实用大容量三电极方形锌空气电池

锌空气电池具有高安全、大容量、低成本和低自放电等特性,因此获得广泛关注.可充电式锌空气电池在商业化过程中最重要的问题在于难以找到合适的双功能催化剂同时长时间实现氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER),而三电极电池结构是一个有效解决此问题的方案.另外,大容量方形锌空气电池在商品化过程中的耐漏液性能极其重要.本文报道了一...     

MXene基纳米材料在氧还原电催化中的应用

氧气还原反应(ORR)是燃料电池和金属-空气电池中的一个关键过程,反应动力学缓慢是制约其发展的瓶颈.MXene基纳米材料(包括MXenes复合材料)作为一种新型的二维层状材料,具有丰富的组成、高比表面积和化学稳定性、可调电子状态、大量暴露的活性位点等独特的结构特点,被认为是当前最有前途的一类ORR电催化剂或载体.开发高性能MXene基ORR催化剂为加速燃料电池和金属-空气电池阴极的缓慢ORR提供了新的途径.本文通过对近期相关文献进行分类总结,综述了MXene基ORR催化剂的设计原则,着重介绍了MXenes和MXenes复合材料在合成策略,组分、形态、结构与其电催化性能之间的构效关系,以及材料电催化反应机理等方面的最新研究进展.综合分析表明,通过构建MXene/过渡金属氧化物、MXene/过渡金属硫族化物、MXene/过渡金属氮化物、MXene/碳基材料、MXene/金属等MXenes复合材料,有望获得高活性、高稳定性的MXene基ORR催化剂.最后,本文提出该类催化剂目前在实际应用中面临的挑战,并指出MXene基纳米材料在电催化ORR方面的未来发展趋势.     

MOFs及其衍生物在锂-氧气电池正极中的研究进展

金属有机骨架材料(MOFs)及其衍生物因其灵活多变的化学组成和多孔结构等独特优点而成为锂-氧气(Li-O2)电池正极的候选催化剂.本文通过对近期相关文献的分析,综述了MOFs基催化剂的设计和合成策略,重点介绍了MOFs热解衍生碳基材料、MOFs衍生单原子催化剂以及原始MOFs材料在Li-O2电池中的应用,分析了MOFs...     

可充锌空气电池一体化空气电极研究进展北大核心CSCD

可充锌空气电池具有比能量高、工作电压稳定、安全性好、无环境污染等优势,被人们认为是最有前景的绿色能源装置之一。然而,可充锌空气电池的空气电极在充放电过程中需要发生可逆的氧还原和氧析出反应。由于该类反应涉及固-液-气三相界面,因此动力学过程非常缓慢。所以,设计具有高效催化作用的空气电极尤为重要。本论文从可充锌空气电池原理和空气电极结构出发,介绍了传统空气电极与一体化空气电极的结构特点和性能差异。通过对近几年的可充锌空气电池一体化空气电极相关文献的探讨,本文综述了不同导电基底和催化剂组成的一体化空气电极的制备及其锌空气电池性能的研究进展。着重对碳基和金属基一体化电极的优缺点和存在的问题进行总结,提出了这两种电极未来的优化改进方向。进一步介绍了空气电极三相界面结构的重要性和改进策略,分析表明,构建合理的三相界面能够有效提高电化学反应的传输动力学。最后对可充锌空气电池在实用化进程中需要解决的难点问题进行了总结和展望。     

Research progress of calcium battery

多价电池的发展为解决目前锂离子电池安全性差、成本高及能量密度低的瓶颈提供了机会。相比于锌和镁,钙不仅储量大,而且氧化还原电势（-2.87 V）及密度更低;然而,钙金属电池相比其它多价电池得到的关注依然较少,主要原因在于非质子电解液中钙金属表面形成的钝化层无法有效传导Ca²⁺,进而导致相应的沉积过程难以实现;同时,稳定的储钙电极材料的研究也成为钙金属电池进一步发展的另一挑战。本文对金属钙及其合金负极在不同电解液中的电化学行为、嵌入类型（普鲁士蓝类、氧化钒等）及转换类型（钙氧电池、钙硫电池）等所涉及到的钙金属电池正极材料的研究进展进行详细综述。     

