聚苯胺包覆蛋白石页岩/硫复合材料的制备及其电化学性能

以蛋白石页岩为载硫体, 通过化学沉积法制备蛋白石页岩/硫复合材料, 再利用化学氧化聚合法在其表面包覆一层聚苯胺, 制备出一种新型的蛋白石页岩/硫-聚苯胺复合材料, 作为锂硫电池的正极材料。SEM、TEM和BET等测试结果表明蛋白石页岩呈层状多孔结构, 小尺寸硫在材料内分布均匀,聚苯胺包覆的厚度约为400 nm。电化学性能测试表明, 蛋白石页岩/硫-聚苯胺正极活化后放电比容量最高达到1164.93 mAh/g, 在0.5C (1.0C=1675 mA/g)倍率下, 循环300次后放电比容量为539.30 mAh/g, 库伦效率始终保持在95%以上, 说明蛋白石页岩具有良好的吸附性, 同时导电聚苯胺包覆层具有双效固硫的作用, 有利于吸附多硫化物和抑制穿梭效应。     

锂硫电池柔性正极材料研究进展

随着化石能源的日渐枯竭、能源危机和环境问题的日益突出,开发环境友好的二次电池能源体系迫在眉睫。锂硫电池作为一种新型的储能电池,其理论比容量高达1 675 mAh/g,质量密度可达2 600 Wh/kg,且原材料来源广、成本低等优点,使得其有望代替锂离子电池成为下一代理想的能源电池。近年来,可穿戴电子设备、智能纺织品的出现,对储能电池提出了更高的要求—柔性,因此开发柔性锂硫电池已经成为研究热点。作为锂硫电池的重要组成部分,柔性正极材料的研究和制备对柔性锂硫电池系统的开发至关重要。从锂硫电池柔性正极基体材料入手,对碳材料、导电聚合物材料和新兴的MOF材料等3个方面进行了分类总结,详细阐述了各自制备方法及对柔性正极性能影响。碳材料高的导电性和多孔结构设计、导电聚合物和MOF材料对多硫化物优异的化学吸附作用,均有助于抑制多硫化物的"穿梭效应",提升柔性锂硫电池的长循环电化学稳定性能。最后分析了现有锂硫电池柔性正极材料存在的缺陷与问题,对未来发展方向做出了展望。这将为开发新型的锂硫电池用柔性正极材料提供指导,同时为其它二次电池柔性正极材料开发过程中的共性问题提供实验和理论依据。     

高性能锂硫电池碳基硫宿主的研究进展

“双碳”战略要求新型储能器件具备更高的能量密度和更低的成本。锂硫电池因其低成本、环保和高比能(2600 Wh kg^-1)等优势,而成为储能领域中最具潜能的电池体系,已受到了广泛的关注及研究。近年来,锂硫电池已取得了系列进展,但仍面临一些问题与挑战,包括硫固有的电荷传输效率差、可溶性多硫化物的“穿梭效应”、充放电过程中的剧烈体积膨胀及锂枝晶的生长等,这些问题会导致锂硫电池性能下降甚至失效。碳基硫宿主具有多孔、高电导、轻质、大比表面积等优点,能够有效解决以上难题,已成为锂硫电池研究领域中的重要方向。而碳材料种类繁多,有碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米片、碳纳米花等,不同形貌或具备不同纳米尺度维度的碳纳米结构对锂硫电池的性能具有不同的影响规律。基于此,本文围绕高性能锂硫电池碳基硫宿主进行综述,分类综述了一维、二维、及多维复合碳材料在锂硫电池领域的应用及其性能,阐述不同维度碳基硫宿主对其电化学性能的影响规律,并对未来的研究方向进行了一定的展望。     

锂硫电池用杂原子掺杂碳纳米管/硫复合柔性自支撑正极的制备及电化学性能研究

碳纳米管膜具有丰富的孔道结构、大比表面积、高导电性及优异的柔性,可通过负载硫形成柔性碳纳米管/硫复合膜,用于锂硫电池正极材料。为了提高锂硫电池的循环稳定性,抑制“穿梭效应”,通过浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)分别制备了氮掺杂和硼掺杂的碳纳米管膜(N-CNT膜和B-CNT膜),然后通过浸渍工艺负载硫后得到掺杂型碳纳米管/硫复合柔性自支撑正极膜。微观表征显示：复合膜中硫和碳纳米管在纳米尺度复合均匀。复合膜均具有良好导电性：CNT正极电导率为4.62S/m, N-CNT正极电导率为0.86S/m, B-CNT正极电导率为1.29S/m。作为锂硫电池正极,B-CNT正极表现出最佳性能：在0.2C倍率下首次放电容量达到1197.3mAh/g, 200次循环后容量保持在950.2mAh/g, 1C倍率下放电比容量仍旧保持在615.5mAh/g。分析认为：碳纳米管良好的导电性和丰富的孔结构同时提供了高效的电子和离子传输通道;硼原子掺杂向碳纳米管引入极性,增强了碳纳米管网络对聚硫离子的吸附作用,抑制了“穿梭效应”。可为高比容、高循环稳定性锂硫电池正极材料研发提供解决思路。     

