rate performance (502 mAh g^?1 at 10 A g^?1) can be obtained for the P@C‐GO/MOF‐5 electrode. The superior electrochemical performance can be ascribed to the successful incorporation of red P into the unique carbon matrix with large surface area and pore volume, interconnected porous structure, excellent electronic conductivity and superior structural stability.