钴-碳框架封装作为固态电解质层实现稳定的氧化硅负极用于锂存储（英文）

非化学计量的氧化硅(SiO_x,0x体积变化.h-SiO_x@Co@N-CNTs作为锂离子电池负极材料,具有优异的循环稳定性和高倍率性能.以0.2 A g^-1的电流密度循环370次,容量为701 mAh g^-1,容量保持率为100%.另外,在1.0 A g^-1电流密度下循环500圈,容量没有衰减.结果表明,所合成的锂离子电池结构具有一定的优越性,对材料的优化也有一定的启发作用.     

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。     

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.     

基于三维电子离子共导亲锂骨架的高容量、高倍率和无枝晶锂金属负极（英文）

锂金属负极因具有较高的理论容量和最低的氧化还原电位有望成为下一代电池负极材料,而严重的锂枝晶生长阻碍了其实际应用.本文中,我们制备了Li₃P纳米片和Ni纳米颗粒修饰的泡沫镍结构作为无枝晶锂金属负极的三维骨架.其中Li₃P纳米片表现出优异的锂离子电导率和优异的亲锂性,三维镍骨架可提供足够的电子电导率并确保结构稳定性.由该负极组装的对称电池具有低电压滞后和长循环稳定性(在20 mA cm^-2和10 mA h cm^-2下电镀/剥离循环500次后的电压滞后为104.2 mV).同时,由该负极和商用LiFePO₄正极配对的全电池具有较好的循环稳定性(180次循环后的比容量为124.6 mA h g^-1,对应容量保持率为90.8%).这种方法制备的三维电子离子共导亲锂骨架为高电流密度下无枝晶锂负极提供了一种潜在的可扩展选择.     

还原氧化石墨烯原位包覆纳米MnTiO3颗粒的简易合成及储锂性能研究

对于高能量密度的锂离子电池而言, 研究稳定、高容量负极材料的需求十分迫切。基于此, 本工作设计了一种简单有效的溶胶-凝胶法, 来合成高性能的被还原石墨烯氧化物原位包覆的MnTiO₃纳米颗粒(MnTiO₃@rGO)。合成的MnTiO₃纳米粒子分散均匀, 被少层的石墨烯包裹。由于还原氧化石墨烯的高电导率, MnTiO₃@rGO作为锂离子电池负极表现出优异的倍率性能, 在5.0 A·g^-1的高电流密度时, MnTiO₃@rGO展现出了286 mAh·g^-1的比容量。此外, 得益于MnTiO₃@rGO的多孔结构和柔性的还原氧化石墨烯外层, MnTiO₃@rGO负极具有显著的长期循环稳定性。在500个循环后, 比容量仍保持在441 mAh·g^-1, 仅损失了8.4%。结果表明, 该方法对提高金属氧化物负极的导电性和循环稳定性具有较高的应用价值。     

强耦合氧化钼氮碳复合材料的制备及其锂离子存储性能研究（英文）

氧化钼(MoO₃)是一种具有吸引力的锂离子电池(LIBs)负极材料;然而,其导电性低、锂化后体积膨胀大、锂离子扩散动力学缓慢等特点严重限制了其实际应用.本文中,我们利用高量Mo/N掺杂的碳前驱材料合成了超细的MoO₃纳米颗粒(NPs,10-15 nm),所合成的MoO₃NPs被限制在原位生成的N掺杂碳网络结构中.这种设计既促进了快速的电子传导,又缩短了锂离子扩散路径;同时,MoO₃表面丰富的氮物种和氧缺陷有助于降低锂离子的吸附能垒,这些共同支持了MoO₃ NPs在高电流倍率下耐久储锂性能的提升.值得注意的是,所获得的NCMoO₃纳米复合材料表现出1362 mA h g-1(0.1 A g^-1)的较高容量,并在10.0 A g^-1时保持394 mA h g^-1的可逆容量.全电池测试表明:在大倍率5 C下,LiFePO₄//NC-MoO₃-400电池仍...     

吩嗪类衍生物用于快速充放电和长寿命的水系钾离子全电池负极（英文）

有机电极材料因具有结构多样性和可持续性,在水系钾离子电池研究领域展示出广阔的前景,但它们大多数存在导电性差、易溶于电解液的问题,导致电极活性物质利用率低、循环稳定性差.本文通过含氮苯环的共轭延申、引入氰基活性中心,获得了3CN-HATN.与经#吩嗪负极相比,3CN-HATN的最低未占据分子轨道能级更低,更容易被还原,且其能带隙较窄,改善了导电性,其共轭结构可有效抑制循环过程中3CN-HATN的溶解.3CN-HATN负极在80 C (1 C=350 mA g^-1)下比容量高达233.8 mA h g^-1,将其与Ni(OH)₂正极匹配,构建的水系钾离子全电池具备优异的循环稳定性和快充性能,30 C下循环10,000圈后容量保持率达81.5%.     