α-MoC1–x纳米晶富集碳球修饰隔膜对锂硫电池性能的影响

采用自组装及热处理方法合成α-MoC1-x纳米晶富集的纳米碳球(α-MoC1-x/CNS),并将其涂覆在商用聚丙烯隔膜上,对隔膜实现了界面修饰。电化学性能显示,与普通的聚丙烯隔膜相比,采用修饰的α-MoC1-x/CNS-PP隔膜组装的锂硫电池的循环稳定性和倍率性能均得到明显提升,在0.5C条件下,电池首周放电比容量提升至1129.7 mAh/g,经过100周充放电循环后,电池仍具有855.5 mAh/g的放电比容量,且在此循环过程中,库伦效率始终大于98%。在自放电测试中,电池经过48h静置后的容量损失率仅为7.7%。结合α-MoC1-x/CNS的微观形貌及XPS分析可知,在锂硫电池充放电过程中,α-MoC1-x/CNS修饰层有效地阻挡了多硫化锂向负极侧的扩散迁移,且当α-MoC1-x与多硫离子接触时能产生Mo-S键、硫代和连多硫酸根产物,进一步巩固了活性物质被约束的程度,从而使电池性能得到提升。     

TiO2-聚吡咯纳米复合材料的电化学制备及其在锂硫电池中的应用

采用电化学沉积的方法,以阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列为基底,制备出高度有序的TiO_2-聚吡咯(PPy)纳米阵列,再通过共热法,将单质硫颗粒负载到基底阵列中,得到S/PPy/TiO_2纳米阵列结构复合材料。扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱(EDX)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)表征结果表明,TiO_2纳米管高度有序平行排列,管径约120nm,聚吡咯均匀沉积在纳米管壁上,复合材料中硫的质量分数约为61.9%。电化学测试结果表明,在0.1C电流密度下,S/PPy/TiO_2纳米复合材料首次循环比容量达1155mAh·g-1,100次循环后比容量为648.4mAh·g-1,库伦效率保持在96.8%。高容量下良好的循环稳定性能显示出S/TiO_2/PPy纳米阵列结构复合材料作为锂硫电池正极材料的优势。     

锂硫电池石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能

以经活化处理的石墨烯(AG)为主体材料, 通过化学还原法制备了石墨烯负载硫的复合正极材料AG/S。SEM、EDX和TEM测试结果表明经活化处理后形成手风琴结构的AG, 有利于电解液的浸润; 活性物质硫均匀地负载在AG表面, 同时沉积在AG的层间。电化学测试表明: 在400 mA/g电流密度下, AG/S复合正极材料首次放电比容量为1452.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在909.7 mAh/g; 在1000 mA/g电流密度下, AG/S复合材料首次放电比容量为1309.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在717.1 mAh/g。AG/S复合正极材料的倍率性能、库仑效率和循环性能优异, 这得益于小尺寸的硫在材料中均匀分布, 活化石墨烯优良的导电性以及其结构对硫的固化作用。     

LiFePO4/聚噻吩复合材料的制备及电化学性能

通过化学原位聚合法成功制备了包覆良好的LiFePO4/聚噻吩(PTP)复合材料。采用傅里叶红外光谱(FTIR)和透射电镜(TEM)分别对PTP与LiFePO4之间发生相互作用及包覆情况进行系统地研究。采用电化学阻抗谱及恒电流充放电法研究了复合材料的电化学性能。结果表明,当PTP含量为9.6%时,能在LiFePO4的表面形成均匀的包覆层,试样具有最佳的电化学性能,C/12倍率下首次放电容量为158.2mAh/g,具有优良的循环性能及倍率性能。     

利用二硫苏糖醇夹层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,尝试以二硫苏糖醇(DTT)为剪切剂,对高阶多硫化物进行剪切以阻止其溶解。将二硫苏糖醇(DTT)掺入多壁碳纳米管(MWCNTs)纸中,制得DTT夹层,将该DTT夹层置于锂硫扣式半电池正极片和隔膜之间,正极片的载硫面密度约为2 mg/cm2。SEM观察结果证实DTT均匀分散在MWCNTs纸的表面和空隙中。电化学测试结果表明引入DTT夹层结构的锂硫电池在0.05C倍率首次放电比容量达到1 288 mAh/g,首次库伦效率接近100%,在0.5C、2C、4C倍率下充放电时的比容量分别达到650mAh/g、600mAh/g、410mAh/g。DTT夹层结构的引入可有效剪切高阶多硫化物并阻止其迁移到锂负极,从而抑制穿梭效应,改善锂硫电池的循环稳定性和库伦效率。     

