计算机模拟在不同类型离子电池电极材料中的研究进展

高能量密度储能装置的锂硫电池和钠离子电池等新型电池体系正在迅速发展。简要概述了锂离子电池、锂硫电池和钠离子电池的正负极材料,着重就第一性原理、分子动力学、蒙特卡罗及有限元方法在电极材料中的研究进展,以及在材料的晶体结构、电子结构、离子的输运过程、材料中的温度和应力分布以及掺杂改性等方面的应用进行了综述,对计算模拟技术在电极材料中的应用前景进行了展望。这些理论研究成果将有助于加深对材料和电池性能之间关系的理解,并对新电池体系材料的设计和研发具有理论指导意义。     

锂离子电池异构建模及内部传质机理探究：粒径分布的影响

锂离子电池是目前应用较广的储能设备,具有能量密度高、使用寿命长等特点。随着锂离子电池正极材料实际能量密度接近理论值,电池组装工艺参数的优化成了提升其性能的重要途径,其中电极颗粒粒径及分布是十分重要的参数。因此,本文针对石墨-LiFePO₄体系锂离子电池,利用异构模型构建单粒径和双粒径电极的几何结构,再结合Newman模型模拟其放电过程,定量研究了正极材料粒径分布对锂离子电池性能的影响,探究了存在粒径分布的电极中不同粒径的颗粒在充放电过程的作用机制。模拟结果表明,粒径的减小可以减小固相扩散系数对电池性能的影响,但会增加液相扩散阻力;而粒径的分布可以促进锂离子在电解液中的扩散,提高小粒径颗粒的锂嵌入量,但会引起极化增大,导致大颗粒的锂嵌入量降低。粒径分布宽度越大,总体粒度越大,锂离子电池的能量密度越小。选择合适的粒径分布宽度,适当减小总体粒度的大小,能有效提升电极的能量密度。研究结果对于锂离子电池电极活性材料颗粒粒径分布的选择提供了有益的基础知识和指导。     

锂离子电池正极涂层孔隙结构优化的数值模拟

以磷酸铁锂(LFP)为正极材料的锂离子电池在电子产品、电动汽车等领域应用广泛,但其能量密度仍有待提升以进一步满足不同场景应用需求。锂离子在正极孔隙电解液中的扩散过程是LFP锂离子电池性能的控制因素之一,通过优化电极孔隙结构可以在一定程度上减小锂离子在电解质中的扩散阻力进而提升能量密度。采用准二维模型描述电池内部的传质电化学过程,考察了当锂离子电池正极孔隙存在梯度分布后对锂离子电池能量密度的影响及作用机理。通过对比孔隙率均匀分布和梯度分布的电池模拟结果,发现孔隙率的梯度分布能提高单位活性材料的利用率,提升电解质通量和电极活性材料的嵌锂量,从而增加电池能量密度。随着电极厚度的增加,孔隙率分布的梯度越大,对能量密度的提升效果越显著,研究结果对于厚电极涂层的制备工艺具有重要意义。     

锂硫电池隔膜的研究现状

锂硫电池具有较高的理论比容量(1 675 mAh/g)和能量密度(2 600 Wh/kg)优势,并且用于该电池的活性物质单质硫廉价、环境友好,被认为是目前最具发展潜力的新一代高能量密度的电化学储能体系之一。隔膜作为锂硫电池的关键材料之一,其性能优劣将会直接影响锂硫电池的性能。本文主要综述了锂硫电池隔膜的种类、改性方法等方面的研究进展,建议开发新的高品质锂硫电池隔膜材料,最终使其电化学性能得以提高。     

锌空气电池关键问题与发展趋势

电化学可充的锌-空气电池具有能量密度高、水系电解液安全和成本低等特点,是电能高效转换和储存的重要技术方向,无论作为动力电池用于纯电动汽车等移动交通工具,还是用于新能源发电过程储能,都具有广阔发展前景。但正极存在电极结构设计和催化剂开发问题,负极存在抑制枝晶、控制析氢和提高锌循环性能等挑战,严重阻碍了锌空气电池的商业化进程。本文详细分析了锌-空气电池的关键科学问题,尤其是关于空气电极的催化剂、电极结构、锌枝晶等问题,结合电池性能进行详尽讨论。归纳现有研究后认为:开发新型电催化剂和空气电极,发展循环寿命长、成本低的锌负极制造技术与工艺,是锌空气电池所面临的亟需解决问题和未来的发展趋势。     

