锂离子电池多孔硅/碳复合负极材料的研究

以商业化多晶硅粉为原料, 采用金属银催化剂诱导化学腐蚀的方法制得三维多孔硅材料。通过优化腐蚀条件, 得到孔径约为130 nm, 比表面为4.85 m²/g的多孔硅材料。将多孔硅和PAN溶液混合球磨并经高温烧结后在多孔硅表面包覆上一层致密的无定形碳膜, 从而制得多孔硅/碳复合材料作为锂离子电池的负极材料。3D多孔硅结构可以缓解电化学嵌/脱锂过程中材料的体积效应, 无定形碳膜层可有效改善复合材料的导电性能。电化学性能测试表明, 该多孔硅/碳复合负极材料电池在0.4 A/g的恒电流下, 首次放电容量3345 mAh/g, 首次循环库伦效率85.8%, 循环55次后容量仍保持有1645 mAh/g。并且在4 A/g的倍率下, 容量仍维持有1174 mAh/g。该方法原料成本低廉, 可规模化生产。     

无黏结剂柔性Si/CNT/纤维素复合阳极及其电化学性能

硅/碳复合材料作为最具潜力的下一代阳极材料,受到广泛关注。为减少硅巨大膨胀所产生的应力,避免硅纳米颗粒的粉化,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多壁碳纳米管(MWCNTs)纸,嵌入纳米硅制得Si/MWCNTs/纤维素复合柔性锂离子电池阳极。FESEM显示,纳米硅均匀地嵌入在MWCNTs构建的三维导电网络中,纳米硅和导电载体具有良好的接触,使得界面电阻大幅下降,同时纳米硅在电池充放电过程中具有足够的膨胀空间,保证了材料的结构稳定性和化学稳定性。电化学检测显示,其首次放电比容量达到2024 mAh/g,循环30次后比容量维持在850 mAh/g,展示出良好的循环稳定性和较高的比容量。同时,其制作工艺相比传统涂敷类阳极得以简化,可操作性高,易于实现产业化。     

锂离子电池负极材料TiS3 纳米片的制备和性能

先用直流(DC)电弧法制备TiH_1.924纳米粉作为前驱体,再用固-气相反应制备了片状结构的TiS₃纳米粉体。使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱分析和性能测试等手段对其表征,研究了TiS₃纳米片的结构和将其用作负极的锂离子电池的性能。结果表明：TiS₃纳米片具有特殊的片状结构,其厚度约为35 nm。将TiS₃纳米片用作负极的锂离子电池具有良好的电化学性能,在500 mA/g电流密度下循环300圈后其容量仍保持在430 mAh/g。以5 A/g的大电流密度放电其比容量为240 mAh/g,电流密度恢复到100 mA/g其放电比容量稳定在500 mAh/g。TiS₃良好的倍率性能,源于其特殊的纳米片状结构。这种单层片状结构,能较好地适应电极材料在大电流密度多次放电/充电过程中产生的应变引起的体积变化,使其免于粉碎。     

基于ZIF-8的三维网络硅碳复合材料锂离子电池性能研究

锂离子电池已广泛应用于各种便携式电子设备及新能源汽车等领域, 但随着电子设备的不断更新换代及电动汽车的快速发展, 理论比容量较低的传统石墨负极(372 mAh/g)已无法满足社会的需求。基于此, 本工作设计并制备了一种Zn基金属有机物框架(ZIF-8)衍生的三维网络状硅碳(Si@NC)复合材料用于锂离子电池性能研究。首先对纳米硅表面进行化学改性,然后在改性的硅表面原位生长ZIF-8小颗粒(Si@ZIF-8), 最后对Si@ZIF-8碳化得到Si@NC复合材料。研究表明, Si@NC复合材料的三维网络状多孔结构既可以很好地限制硅的体积膨胀, 又能极大地提升材料的电导率, 展现出稳定的循环性能和良好的倍率性能, 在5 A/g的大电流下能保持760 mAh/g的放电比容量。与商业三元正极材料组装的全电池也表现出较好的性能, 在0.4C (1C =160 mA/g)下循环50圈依然可以保持60.4%的比容量。这些研究结果说明该Si@NC复合材料具有较好的应用前景。     

