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。     

硅烷偶联剂表面处理对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2结构和性能的影响

用硅烷偶联剂加热分解的简便方法对锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)的表面进行处理, 利用XRD结合Rietveld精修、SEM、TEM、DSC、EIS和恒流充放电等方法对材料进行表征。结果显示, 硅烷偶联剂经450℃加热分解后得到的非晶态SiO₂均匀包覆在材料表面, 包覆不改变 NCA的晶体结构, 但明显改善了材料性能。在60℃环境中, 0.2C、1C下包覆材料(简写为a-NCA)的放电比容量分别为176.4、158.9 mAh·g^-1, 高于NCA的174.2、153.8 mAh·g^-1; 50周循环后a-NCA的容量保持率为91.4 %, 远高于NCA的86.5 %; 同时, 经包覆后材料的热稳定性大幅度提高。其原因是包覆层抑制了NCA在循环过程中与电解液发生副反应, 有效降低了离子迁移的界面膜电阻, 并抑制了晶体结构变化。     

多级多孔硅酸镍微球的合成及其对碱性品红的高效吸附

层状硅酸镍因其独特的结构, 在电化学和催化等领域展现出良好的应用前景, 其合成与性能研究近年来受到广泛关注。本研究以氯化镍和正硅酸乙酯为原料, 采用水热法合成了硅酸镍微球, 并详细探究了镍硅比和碱源对产物组成、形貌及孔结构的影响。在优化条件下, 产物呈现由纳米片组装的、平均直径约为2.5 μm的微球形貌, 比表面积为119.6 m²·g^-1, 孔容为0.673 cm³·g^-1。Zeta电位分析表明, 该微球在pH=3~10范围内保持表面电负性。将硅酸镍微球用于处理碱性品红溶液, 吸附过程符合准二级动力学模型。在初始浓度为50 mg·L^-1的条件下, 吸附容量可达120.7 mg·g^-1, 脱除率达96.6%, 远优于改性粘土及近年来报道的多种材料。吸附量与平衡浓度的数据表明, 碱性品红在硅酸镍微球上的吸附符合Freundlich吸附模型, 1/n=0.1678, 表明该吸附为多层非均相吸附且吸附作用力强。     

一步法制备三维还原氧化石墨烯/NiO超级电容器电极材料及其性能研究

本研究以氧化石墨烯分散液(GO)和硝酸镍(Ni(NO₃)₂·6H₂O)为前驱体, 通过一步水热法制备自支撑三维还原氧化石墨烯/NiO复合电极材料(3D rGO/NiO)。用XRD和SEM等分析结果表明, 纳米NiO颗粒均匀分散在三维多孔石墨烯表面。当GO与Ni(NO₃)₂·6H₂O质量比为1 : 4时, 3D rGO/NiO在电流密度为1 A·g^-1 下比电容可达1208.8 F·g^-1; 当电流密度从0.2 A·g^-1增加到10 A·g^-1时, 复合电极材料电容保持率高于72.6%; 在电流密度为10 A·g^-1下进行恒流充放电循环测试10000次后, 其比电容仍然保持为初始比电容的93%, 表明该复合电极材料具有良好的倍率性能和循环稳定性能。3D rGO/NiO复合电极材料具有比纯NiO或rGO更优异的电化学性能。     

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...     

去合金化制备具有高循环稳定性的纳米多孔Sb/MCNT储钠负极材料

为提升Sb基负极材料的储钠循环性能, 通过简单的两步法(机械辅助化学合金化和酸溶解去合金化)制备纳米化和多孔化的去合金锑/多壁碳纳米管(De-Sb/MCNT)复合物, 采用不同方法表征材料的物理化学性质和储钠电化学性能。结果显示, De-Sb/MCNT材料的可逆比容量达到408.6 mAh·g^-1 (200 mA·g^-1), 首周库仑效率为69.2%; 在800 mA·g^-1循环330周后, 容量保持率仍可达88%, 展现出优异的储钠循环性能。这得益于机械辅助化学合金化/酸溶解去合金化对商品化Sb的“预粉化”作用, 促进了材料的纳米化和多孔化, 缓解了充放电过程中的体积膨胀, 实现了高的循环稳定性。这种常温合金化/去合金化的方法为制备循环稳定的储钠合金负极材料提供了新的途径。     

炭包覆LiFePO4纳米片的制备及电化学性能研究

为改善磷酸铁锂正极材料的倍率性能, 以乙二醇为溶剂, 采用一步溶剂热法制备磷酸铁锂纳米片。再以葡萄糖为碳前驱体, 对磷酸铁锂纳米片进行炭包覆。通过X射线衍射, N₂吸脱附曲线、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和循环伏安法等测试方法考察了炭包覆量对磷酸铁锂纳米片结构与电化学性能的影响。结果表明, 制备的磷酸铁锂为具有较短b轴的纳米片状结构, 尺寸约为150 nm×100 nm×60 nm。磷酸铁锂纳米片的倍率性能随炭包覆量的增加而增强, 当炭包覆量为6.4wt%时具有最佳的倍率性能, 在0.2C和10C的电流密度下放电容量分别为157.3和132.6 mAh/g。同时循环稳定性良好, 在5C电流密度下循环500次后容量保持率达到了80.2%。     