金属-有机框架在二次电池中的储能机制研究进展

金属-有机框架（MOFs）具有多孔、大比表面积和结构与功能可调控等特点,已被广泛用作二次电池电极材料。本文重点介绍了MOFs作为二次电池电极材料的储能机制研究进展,主要分为转化储能机制、脱嵌储能机制、物理吸脱附储能机制等,并分析了各类储能机理的储能特点及对电化学性能的影响,探究了MOFs在较大离子半径的钠、钾离子电池中的应用特点及发展潜力。最后简要讨论了MOFs作为电极材料的设计思路为兼顾各类储能机制的优点,即选用较多储能位点的结构及较稳定的金属离子作为有机配体的连接点。     

固态金属锂电池研究进展：外部压力和内部应力的影响

固态锂金属电池具有理论能量密度高、安全性高等优势,是极有前景的下一代储能系统。然而,固体电极与固体电解质之间有限的固–固接触严重阻碍了界面离子的传输。因此,增加外部压力是增加固–固接触及延长电池循环寿命的重要途径。同时,在充放电过程中,电极体积变化产生的内应力也将影响电池界面特性。通过介绍两种基本物理接触模型,结合硫化物、氧化物、聚合物电解质以及金属锂的物理性质,综述了外压和内部应力对电解质、电极及电池的影响。最后,对外压力与内应力在全固态金属锂电池中的作用进行了总结和展望。     

锂离子电池负极材料研究进展

能源是影响社会发展的主要因素,同时也是经济社会发展的基础。能源工业既是国民经济的基础产业,又是技术密集型产业。因此,能源科技创新在整个国家科技创新体系中占有十分重要的地位。锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长且无记忆效应等优点而被认为是最理想的储能元件。这也使锂离子电池电极材料的研究成为当近材料研究的热点。锂离子电池的关键材料之一是负极材料,正是因为负极材料的许多问题,限制了锂离子电池的进一步应用。因此,负极材料性能的提高十分必要。     

锂硫电池功能化粘合剂研究进展

随着可持续能源的发展和电子设备及电动汽车对储能设备性能要求的不断提高，高能量密度的锂硫电池体系受到了广泛关注。当前锂硫电池仍然面临单质硫和其放电产物的电子绝缘性、多硫化物的“穿梭效应”和循环过程中体积形貌的变化等科学与技术问题，阻碍其实际应用。针对锂硫电池的上述瓶颈，设计多功能粘合剂有望提升活性材料的利用效率及循环寿命。本文在近年来研究的基础上综述了锂硫电池中粘合剂的研究进展，具有包括面向抑制副反应的粘合剂、面向稳定电极片的多维度粘结的粘合剂和面向低界面电阻的粘合剂，并展望了锂硫电池多功能粘合剂面临的科学挑战和未来发展的机遇。     

木质素基碳纤维复合材料在储能元件中的应用研究进展

基于木质素天然高分子成本低、可再生性、来源丰富、制备工艺简单以及结构可控等优势，将其制备成碳纤维并应用于超级电容器、可充电电池等储能元件，进一步发挥其充放电速度快、能量密度高和循环寿命长等优异的性能，已得到证实及应用。本文系统综述了近年来利用纺丝方法制备的木质素基碳纤维的过程工艺与纤维性能，并基于木质素基碳纤维在结构设计上的多样性，重点总结了不同木质素基碳纤维用作超级电容器和可充电电池电极材料所表现出的差异化电化学性能。此外，对木质素基碳纤维复合材料的发展前景和面临的挑战进行了展望，为木质素基碳纤维复合材料的下一步研究和开发提供思路。     