当前实用和未来发展Pt-非Pt氧还原电催化剂研究进展

燃料电池阴极侧氧还原反应由于其迟缓的动力学,使得贵金属铂成为最为高效的电催化剂,成本高昂,限制燃料电池规模化应用。开发低成本、高性能、可实用氧还原电催化剂尤为重要。基于课题组多年在实用化燃料电池氧还原电催化剂的研究情况,综述面向当前实用和未来发展的铂-非铂电催化剂的研究进展。重点介绍实用化高载量、高活性、高结构稳定性铂基电催化剂合成策略以及在燃料电池膜电极中的性能高效表达,同时阐述非铂碳基催化剂理性设计、可控制备。此外,对该研究方向的发展进行展望,以期加速燃料电池关键材料国产化。     

MOFs衍生结构在新型二次电池电极材料中的应用

金属-有机框架(MOFs)衍生结构,作为能量存储和转换领域的热点材料,对其在二次电池电极材料中的应用现状及其发展趋势进行综述,可为开发高效二次电池电极材料提供科学指导.在此,详细论述MOFs衍生结构在锂离子电池、锂氧电池、锂硫电池、锂-硒电池、钠离子电池和锌空电池等为代表的新一代的二次电池系统设备中的应用及其研究现状,并针对相关二次电池涉及的具体电化学原理进行概述.研究发现,通过针对不同种类二次电池其特定的结构特性来指导MOFs衍生材料的设计,可获得综合电化学性能提升的高效功能材料.与此同时,MOFs衍生材料的几何结构和成分组成与其相应电化学活性之间的“构-效”关系仍然不明,电化学能量存储和转化过程中的基本机理解释尚不完善,因此,还需不断深入研究,以实现新型二次电池的商业化应用.     

共价有机框架材料(COFs)在氧电极电催化中的研究进展

在碳达峰、碳中和的目标之下,燃料电池、金属-空气电池、电解水等清洁能源技术提高了能源利用率,在未来将成为新的能源消费方式.氧还原反应(ORR)、氧析出反应(OER)因其缓慢的动力学过程而导致此类清洁能源技术的发展受到阻碍.贵金属催化剂虽被认为是最高效的催化剂,但其成本高、稳定性低,寻找非贵金属催化剂已成为相关研究的趋势.共价有机框架材料(COFs)作为一类新兴的材料,由有机单体通过特殊的共价键连接而成,因其具有可调控的结构、低密度、高稳定性、较大比表面积等独特的优点,通过合理的设计策略,将其应用于电催化剂的研究在近年来逐步兴起.本文回顾了近期适用于ORR、OER及ORR/OER双功能电催化的二维COFs(2D COFs)材料,主要介绍了以纯COFs作为电催化剂、COFs与其他材料形成复合结构、COFs热解碳化等策略制备高效电催化剂,并从分子设计及电子调控等层面上梳理了上述策略对电催化活性中心的形成或电催化活性提升的原因,对当前存在的问题提出总结,以期在今后的研究中起到一定借鉴意义.     

单原子催化剂在氢燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展

氢燃料电池是一种高效、环境友好以及零碳排放的能量转化技术,然而高成本的贵金属催化剂阻碍了其规模化应用。单原子催化剂因具有高原子利用率、高催化活性和选择性、低成本等优点,对氧分子表现出优异的催化还原性能,在氢燃料电池中具有广阔的应用前景。如何设计合成高效和低成本的单原子催化剂成为该领域的研究热点。重点综述贵金属单原子催化剂和非贵金属单原子催化剂在氢燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展,总结提出增强单原子催化剂氧还原性能的调控策略,包括配位结构、局域环境、双原子对、缺陷位点以及暴露活性位点等调控机制,为从原子尺度设计高效氧还原催化剂提供了思路借鉴,并对氢燃料电池氧还原单原子催化剂的发展机遇与挑战进行了展望。     