钾离子掺杂提高锂离子电池正极锰酸锂性能的微观机制

改善尖晶石锰酸锂的大倍率性能是目前锂离子电池的重点研究方向之一。本研究用高温固相法合成掺K⁺的尖晶石锰酸锂, 研究K⁺提高锰酸锂倍率性能的微观机制。结果表明, 尽管随着电流密度增大, 电极的放电比容量下降, 但掺K⁺提高材料的大倍率性能效果显著, 如最佳掺K⁺量(物质的量分数)1.0%时, 在10C (1C=150 mA·g^-1)下比容量提高了一倍, 远高于0.5C下的1.9%。原因在于掺K⁺后, 首先, 锰酸锂的晶胞体积扩大, Li-O键变长, Li、Mn阳离子混排程度降低, 载流子(Mn³⁺)量增多; 其次, 电极极化和电荷迁移阻抗降低, 提高了材料的充放电可逆性、导电性及锂离子扩散能力; 再者, [Mn₂]O₄骨架更稳定, 减小了电化学过程中内应力变化, 抑制了晶体结构变化和颗粒破碎; 最后, 钾离子掺杂使制备过程中材料团聚, 从而减小电解液与电极的接触面积, 减轻电解液的侵蚀, 抑制锰的溶解。     

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。     

碳纳米管膜表面金属化用于高电流输出柔性锂离子电池

采用磁控溅射技术对碳纳米管膜进行表面金属化处理,制备了导电性能优异的碳纳米管/金属复合薄膜,其电导率为纯碳纳米管膜的10倍(碳纳米管膜电导率为300 S·cm^-1)。以这种复合薄膜为集流体组装的柔性锂离子电池,具有比以纯碳纳米管膜作为集流体更优异的倍率性能(5 C倍率下比容量仍可保持132.6 mAh·g^-1)、大倍率循环性能(5 C倍率200圈循环后仍具有74.4%的容量保持率)和更大的输出电流(0.4 A)。     

硅钛杂化介孔球负载金纳米粒子及其催化性能调控

以能源开发(如光解水制氢)及环境保护(如有机物降解)应用为目标, 负载型贵金属催化剂在设计、制备及理论研究方面已取得了长足的发展。本工作以具有特异形貌及结构的树枝状二氧化硅纳米球载体为基础, 通过溶胶-凝胶法在其孔道引入二氧化钛纳米颗粒形成硅钛杂化结构。通过有机改性技术, 在树枝状硅钛杂化纳米球表面接枝氨基官能团。然后, 通过浸渍法和硼氢化钠还原手段, 在杂化纳米球孔道负载超细金纳米粒子。不同手段表征结果显示实验成功制备了树枝状硅钛杂化纳米球负载金纳米颗粒复合材料。在模拟太阳光下, 所得催化剂光解水产氢量及速率为69.08 μmol·g^-1和13.82 μmol·g^-1·h^-1, 约为对比样催化剂(树枝状二氧化硅纳米球负载金纳米粒子)的7倍。在无光条件下, 其降解对硝基苯酚的表观动力学常数为6.540×10^-3 s^-1, 约为对比样的17倍(0.372×10^-3 s^-1)。由此可见, 设计合成的新型催化剂展现出优越的多功能催化活性。     

Ni掺杂黑液木质素基活化木材陶瓷的制备与性能研究

以造纸黑液木质素和NiCl₂·6H₂O为原料、经1200℃高温烧结制备Ni掺杂木材陶瓷, 并用KOH进行活化处理, 得到呈泡沫状的三维网络结构的Ni掺杂活化石墨化木材陶瓷。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(RS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、比表面积测试仪及电化学工作站等对其性能进行分析与表征。结果表明: Ni既参与构筑木材陶瓷骨架, 又对无定形碳进行催化石墨化。所制备样品的石墨化倾向明显, 有石墨烯片层结构出现, 部分晶格间距接近理想石墨的点阵参数。同时, 活化处理可以有效地形成多层次孔隙结构, 增加微孔与超微孔数量。800℃活化3 h后, 样品中的孔径主要集中在3.60 nm左右, 比表面积从359 m²·g^-1提高到856 m²·g^-1。活化能够改善Ni掺杂木材陶瓷的电化学性能, 在20 mV·s^-1扫描速率下, 其比电容为153.8 F·g^-1, 是未活化样品的2.2倍。     

非晶LiSiON薄膜电解质的全固态薄膜锂电池性能

全固态薄膜锂电池(TFLB)是理想的微电子系统电源.目前报道的固态非晶电解质存在离子电导率偏低的问题,限制了TFLB性能的提升.本工作采用磁控溅射法制备了一种新型非晶锂硅氧氮(LiSiON)薄膜用作TFLB的固态电解质.结果表明,优化制备条件后的LiSiON薄膜具有6.3×10–6 S·cm–1的高离子电导率以及超过5...     

氮/硫共掺杂对纤水镁石模板碳纳米管电化学性能的影响

以天然矿物纤水镁石为模板、蔗糖为碳源制备多孔碳纳米管, 并以硫脲为氮、硫源, 采用水热法制备氮/硫共掺杂的碳纳米管。结果表明, 掺杂碳纳米管继承了纤水镁石模板的柱状结构, 呈现中空管状, 增大了模板炭的比表面积和孔容。在6 mol·L^-1 KOH电解液中, 电流密度为1 A·g^-1时, 未掺杂碳纳米管的比电容为62.2 F·g^-1, 氮掺杂之后碳纳米管的比电容为97.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂的碳纳米管比电容为172.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂后碳纳米管的电化学性能比未掺杂的提高近3倍; 循环1000次电容保持率达89%, 说明掺/硫共掺杂碳纳米管具有良好的电化学性能。此外, 组装的对称型超级电容器同样展示了良好的电容性能。