锂离子电池硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料研究

通过真空驱动自组装法及蒸汽处理得到结构疏松的硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料(Si/CNTs/GP)。纳米硅颗粒(50 nm)为活性物质, 均匀分布在石墨烯片层结构中间; 石墨烯作为碳基体, 通过自组装构筑形成二维导电网络; 碳纳米管(CNTs)具有超高导电性和良好的力学强度, 它通过吸附作用均匀分布在石墨烯基体上形成导电的支撑网络结构。经过蒸汽处理后, 石墨烯层间距明显增大, 层与层之间不再是紧密堆叠的结构, 而是形成一种疏松、褶皱、内部空隙丰富的片层结构。Si/CNTs/GP负极材料中丰富的内部空穴和贯穿孔洞, 提供了材料很高的比表面积, 能有效提高电解液对材料的浸润性, 极大缩短了离子传输距离。同时这些内部空穴也有效缓冲硅充放电时的体积膨胀, 提高了材料的结构稳定性和电化学性能。该负极材料在4 A/g的大电流密度下容量维持在600 mAh/g, 表现出良好的大电流循环稳定性能。     

高性能自支撑CuS/SnS2锂电池负极材料

过渡金属硫化物作为锂电池负极材料具有极高比容量,但其制备的电极普遍存在导电性差、体积变化大等问题,本研究设计了一种新型的自支撑CuS/SnS₂镂空片状锂电池负极材料,以导电碳布作为基底,生长包覆CuS/SnS₂镂空纳米片,具备特殊的纳米包覆结构及双金属协同效应,使其在保持较高比容量的同时具备良好的循环稳定性,整体电化学性能优异。研究不同Cu/Sn含量对CuS/SnS₂负极材料电化学性能的影响,最佳配比的CuS/SnS₂负极材料在0.2 A·g?1电流密度下循环50次后比容量为1480 mAh·g?1,库伦效率稳定在99.5%,在2 A·g?1电流密度下循环200次后比容量仍能保持在697 mAh·g?1,库伦效率为99.8%。      

Fe2O3纳米纤维锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究

Fe₂O₃具有理论比容量高和价格低廉等特点, 已成为锂离子电池负极材料的研究热点之一。实验以不同质量比PVP/FeCl₃溶液为前驱体, 静电纺丝技术制备PVP/FeCl₃纳米纤维并热处理, 得到不同直径的Fe₂O₃纳米纤维负极材料, 并以水热合成法制备了Fe₂O₃纳米颗粒。利用X射线衍射、热重、红外光谱、扫描电镜、透射电镜和恒流充放电等测试手段对材料的物相、微观形貌和电化学性能进行表征。结果表明, Fe₂O₃纳米纤维比Fe₂O₃纳米颗粒表现出更优的电化学性能, 直径为160 nm的Fe₂O₃纳米纤维负极材料的倍率性能和循环性能最佳, 材料在0.1 A/g电流密度下的可逆容量为827.3 mAh/g;在2 A/g电流密度下70次循环放电比容量有439.1 mAh/g。     

碳纳米管与石墨烯协同改性天然石墨及其电化学性能

以碳纳米管和氧化石墨烯为原料,二者按5∶3混合超声分散再高温还原制备碳纳米管/石墨烯/天然石墨(CNTs/rGO/NG)锂离子复合负极材料。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和电化学测试等分析技术对复合材料的形貌、结构、电化学进行表征。结果表明:石墨烯和碳纳米管在天然石墨表面形成三维立体网络结构。与纯天然石墨相比,CNTs/rGO/NG复合材料具有良好的倍率性能和循环寿命,在0.1C时首次放电比容量为479mAh/g,可逆容量达473mAh/g,循环100次后容量为439.5mAh/g,容量保持率为92%,在0.5,1,5C不同电流倍率时容量依次为457,433,394mAh/g。     

三维石墨烯纳米球的制备及其在锂离子电池中的应用

采用直流电弧放电法制备出一种三维石墨烯纳米球材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱和X射线衍射光谱(XRD)等测试方法对三维石墨烯纳米球的形貌和结构进行了表征和研究。通过交流阻抗(EIS)、恒流充放电和循环稳定性测试等电化学测试手段来研究三维石墨烯纳米球作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明, 在电流密度为0.05 A/g下, 三维石墨烯纳米球作为锂离子电池负极材料的首次放电容量为485.9 mAh/g, 高于炭黑作负极的放电容量(401 mAh/g); 当电流密度为1 A/g时, 三维石墨烯纳米球负极材料仍然具有185.4 mAh/g的放电容量。在电流密度分别为0.5 A/g和2.5 A/g下, 充放电循环100次以后, 三维石墨烯纳米球的比容量几乎没有衰减, 这表明三维石墨烯纳米球作为锂离子电池的负极材料比炭黑具有更大的容量, 同时具有优异的循环稳定性。     

