碳基集流体材料在钠金属负极中的应用

室温钠离子二次电池是锂离子二次电池最有可能的替代品,也被认为是大规模能量存储技术的最有前景的选择之一。金属钠具有超高的理论容量以及低的氧化还原电位,因此被认为是最有前景的高比能钠离子电池的负极材料。然而,钠金属负极的应用仍面临一些挑战性,如钠枝晶的生长、钠金属与电解液之间的副反应、充放电过程中大的体积膨胀等。其中,钠枝晶生长不仅可以产生死钠和加速钠金属与电解液之间的副反应,导致容量的快速衰减,而且可能刺穿隔膜,引发电解液燃烧、电池爆炸等严重的安全问题。炭材料家族成员众多,可具有高机械强度、轻质量、高导电性、大比表面积和良好的化学稳定性等特性,近年来被广泛报道用于钠金属负极的集流体的研究。本文综述了最新的碳基集流体材料在钠金属负极上的研究进展,分析了碳基集流体的界面、结构与钠金属负极性能之间的关系,最后并对碳基集流体的未来研究面临的问题进行了展望。     

锂空气电池中的碳基材料:优势与挑战

碳基材料具有丰富多元的形态和优异的性能,是目前储能材料的重要组成部分。简要评述碳基材料作为锂空气电池阴极时结构与性能的关系,讨论碳基材料的结构设计与功能调控的重要性,指明碳基材料在锂空气电池中的研究重点,并对其在锂空气电池中的应用进行了展望。     

自支撑碳基负极材料的储钠研究进展（英文）

凭借着钠资源储量丰富和成本优势,钠离子电池在电化学储能领域有望成为锂离子电池的重要补充。作为钠离子电池负极材料,炭及其复合材料可以通过合理的结构设计和组分调控获得优异的储钠性能。随着可穿戴电子器件日益普及,人们对电极提出了更高的性能要求。自支撑电极无需使用电化学惰性的黏结剂和导电添加剂等组分,有利于提升电池体系能量密度。本文总结了近年来钠离子电池用自支撑炭基电极材料的最新研究进展,包括碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯及其复合材料,从基底有无的角度详细综述并讨论了自支撑炭基负极的制备策略及其电化学性能,最后对钠离子电池用自支撑炭基负极材料的未来挑战和发展进行了展望。     

石墨烯基材料在高性能锂金属电池中的研究进展

由于相对较低的能量密度,商用锂离子电池(LIB)难以满足便携式电子和电动汽车对储能设备能量密度日益增长的需求.锂(Li)金属具有高理论比容量(3860 mAh?g?1)和低的密度(0.59?g?cm?3),被认为是下一代高能密度锂电池最具前途的负极之一,如Li-S和Li-O2电池.?然而,由于固态电解质界面层的不稳定,...     

钠离子电池碳基负极材料的研究进展

由于能源资源短缺和环境问题,开发新型储能材料迫在眉睫。锂离子电池应用广泛,但其在地壳中的含量较低,限制了它的发展。钠与锂具有相似的化学性质,可以替代锂成为新一代储能材料。碳基储钠负极材料分为天然石墨、石墨烯、软碳材料和硬碳材料。重点介绍了这些碳材料的定义、存在的问题和解决方案,对碳材料的改性及其在钠离子电池中的应用有一定的指导意义。     

MXene及MXene/碳基复合材料在生物医学领域的研究进展（英文）

MXene是一种具有独特层状结构的新型过渡金属碳化物,它具有较大的比表面积、优异的导电性、光热性能和抗菌性能等特殊的物理化学特性,因此表现出较高的应用价值。与此同时,为了追求更广泛的应用,MXene常与炭材料复合以增强其综合性能。近年来,MXene及MXene/碳基复合材料在电子、传感以及生物医药等领域受到了广泛关注。本文聚焦于MXene及MXene/碳基复合材料的制备、修饰方法及其在生物传感、抗菌材料、疾病诊断与治疗等生物医学领域中的应用,以期推动MXene研究取得更大进展。     

电解液化学保护锂金属电池负极的研究进展

锂金属电池被认为是最具潜力的高能量密度储能器件之一,但是锂金属电池负极低库仑效率及不可控的枝晶生长等问题阻碍了其商业化进程.在锂金属电池中,电解液会直接参与固态电解质界面膜(SEI)的形成,对锂金属负极的库仑效率、枝晶生长等产生重要影响.传统LiPF6基酯类电解液中,锂金属库仑效率低,且锂枝晶现象严重.近年来通过电解液添加剂、溶剂、锂盐以及锂盐浓度等途径调控电解液化学,在锂金属负极保护上取得了显著效果.例如,采用与锂金属负极兼容性更佳的醚类溶剂,可以降低电解液与锂金属的反应性;采用多种添加剂与新型锂盐复配可以有效抑制锂枝晶的形成;采用高浓度锂盐电解液,可以形成稳定SEI膜等.本文综述了锂枝晶的生长原理以及通过溶剂、锂盐、添加剂和高浓度电解液等策略调控电解液化学保护锂金属电池负极的研究现状,总结了各种途径的优势及局限性.并对锂金属电池电解液的发展提出了新的见解,以激发新的策略面对锂金属电池后续的挑战.     