Horizons for Modern Electrochemistry Related to Energy Storage and Conversion,a Review

The purpose of this paper is to suggest frontier inter‐disciplinary research directions that can be considered as important horizons of modern electrochemistry in the field of energy storage and conversion. We selected several topics that call for advancements in solid‐state, interfacial, analytical and energy‐related electrochemical science. A dramatic improvement in the performance of energy storage and conversion devices is needed to meet the urgent demands of our society. Significantly more efficient devices are needed to meet two major challenges: electro‐mobility, namely electrochemical propulsion of electric vehicles, and the ability to store and convert large quantities of energy generated from sustainable sources such as sun and wind. We suggest promotion of breakthroughs in several important directions. The examples chosen include: Development of novel in‐situ methodologies for design and testing composite electrodes for advanced energy storage devices; Improving the electrochemical performance of high specific capacity, but hard to control, LiNiO₂ cathodes for advanced lithium ion batteries designed for electric vehicles, with a quantitative goal of stable specific capacity >230 mAh/g with a charging potential lower than 4.3 V; Advancing aqueous electrochemical systems for large energy storage based on sodium electrochemistry; Promoting development of batteries based on multivalent active metals with magnesium as the most advanced example. There is a strong incentive to promote fundamental and practical progress in the field of rechargeable Mg batteries using new electrodes’ configurations and advanced electroanalytical methods. All these directions require deep efforts in basic, fundamental studies, in order to reach important practical goals.     

锂/钠离子电池过渡金属氟磷酸盐正极材料研究进展

便携式电子产品、电动汽车和储能领域的快速发展对电池能量密度的要求越来越高,正极材料是限制电池能量密度的主要因素。过渡金属氟磷酸盐（A₂MPO₄F,A=Li、Na,M=Mn、Fe、Co、Ni）是一类高比容量（~300 mA·h/g）和高能量密度（>1 000 W·h/kg）的新型正极材料。主要介绍了A₂MPO₄F的结构、合成方法与改性方面的最新进展。讨论了A₂MPO₄F所面临的主要挑战,特别是实现两电子反应所面临的困难。展望了它们的应用前景。     

新一代储能钠离子电池正极材料的改性研究进展

近年来,原料广泛、成本低廉的钠离子电池被公认为新一代综合效能优异的储能电池系统,但较低的能量密度和有限的循环寿命仍然是阻碍其商业化应用的主要挑战。借鉴锂离子电池的开发经验,合理的改性工艺已被证实可以明显提高钠离子电池的电化学性能,尤其是在已建立的正极体系中。本文分析了过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物以及有机化合物等钠离子电池正极材料的结构、性能特点,并系统综述了粒径纳米化、表面包覆、元素掺杂等多类改性方法的最新研究成果。未来的研发和设计中,改进合成工艺控制粒径、拓宽包覆物质种类、梯度掺杂协同元素以及寻找不同结构特征的钠离子电池正极材料是研究重点。     

二维MXene材料——Ti3C2Tx在钠离子电池中的研究进展

作为第一个被制备出来的MXene材料,Ti₃C₂T_x独特的二维层状结构使其具有良好的电学、光学、力学与热电等性质,在电化学储能领域展现出巨大的潜力。由于钠储量在地球中较为丰富且远高于锂储量,因此钠离子电池具有成本低等优点,成为近几年储能领域的研究热点。主要围绕Ti₃C₂T_x的特性,介绍了其通过插层、造孔等改性方法以及与单质、金属氧化物、金属硫化物结合构成复合材料作为钠离子电池电极材料的研究进展。最后指出应采取基于钠离子脱嵌或反应的更有针对性的优化方法提升总体的电化学性能。     

钠离子电池研究进展

钠离子电池具有比能量高、安全性能好、价格低廉等优点,在储能领域有望成为锂离子电池的替代品。本文阐述了钠离子电池的研究现状,对钠离子电池研究的正负极材料、电解质的制备以及其电化学性能作了概述性讨论。正极材料有氧化物型、聚阴离子型;负极材料有碳基材料、钛基材料和合金负极材料等;电解液有有机溶剂电解液和凝胶聚合物电解液,并分别阐明了各种材料的优势和局限性。最后指出了这类高效钠二次电池体系有可能逐渐替代锂离子电池,并指明了现阶段发展钠离子的主要问题是不同体系材料的相互匹配。     