具有共价键特征的金属-有机基团促进高性能钾离子电池（英文）

钾离子电池(PIBs)面临的一个关键问题是设计具有先进结构的负极材料,以实现快速电荷传输以提高钾的存储性能.采用碳二亚胺铁(FeNCN)作为阳极,由于其含有一定数量的共价键且在分子水平上具有稳定的结构,使得储钾系统能够实现优异的电化学性能.FeNCN阳极具有高导电性,带隙接近0 eV,并且由于其共价键结构具有良好的结构稳定性.此外,无定形反应产物也为离子扩散提供了多种途径.因此,FeNCN阳极表现出高可逆比容量(在50 mA g^-1电流密度下具有600 mA h g^-1比容量),显著的倍率性能和长寿命循环(电流密度为500 mA g^-1时拥有400 mA h g^-1比容量且超过300次循环).通过理论模拟、X射线原位衍射分析和X射线光电子能谱分析揭示了Fe²⁺和K⁺之间的转化反应机理.此外,将FeNCN负极与苝-3,4,9,10-四羧酸二酐正极材料匹配,组装成的全电池在198.6 Wkg^-1的功率密度下实现了184.7 W h kg<...     

电子堆积工程调控二硒化镍纳米片助力具有快速动力学的钠离子电池（英文）

近年来,钠离子电池电极材料引起了研究者们极大的兴趣.过渡金属硒化物具有高钠离子存储容量,是一种具有前景的钠离子电池负极材料.然而,该类材料较低的电导率以及钠离子脱嵌过程中巨大的体积膨胀,导致了其较差的钠离子电池倍率性能和循环寿命.本工作采用二维的双金属有机框架材料为模板,设计制造了多孔铁掺杂NiSe₂纳米片材料(Fe-NiSe₂@C NSs),该结构具有充分暴露的活性位点,增强的电导率,丰富的空隙和短电子传输路径,易于适应钠离子脱嵌带来的体积膨胀应力,并具有快速的电荷转移动力学.作为钠离子电池负极材料时,Fe-NiSe₂@C NSs表现出高比容量(5 A g^-1电流密度下为302 mA h g^-1)和优异的循环稳定性(5 A g^-1的电流密度下循环1000圈容量保持率为99%).此外,该材料在与Na₃V₂(PO₄)₂O₂F正极材料组成的钠离子全电池...     

具有异质结构的多功能氧化石墨烯改性纳米纤维膜(ZnS-CoS@GO@CNFs)用于长期稳定的钾离子储存（英文）

过渡金属硫化物作为钾离子电池的高理论容量阳极,由于其电导率低、循环过程体积膨胀大,导致其倍率性能和循环稳定性较差.本文采用氧化石墨烯(GO)来控制纳米颗粒在纤维中的粒径和分布,以提高复合纤维的导电性和拉伸变形.此外,由异质结构和氧化石墨烯组成的三维导电碳网络(ZnS-CoS@GO@CNFs)可以加速钾离子储存的动力学并稳定钾离子储存.作为钾离子电池的阳极材料,该复合材料在3 A g^-1下具有210 mA h g^-1的优异倍率性能.在2 A g^-1的大电流下经历2800次循环后仍表现出171 mA h g^-1的容量,容量保持率为97.7%.此外,当纳米纤维膜用作自支撑阳极时,仍然可以保持稳定的容量输出(在0.1 A g^-1下100次循环后容量为302 mA h g^-1).由钾离子混合电容器组装的可折叠袋状电池在多角度重复弯曲和最终恢复的情况下仍然可以安全地工作,并且可以提供大的能量密度(134 W h kg^-1)和功率密度(5815 W...     