一种新型水系锌离子电池正极材料NiCo_(2)O_(4)的制备和电化学性能北大核心CSCD

水系锌离子电池的能量密度高、稳定性好、安全系数高。NiCo_(2)O_(4)材料作为双过渡金属氧化物,其导电性能和电化学活性都很出色,本工作首次采用NiCo_(2)O_(4)材料作为水系锌离子电池的正极。采取了溶胶-凝胶法加煅烧热方法制备出立体尖晶石状的NiCo_(2)O_(4)材料,借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱分析技术(EDS)和电化学技术等表征测试手段,分析这种新型水系锌离子电池正极材料的形貌和电化学性能。结果表明,立体尖晶石状的NiCo_(2)O_(4)材料有着优良的纯度和结晶性,颗粒分散均匀,没有团聚,无杂质且具有良好稳定的充放电性能。电极在100 mA/g电流密度下,首次放电比容量为92 mA·h/g,100圈充放电测试后放电比容量为60 mA·h/g,200圈后,放电比容量保持在44 mA·h/g。但在循环倍率测试中发现,当电流密度较大时,NiCo_(2)O_(4)电极产生了27 mA·h/g的衰减,在一定程度上有着不可逆的冲击破坏。本研究有助于推动水性锌离子电池电极的应用,为高性能水性锌离子电池电极材料的研发提供实验依据。     

金属有机框架及其衍生金属氧化物在锂和钠离子电池中的应用

高性能锂和钠离子电池是未来便携电子设备、电动汽车和大规模储能电站的重要组成部分,受到了各行业的广泛关注。目前商用的锂离子电池和研发中的钠离子电池都面临着一些技术瓶颈,主要表现为能量密度低、充放电慢等,导致无法满足市场的需求。具有独特结构、高比表面积的金属有机框架及其衍生金属氧化物可作为电化学储能器件新型电极材料,满足高性能锂和钠离子电池的要求。本文综述了近年来金属有机框架及其衍生金属氧化物作为锂和钠离子电池电极材料的研究进展,同时指出了金属有机框架及其衍生金属氧化物在实际应用中的不足及未来可能的一些改进措施。     

阴离子氧化还原反应对富锂锰基正极材料的影响及其改性策略北大核心CSCD

兼具高能量密度、高功率密度、长循环寿命性能的正极材料是当下电池储能材料研究的重点,也是储能市场的重要需求。富锂锰基正极材料(LRMO)因其极高的放电比容量(≥250 mAh/g)、较高的工作电压(4.2~4.5 V vs.Li/Li^(+))、低成本且环境友好等优点成为当下最具应用前景的正极材料之一。虽然金属阳离子和阴离子依次或同时进行的氧化还原反应使LRMO材料的容量超过了传统层状氧化物,但首次不可逆容量高、循环和倍率性能较差等一系列的问题阻碍了其工程化应用,这与材料中阴离子氧化还原反应紧密相关。本文首先介绍了LRMO材料的晶体结构,然后基于分子轨道理论,回顾了LRMO材料的能带结构与阴阳离子氧化还原反应的联系,总结了阴离子氧化还原反应对富锂锰基正极材料的影响,包括高容量、不可逆的氧流失、过渡金属离子迁移。同时,分别从过渡金属比例调节、表面修饰、离子掺杂三个方面总结了近些年国内外研究人员针对阴离子氧化还原反应造成的负面影响设计的改性策略。最后展望了LRMO材料理论研究与应用研究的大致方向。     

德国的电动邮车

锌-空气电池即将替代汽油和柴油,作为德国邮递车辆的动力。从1995年起,用更换电极而简化充电操作并可储存大量电能的新型锌-空气电池,将装于40辆电动邮车并上街运营。从长远来看,德国邮政准备把其车队数百台车辆的80％改换成电动车。 德国电信、西门子和BMW公司以及一些城市的议会都已宣布,要采用耶路撒冷电力燃料有限公司（EFZ）的物理学家研制的这种新型电池技术。 锌-空气电池的能量密度为207Wh/kg,虽比汽油和柴油低,但比镍镉电池高4倍,比铅酸蓄电池高10倍。 目前可用于电动车的电池大多重而昂贵,使用寿命仅几年。用铅酸蓄电池二次充电仅能行驶50km,且充电过程需数小时。而EFL公司的锌-空气电池可在-20℃温度下工作,本身无自放电,既不会燃烧也不会爆     