储能用锂离子动力电池研究进展

锂离子电池具有储能密度高、能量效率高、工作温度范围宽、自放电小、循环寿命长等优点,在储能领域具有重要的应用前景。结合作者所在单位的工作对磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂等储能用锂离子动力电池的功能特点和存在问题进行了简要分析,提出了发展高容量、长寿命和低成本储能用锂离子电池的一些初步建议。     

Defect engineering on the defluorinated MWCNTs@SnO2@N-doped carbon composite for enhanced lithium storage performance

When tin oxide (SnO₂) is used in the anode of lithium-ion batteries, its capacity decreases dramatically due to poor conductivity and volume effects during the electrochemical cycle. Although composites with traditional carbon-based materials can improve this shortcoming, the low capacitance of such materials still limits the capacity of the composites. Therefore, we applied defect engineering to SnO₂/C composite electrodes for the first time, and prepared D-MWCNTs@SnO₂@N–C composite electrodes with hollow rod structures. Defects were constructed in the carbon materials to promote electron diffusion and ion storage active sites. The hollow structure can adapt to the volume change that occurs during Li-ion insertion/desorption. In addition, the detachment of F atoms and the insertion of N atoms, which are chemical processes that occur on the surface of carbon materials, promote an increase in surface porosity and defect density, thereby providing additional lithium storage sites. The double carbon effect caused by defect engineering provides a multidimensional transport path and rapid migration rate for Li-ions, which enables the electrode to display excellent electrochemical performance; thus, this work could lead to the preparation of next-generation anode materials with high energy storage capacity, high rate capability and high cycle stability.     

球形锂离子电池正极材料的制备研究进展

球形锂离子电池正极材料-LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4及其掺杂材料具有堆积密度大、体积比容量高、电化学性能和加工性能优异等突出优点,是锂离子电池正极材料的重要发展方向。对以上球形正极材料的制备方法进行了归纳研究,希望能够为从事电池材料的研究者提供借鉴。     

Process engineering in electrochemical energy devices innovation

This review focuses on the application of process engineering in electrochemical energy conversion and storage devices innovation. For polymer electrolyte based devices, it highlights that a strategic simple switch fromproton exchange membranes (PEMs) to hydroxide exchange membranes (HEMs) may lead to a new-generation of affordable electrochemical energy devices including fuel cells, electrolyzers, and solar hydrogen generators. For lithium-ion batteries, a series of advancements in design and chemistry are required for electric vehicle and energy storage applications. Manufacturing process development and optimization of the LiFePO₄/C cathodematerials and several emerging novel anode materials are also discussed using the authors' work as examples. Design and manufacturing process of lithium-ion battery electrodes are introduced in detail, and modeling and optimization of large-scale lithium-ion batteries are also presented. Electrochemical energy materials and device innovations can be further prompted by better understanding of the fundamental transport phenomena involved in unit operations.     

Carbon nanotube array anodes for high-rate Li-ion batteries

The electrochemical performance of carbon nanotube array (CNTA) and entangled carbon nanotube (ECNT) electrodes are studied as anodes for Li-ion batteries. CNTA anodes display higher capacity (373 mAh g⁻¹) and much better rate and cycle performances than ECNT anodes. The performance of CNTA electrode shows length dependencies, i.e., shorter CNTA electrodes present higher specific capacity and better rate performance. The energy storage characteristics of CNTA electrodes are discussed on the basis of experimental results of SEM, TEM, and Raman spectra. The inner graphene layers of CNTs in CNTA electrode, which can form electron conductive paths and ensure a high conductivity, are retained during Li-ion insertion/extraction. These mechanically robust inner graphene layers can avoid the loss of outer active materials during Li-ion insertion/extraction, which, in turn, results in a good cycle performance.