静电纺丝法制备Si/C复合负极材料及其性能表征

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为高分子聚合物配体, 采用静电纺丝法制备了Si/C复合负极材料。利用PVP高温烧结形成的碳作为体积缓冲骨架, 有效地解决了硅在循环过程中的体积膨胀和粉化问题。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的晶体结构及微观形貌进行了研究。结果表明, 材料整体呈纤维状分布, 纤维直径300 ~ 400 nm, Si粒子以“麦穗状”均匀地分布在由无定形碳构成的纤维上。电化学测试结果表明, 复合材料首次充放电的不可逆容量为294.9 mAh/g, 是由于电极与电解液界面间固态电解质(SEI)膜的形成所致。另外, 复合材料在低倍率(0.1C、0.2C和0.5C)和高倍率(1.0C和2.0C)下均具有较高的库伦效率及较好的循环稳定性。     

聚丙烯酰胺凝胶法制备Bi2Mn4O10及其电化学性能

Bi₂Mn₄O₁₀具有高的理论比容量, 被认为是一种理想的锂离子电池负极材料。本研究以硝酸铋和乙酸锰为原料, 采用聚丙烯酰胺凝胶法制备Bi₂Mn₄O₁₀负极材料, 考察了制备条件对Bi₂Mn₄O₁₀负极材料的物相、形貌及电化学性能的影响。结果表明: 在丙烯酰胺含量与总金属离子摩尔比为8 : 1, 葡萄糖浓度为1.11 mol/L, 热处理温度为873 K的条件下, 可得类球型、分散性良好的纯相Bi₂Mn₄O₁₀粉末。作为负极材料, Bi₂Mn₄O₁₀粉末在0.2C (1C=800 mA/g)倍率下循环50圈后可保持496.8 mAh/g的比容量, 容量保持率为76.9%; 3C倍率下放电容量为232 mAh/g。     

大容量VB2-空气电池负极材料的制备与性能

VB₂因具有超高理论比容量(4060 mAh/g)而成为具有发展潜力的空气电池负极材料。实验以VB₂为负极活性物质, Ni为导电剂, NH₄HCO₃为造孔剂, 采用粉末冶金方法制备了大容量VB₂-空气电池用多孔负极片, 并探讨了负极片孔隙度对负极所组装空气电池放电性能的影响规律。结果表明, 所制备的多孔VB₂负极片放电性能优异, 放电比容量可以达到3216~3463 mAh/g范围内; 多孔VB₂负极片放电容量、比容量、库伦效率和比能量均与孔隙度密切相关。当添加15wt%NH₄HCO₃造孔剂时, 烧结制备的多孔VB₂负极片的孔隙度为60.91%, 此时VB₂-空气电池放电性能最优: 放电容量为7792 mAh, 放电比容量为3463 mAh/g, 库伦效率为85.30%, 放电比能量为2370 mWh/g。     

锰氧化物/石墨烯复合材料作为锂离子电池负极的研究

以天然石墨为原料,采用改进的Hummers法合成含Mn的氧化石墨;400℃条件下氢气还原制备了锰氧化物/石墨烯复合材料。利用XRD、SEM和TEM对所制备的复合材料进行了表征。结果表明锰氧化物(MnOx)颗粒均匀地分布在石墨烯片层表面。将复合材料作为锂离子电池负极进行研究,在50mA/g电流密度下,首次库伦效率为70.4%,可逆容量达876mAh/g,并且具有良好的循环性能,在30次循环后仍保持在700mAh/g以上。     

MoP纳米粒子锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能

用直流电弧等离子体法制备金属钼纳米粉体再使其与赤磷发生固相反应,用两步法制备出磷化钼纳米粒子。使用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等手段表征磷化钼纳米粒子的结构并进行了电化学性能测试。结果表明,MoP纳米粒子呈球状,粒径为20~50 nm;在电流密度为100 mA/g的条件下MoP纳米粒子负极材料的首次放电比容量达到746 mAh/g,50次循环后放电比容量为241.9 mAh/g;电流密度为2000 mA/g时放电比容量为99.90 mAh/g,电流密度恢复到100 mA/g其放电比容量仍然保持247.60 mAh/g。用作锂离子电池的负极材料,MoP纳米粒子具有优异的稳定性和可逆性。     