基于转化-合金化机制的钠离子电池PbSe@CNTs负极材料（英文）

钠离子电池作为新型的储能电池体系因钠资源储量丰富、成本低廉等优势有望填补锂离子电池在某些应用领域的空缺,非常适用于大规模储能领域.然而,高容量储钠负极材料仍然需要进一步研究.本文以废旧铅酸电池的回收铅和商业化硒粉为原料,采用机械球磨法制备了纳米硒化铅与碳纳米管(PbSe@CNTs)的复合材料.碳纳米管网络缠绕在PbSe纳米粒子上,可有效抑制纳米粒子的团聚,同时提高了电子导电性.纳米级的PbSe和拓扑结构的CNTs有利于电解液的渗透,缩短了Na+和电子的传输路径,缓解了脱嵌钠过程中的机械应变,提高了倍率和长循环稳定性能.PbSe@CNTs电极在20 mA g^-1电流密度下具有597 mA h g^-1的可逆比容量,在100 m A g^-1循环100圈仍保持458.9 mA h g^-1的可逆比容量,容量保持率为88%.通过X射线衍射和拉曼光谱分析,证实了PbSe的储钠机理为两步转化-合金化过程,反应方程式为PbSe+5.75Na⁺+5.75e^-?0.25Na     

内膨胀核-缓冲-壳结构Si/EG/C复合材料应用于高性能锂离子电池负极（英文）

本文采用球磨和喷雾干燥法,制备了类西瓜型可控内膨胀核-缓冲-壳结构Si/电化学剥离石墨烯/C(Si/EG/C)复合材料.在纳米硅和碳壳之间填充了含大量褶皱和空隙的EG,不仅缓冲了Si/EG/C颗粒内部硅的体积变化,还提供了锂离子的快速传输通道.凭借这些优势,核-缓冲-壳结构的Si/EG/C表现出优异的电化学性能.半电池中Si/EG/C负极在100次循环后相对于初始容量没有下降(834 mA h g^-1).此外,Si/EG/C//LiCoO₂全电池在500次循环后相对于初始放电容量的容量保持率接近100%.这些结果表明Si/EG/C在下一代锂离子电池中具有潜在应用前景.     

基于废弃生物质原位合成蜂窝状镶嵌ZnS纳米点的N-S共掺杂炭纳米片的制备及其锂离子电池性能（英文）

以ZnCl₂为硬模板和锌源，三聚氰胺和硫脲为氮源和硫源，废弃生物质橘子皮为碳源，通过高温烧结和后续蚀刻处理制备出硫化锌纳米点与三维N-S共掺杂炭纳米片的纳米复合材料(ZnS/NS-CN)。当应用于锂离子电池时，ZnS/NSCN表现出较高的可逆容量(0.1 A g^-1下，循环300次后容量仍有853.5 mAh g^-1)，优异的长期循环稳定性(5 A g^-1下，循环1 000次后，容量保持率为70.1%)和优异的倍率性能。此外，在0.5～4 V下组装和测试的ZnS/NS-CN//LiNiCoMnO₂全电池表现出优异的电池性能(在0.2 C下循环150次后容量为140.4 mAh g^-1，能量密度为132.4 Wh kg^-1)。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料，但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题，本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料，HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度，丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积，从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^-2、沉积电量为1.0 mAh·cm^-2条件下可以循环超过250周次，其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO₄)正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO₄全电池，在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^-1,较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO₄全电池(60.8 mAh·g^-1)提升了32.8 mAh·g^-1。     

锂离子电池硅炭负极材料的制备与电化学性能研究（英文）

利用微胶囊技术将酚醛树脂包覆于纳米硅表面，然后在氩气保护下高温炭化，制得硅炭复合负极材料。首先采用4种不同质量比的酚醛树脂与纳米硅制备了硅碳复合材料，得到了不同炭质厚度的硅碳复合材料。通过对其循环性能和倍率性能的比较，发现酚醛树脂与纳米硅的质量比为1∶4，即碳层厚度为4.5 nm时，电化学性能最佳。随后对该种硅碳复合材料的综合电化学性能进行了测试，该材料作为负极制备的锂离子电池具有良好的电化学性能，在电流密度为100 mA g^-1的条件下，其首次放电比容量为2 382 mAh g^-1，首次充电比容量为1 667 mAh g^-1，首次库伦效率为70%。经200次充放电循环后放电比容量为835.6 mAh g^-1，库伦效率为99.2%。此外，其倍率性能非常优异，在100、200、500、1 000、2 000及100 mA g^-1电流密度下，其平均放电比容量分别为1 716.4、1 231.6、911.7、676.1、339.8及1 326.4 mAh g^-1...     