Review on sodium-air batteries

由于成本廉价、储存丰富的钠资源及其电池的高能量密度,二次钠-空气电池的研究引起了人们广泛的关注。不同于其它金属-空气电池的电化学机理的发现给钠-空气电池的发展带来了独特的优势以及挑战。本文全面地论述了目前钠-空气电池的研究现状,对基于不同放电产物的电化学机理发展现状和存在的问题进行总结,并提出可能的解决办法,最后对钠-空气电池研究的关键问题进行了总结,并展望了其未来研究方向。     

新的铂-钴纳米催化剂应用于燃料电池大大提高活性和稳定性

康奈尔大学能源材料中心(EMC)研究团队于2012年10月31日表示,正在开发帯有富铂外壳的铂-钴纳米颗拉,在燃料电池的应用中,它对氧还原反应显示出良好的催化活性。大大提高了反应活性和稳定性并降低成本。一类新的铂-钴纳米催化剂由有序的Pt 3 Co金属     

锂金属负极的研究策略

全固态电池由正极材料、固态电解质和锂金属负极组成,锂金属负极是全固态电池的重要组成部分.锂金属负极的成功应用不仅可以提高电池能量密度和安全性能,还能降低现有电化学体系的制造成本,全面取代液态锂离子电池.但在实际的应用过程当中,锂金属负极还存在着下列难以解决的问题:锂枝晶、"死锂"粉末化、体积膨胀和抗空气氧气稳定性.针对...     

生物质衍生碳材料在全钒液流电池电极方面的应用北大核心CSCD

电极是全钒液流电池的重要组成部分,是电解液中不同价态钒离子发生电化学反应的场所。理想的液流电池电极需要同时具备电导率高、比表面积大、润湿性好、耐腐蚀、成本低廉的特性,而目前的材料往往不能兼顾。生物质衍生碳材料具有独特的多孔结构,且含有丰富的氧官能团和氮、磷、硫等元素,可以为电化学反应提供更多的活性位点,被广泛应用于电极材料中。本文回顾了生物质衍生碳材料作为电极或电极催化剂,在全钒液流电池中的应用和研究进展,重点讨论了材料的制备方法、结构组成及其电化学性能,有利于加深人们对电极“构-效关系”的理解,以期设计出更好的电极材料,提高全钒液流电池的性能,降低成本,推进全钒液流电池产业化的发展。     

碳粉催化剂镍基体空气阴极微生物燃料电池特性研究

试验以泡沫镍材料作为空气阴极MFC的电极材料,并利用碳粉作为催化剂,在1.24 A/m2的电流密度下获得了214 mW/m2的最大功率密度输出。电位分析结果表明,阴极开路电位为+12 mV,阳极开路电位为-466 mV。采用改变外阻的调节方式,获得了18.6%~57.8%的库伦效率。试验结果表明,碳粉可以作为催化剂材料在泡沫镍基体空气阴极MFC系统中使用。     

Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteries

锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系,估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密度,对于确定锂电池的发展方向和研发目标具有重要的参考价值。本工作根据主要正负极材料的比容量、电压,同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、黏结剂、隔膜、电解液、封装材料占比,计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池电芯的预期能量密度,并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度,为电池发展路线的选择和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出,电池能量密度只是电池应用考虑的一个重要指标,面向实际应用,需要兼顾其它技术指标的实现。     

锂电池硫/硒正极材料的研究进展

锂硫电池的能量密度高,原料价格低廉,具有成本优势,是一种最具潜力的二次电池之一。然而受限于硫正极的低导电性以及多硫化物溶解导致的循环寿命衰减等因素,锂硫电池仍不能得到很好的商业化应用。作为硫的同主族元素,硒具有良好的电导率和可观的体积容量。结合了硫和硒的优点,硫硒固溶体（Se_xS_y）引起了人们的极大关注。Se_xS_y的导电性好、比容量高,但仍然存在穿梭效应、电解液匹配性和循环过程中体积变化大等问题。本文分析了近期锂电池Se_xS_y基正极材料的研究现状,主要总结了碳材料、金属化合物、金属-有机框架和杂原子掺杂材料四个方面的相关研究进展,介绍了本课题组在Se_xS_y基正极材料方面的部分研究成果,并对锂-硫/硒电池的未来发展前景进行了展望。