ZnFe2O4锂离子电池负极材料的制备及电化学性能研究

以ZnCl₂和FeCl₃.6H₂O为原料, 通过溶剂热法制备了尖晶石型ZnFe₂O₄材料, 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶红外光谱(FT-IR)和恒流充放电测试技术对材料的结构、形貌及电化学性能进行了表征。结果表明, 合成的材料为纳微多孔结构, 其颗粒粒径约为250 nm, 以50 mA/g的电流密度充放电时, 可逆比容量为933.1 mAh/g, 经过100次循环后, 比容量为813.5 mAh/g, 比容量保持率高达87.2%, 表现出优异的循环稳定性能。当电流密度增大到400 mA/g时, 其比容量约为355 mAh/g, 表现出较高的倍率性能。采用该法制备得到的纳米ZnFe₂O₄具有比容量高、循环稳定好等优点, 是一种具有较强应用前景的锂离子电池负极材料。     

Graphene enhances Li storage capacity of porous single-crystalline silicon nanowires

We demonstrated that graphene significantly enhances the reversible capacity of porous silicon nanowires used as the anode in Li-ion batteries. We prepared our experimental nanomaterials, viz., graphene and porous single-crystalline silicon nanowires, respectively, using a liquid-phase graphite exfoliation method and an electroless HF/AgNO3 etching process. The Si porous nanowire/graphene electrode realized a charge capacity of 2470 mAh g(-1) that is much higher than the 1256 mAh g(-1) of porous Si nanowire/C-black electrode and 6.6 times the theoretical capacity of commercial graphite. This relatively high capacity could originate from the favorable charge-transportation characteristics of the combination of graphene with the porous Si 1D nanostructure.     

腐殖酸基石墨化材料的制备及其电化学性能

以腐殖酸为前驱体,通过高温热处理制备锂离子电池负极材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学测试系统对该材料的形貌、微晶结构和电化学性能进行表征。结果表明,腐殖酸基石墨化材料呈现出较为规整的石墨片层结构,且随着石墨化温度的升高,所得材料的石墨化度也越来越高。腐殖酸基石墨化材料均表现出良好的电化学性能,石墨化温度为2 800℃所制备的石墨化材料的首次放电比容量为356.7 mAh/g,充电比容量为277.6 mAh/g,首次充放电的库仑效率为77.81%,在1C和2C倍率下50次充放电循环后的容量保持率分别高达99.4%、95.9%,是一种理想的锂离子电池负极材料。     

Improved performance for lithium-ion batteries with nickel nanocone-arrays supported germanium anode

Germanium coatings as an anode material of lithium-ion batteries have been deposited on electrodeposited nickel nanocone-arrays by very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition. The morphologies of the obtained nanostructures were characterized by field emission scanning electron microscopy in detail. The electrochemical performance was evaluated by a galvanostatic battery testing. It was shown that the anode exhibits a stable capacity of 590 mAh/g at a rate of C/10. A reversible specific capacity is retained to be 468 mAh/g at a rate of C/2 after 50 cycles, which is close to the value of the second cycle.     

石墨烯/CdS量子点复合材料的电化学性能研究

原位合成法制备石墨烯/CdS量子点复合材料, 并考察其作为锂离子电池负极材料的电化学性能. 交流阻抗揭示电解质在石墨烯/CdS量子点复合材料表面形成稳定的SEI膜, 首次放电比容量达1264.7mAh/g, 循环20次后可逆容量为888.9mAh/g. 结果显示CdS量子点提高了石墨烯结构的稳定和层间传导性, 从而导致复合材料的电化学性能明显优于单独的石墨烯材料.     

纳米CuO/Cu负极材料的热氧化制备及其结构和电化学性能

采用纳米铜粉为原材料,通过直接在空气气氛中氧化的方法制备了含有微量Cu的纳米CuO/Cu复合材料作为锂离子电池负极材料。采用XRD、SEM、TEM等材料结构分析方法和恒电流充放电测试技术对在250～500℃不同氧化温度下获得产物的结构和电化学性能进行研究。研究结果表明,在250～500℃下氧化4小时,纳米Cu粉基本氧化为CuO,其含量在94wt.%以上,并保持初始Cu粉的纳米尺寸。经250～450℃氧化的产物中有微量的Cu(3～4wt.%)保留下来,而500℃氧化的样品中未发现有Cu。用该方法制备的纳米CuO/Cu作为锂离子电池负极材料表现出良好的循环稳定性,其中,经450℃氧化的材料表现出最高的循环稳定性。经8个循环活化后,容量达到423mAh/g,经80次循环后,容量保持有377mAh/g,容量保持率接近90%。