新型高能量密度锂离子电池负极Li21Si5/石墨烯复合材料的合成与性能研究

本研究利用放电等离子烧结技术同时实现热化学锂化与致密化, 制备得到Li₂₁Si₅与石墨烯两相分布均匀、高致密度的纳米结构复合材料。石墨烯的二维结构、优异的电导率以及大量结合紧密的两相界面能够有效地限制活性颗粒在脱锂过程中的体积收缩并促进电荷在活性颗粒内部的传输, 促使该复合材料表现出优异的电化学性能。预脱锂和首次嵌锂比容量分别为968和1007 mAh∙g^-1, 达到商业化应用锂-碳体系的3倍, 首次库伦效率达到94.5%。循环100圈后比容量仍然可保持在590 mAh∙g^-1, 循环稳定性相比于采用碳颗粒制备的复合材料提升了1倍。即使在1 A∙g^-1的高电流密度下循环, 比容量仍可保持在540 mAh∙g^-1。本研究为设计开发应用于锂离子硫、锂离子氧等高能量密度电池体系中的富锂合金负极材料提供了新的途径。     

石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12对Si/C负极表面固体电解质中间相的调控机制研究

硅(Si)负极在充放电过程中巨大的体积变化会导致固态电解质中间相(SEI)破裂和硅颗粒粉化, 进而造成容量快速衰减。本研究报道了一种利用Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂(LLZTO)固体电解质调节Si/C负极表面SEI成分的策略。将LLZTO层均匀地涂覆在商用化聚丙烯(PP)隔膜表面, 不仅提高了电解液对隔膜的润湿性, 均匀化锂离子通量, 并且增大了SEI中无机组分的比例, 从而增强Si/C负极的界面稳定性。得益于上述优势, 使用LLZTO修饰的PP隔膜所组装的锂离子电池表现出更为优异的循环稳定性和倍率性能。Li-Si/C半电池的可逆容量为876 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=1.5 A·g^-1)的倍率下, 200次循环的容量保持率为81%; 而LFP-Si/C全电池的比容量为125 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=170 mA·g^-1)的倍率下循环100次后容量保持率为91.8%。该工作中LLZTO固体电解质调节了Si/C负极表面SEI成分, 为开发高性能硅基锂离子电池提供了新思路。     

氢化TiO2包覆核壳C/Fe3O4@rGO锂离子电池阳极材料

通过一种简便的方法制备氧空位缺陷的氢化TiO₂包覆核壳结构C/Fe₃O₄@rGO(H-TiO₂/C/Fe₃O₄@rGO)复合材料，作为锂离子电池(lithium-ion batteris, LIBs)高性能阳极材料。TiO₂在Li⁺脱嵌过程中体积膨胀系数约为4%,可缓解Fe₃O₄在充放电过程中的体积膨胀，提高阳极材料结构的稳定性。同时，通过氢化处理改善TiO₂较低的电导率(约1×10^-12 S·m^-1)。H-TiO₂/C/Fe₃O₄@rGO在0.3 A·g^-1的电流密度下循环200周次后比容量为867 mAh·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下循环700周次的比容量为505...     

B掺杂MnO2的制备及其电化学性能

用一步水热法制备B³⁺掺杂Birnessite-MnO₂负极材料,使用XRD,Raman,SEM,TEM,XPS和恒电流充放电等手段表征了材料的结构和电化学性能。结果表明,B³⁺掺杂前后的MnO₂都是由二维纳米片组装而成的花球,B³⁺离子掺杂使纳米片的厚度减小,从而缩短了锂离子和电子在材料内部的传输路径;掺杂适量的B³⁺离子,使Birnessite-MnO₂的电荷转移电阻显著降低。B³⁺掺杂比例为9%的电极材料,具有最优的电化学性能。在电流密度为100 mA·g^-1和1000 mA·g^-1的条件下,首次充电比容量分别为855.1 mAh·g^-1和599 mAh·g^-1,循环100次后仍然保有805 mAh·g^-1和510.3 mAh·g^-1的可逆比容量,容量保持率分别为94.1%和85.2%。     

高性能自支撑不锈钢网@MoS2锂离子电池负极材料

为了提高MoS₂作为Li离子电池负极材料整体的导电性和稳定性,将纳米化的MoS₂与其它导电性好的材料进行复合,通过水热法在导电基底不锈钢网(Stainless steel net, SS)上原位合成了一层MoS₂纳米花,制备了无粘结剂的自支撑结构的SS@MoS₂负极材料。纳米花状的MoS₂和导电性优异的SS提高了电子和Li离子的扩散速率,同时改善了电极的反应动力学。当作为Li离子电池负极材料时,SS@MoS₂电极表现出优异的储Li性能,特别是具有显著的大倍率充放电性能,即在1 000 mA/g的大电流密度下循环600次,比容量仍保持在862.1 mA·h/g。