液相制备石墨烯/硫复合材料及其在锂硫电池正极中的应用

采用氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)作为制备石墨烯的前驱体,通过液相还原自组装过程与硫纳米颗粒进行复合,获得了高性能的还原氧化石墨烯/硫(r GO/S)复合正极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱分析(XPS)等对材料微观形貌与结构进行表征。结果表明:硫纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层间,并且硫纳米颗粒被石墨烯片层有效地封装,硫在35-r GO/S复合物中的质量分数高达83.6%。该35-r GO/S复合正极在0.2C电流密度下初始放电容量可达1197.3mAh·g^-1,经过200次循环后容量仍保持在730mAh·g^-1左右,表现出优异的循环性能。     

高能球磨法制备Bi12SiO20粉体

以Bi2O3和SiO2为原料，采用高能球磨法制备了硅酸铋（Bi12SiO20）粉体。通过x射线衍射和扫描电子显微镜分析了合成粉体的相结构和形貌，研究了球磨时间对产物相组成的影响；使用红外光谱分析和拉曼散射光谱对球磨得到的样品进行了分析。结果显示：球磨8h后出现了Bi12SiO20的晶相结构；随着球磨时间的延长促进了Bi12SiO20的形成，从而提供了一种可以商业化大规模生产Bi12SiO20压电粉体的方法。     

铁/聚氯乙烯高能球磨的穆斯堡尔谱研究

用高能球磨法制备了铁 /聚氯乙烯 (PVC)纳米复合材料。穆斯堡尔谱学 (MS)用来测量复合材料中铁化合物的组分和铁的价态 ,结果表明复合材料中存在二价铁 (FeCl2 ·H2 O)、三价铁 ,还有界面谱垒加在原有的铁的六线谱上     

电化学研磨法制备超细镍粉

以锂离子电池为微反应器,电化学还原NiO制备了超细镍粉。X射线衍射结果表明所得粉末为纯相Ni,晶粒尺寸约5nm。激光粒度分布测试结果表明Ni粒度分布较窄,中位径集中在200～600nm。透射电镜照片显示颗粒粒径在80～200nm之间;放电电流密度的增加和放电温度的提高都使产物粒径有变大的趋势;在分散过程中加入不同的表面活性剂,可以提高产物Ni的分散性能。     

纳米硅/炭复合材料的制备及其电化学性能

将纳米Si粉以一定配比分散在石油重油中,在高压反应釜中经过460℃自升压热解反应,再经900℃炭化制备一种锂离子二次电池负极用纳米硅/炭（Si/C）复合材料。考察了纳米Si粉添加量对产物收率、微观结构及电化学性能的影响。结果表明：纳米Si粉的加入有助于提高固体产物的收率;在纳米Si/C复合材料中纳米Si粉均匀地镶嵌于炭基体中;纳米Si粉的晶型在热解反应前后没有发生变化。当纳米Si粉与石油重油质量比为5∶100时制备的纳米Si/C复合电极材料具有498mAh/g的首次可逆比容量和90%的充放电效率。     

Fe3O4/聚苯胺纳米复合材料高能球磨法制备及其性能研究

以Fe3O4粉体及导电聚苯胺为原料,用高能球磨法制备Fe3O4／聚苯胺纳米复合材料,用Moessbauer谱、XRD、FTIR、VSM等方法对样品进行表征。结果表明随着球磨时间的增加,Fe3O4的粒径迅速减小到纳米量级;Fe3O4表面与聚苯胺作用生成了某种顺磁性物质;同时有少量的α—Fe3O4生成;复合物中Fe3O4颗粒A、B晶位中Fe的含量发生了明显的变化。复合物的电磁性能也明显发生了改变。     

新型锡/碳复合材料的制备及其用于锂离子电池负极材料的研究

以煤焦油和SnCl2为原料,采用液相分散和碳热还原的方法制备了一种新型的锡/碳(Sn/C)复合材料.采用XRD、SEM及TEM手段对复合材料进行了结构表征,并对材料的电化学性能进行了检测.结果表明,金属锡以200nm大小的颗粒分散在碳材料中,复合材料的首次放电容量在371mAh·g-1,循环50次后比容量维持在305mAh·g-1以上,具有优异的循环性能.     

Microstructural characterization of Mg-SiC nanocomposite synthesized by high energy ball milling

High-energy ball milling is successfully used to produce magnesium matrix nanocomposites reinforced with SiC nanoparticles. Changes in morphology and microstructural features of the milled powders were characterized in order to highlight advantages of the mechanical milling process and evaluate the role of the SiC nanoparticles. It was observed that with increasing volume fraction of SiC nanoparticles, a finer nanocomposite powder with more uniform particle size distribution is obtained. A homogeneous distribution of SiC nanoparticles, even up to 10% volume fraction, in magnesium matrix after 25?h milling was confirmed by elemental mapping and TEM results. The analysis of the XRD patterns accompanied by dark-field TEM images revealed that magnesium crystallites refine to fine nanocrystalline sizes after the mechanical milling. The results showed that the crystallite size of the magnesium matrix reduced with increasing SiC nanoparticle content in addition to the induced lattice strain.