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。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能EI

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(LiFePO_(4))正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO_(4)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‖LiFePO_(4)全电池(60.8 mAh·g^(-1))提升了32.8 mAh·g^(-1)。     

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。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能EI北大核心

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(LiFePO_(4))正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO_(4)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‖LiFePO_(4)全电池(60.8 mAh·g^(-1))提升了32.8 mAh·g^(-1)。     

锂金属电池中复合固态电解质与负极界面的研究进展

与传统锂离子电池相比,全固态锂金属电池因其安全性好、能量密度高的特点备受关注.但是电极与固态电解质的固固接触带来较大的界面阻抗,而锂金属较为活泼易与固态电解质发生反应,造成了界面不稳定.界面问题已经成为制约全固态电池发展的关键因素之一.有机-无机复合固态电解质兼顾无机固态电解质和有机固态电解质的优势,具有较高离子电导率和一定的力学强度,展现出优异的实用化前景.本文综述了近年来复合固态电解质与金属锂负极界面改性的研究进展,总结了当前界面改性的主要研究思路:包括在界面构筑"软接触"、调节固态电解质的力学性能以及调控界面处锂离子的沉积动力学过程等.同时,也对今后界面改性的研究趋势进行了展望.     

碳基光热材料用于同时产生蒸汽和发电（英文）

太阳能驱动的界面水蒸发(SIVG)技术是一种新兴的淡水生产技术,具有低能耗、环保、高效等优点。碳基光热材料(CPTMs)因其优异的光热转换性能,可以在SIVG过程中引入温度和盐度梯度,为SIVG系统中蒸汽和电力的产生提供巨大的潜力。本文综述了用于清洁水和发电的各类CPTMs的研究进展。在阐述SIVG的基本原理和关键评价指标的基础上,重点评述了包括氧化石墨烯、碳纳米管、碳点和炭化生物质材料在内的各种CPTMs的光热和SIVG性能,并对水电联产的研究现状进行了分析,提出了应对挑战的策略,旨在为用于同时产生蒸汽和发电的多功能碳基光热材料的发展提供一些指导。     

氮化碳基纳米复合材料在重金属去除方面研究进展（英文）

石墨相氮化碳材料作为一种重要的二维层状材料,在光催化、能源存储和环境污染治理等领域引起了广泛关注。氮化碳基复合材料以其稳定的物理化学性质、低成本和环境友好等特点成为不同领域的研究热点。在过去几年中,氮化碳及其氮化碳基复合材料的制备、性质表征和不同领域应用取得了重要进展。本文总结了近几年氮化碳基复合材料的制备及掺杂和功能化研究,及其在重金属离子废水中的去除应用,以及不同研究方法对吸附机理的分析。最后还总结了氮化碳基材料在未来研究和应用中面临的主要问题、挑战和机遇。     

不同维度碳基纳米材料的设计与合成及其在电化学储能中的应用

随着环境的恶化和能源危机,太阳能、风能等可持续能源的存储和利用变得迫在眉睫.电化学储能(EES)装置作为有效存储这些新兴能源的手段,受到越来越多的关注.电极材料对EES的性能至关重要,碳基纳米材料因其独特而突出的优势成为极有前途的电极材料.电极材料的结构设计和可控合成决定了EES的电化学性能.围绕碳基纳米材料独特而突出...     

面向可充电电池的锂金属负极的枝晶生长:理论基础、影响因素和抑制方法

在全球能源与环境问题日趋紧迫的大背景下,可再生能源的获取与利用途径及高效安全的储能技术的研发一直是工业界和科学界关注的热点之一。锂离子二次电池作为能量存储器件,拥有高比能量、长循环寿命等优点,近十几年来其研究取得了长足进展,并在各类便携式电子设备和电动交通工具中获得了广泛应用。然而,随着各种高性能设备的不断涌现,商业化的锂离子电池越来越难以满足其在能量密度、循环稳定性和安全性等方面的要求。为了进一步提高锂离子电池的能量密度,需要开发出高比容量的负极材料(硅、锡和锂等)以取代传统石墨负极。硅、锡等新式负极材料通过与锂离子反应形成含锂化合物的原理来存储与释放锂离子,完成电池的一个充放电过程。这个过程往往伴随着负极材料体积的剧烈变化,经历较长时间循环使用后会导致负极材料的粉化甚至从集流体上剥离,引起电池容量迅速衰减甚至失效。而锂负极通过锂在负极上的溶解和沉积来完成电池的充放电过程,该过程不存在反应相变所导致的体积变化。另外,锂金属负极材料具有极高的质量比容量(3 860mAh/g)、低密度(0.59g/cm3)和低的还原电位(-3.04V,相比于氢标准电极),被认为是一种理想的可充电电池负极材料。然而,锂的枝晶生长、锂金属电池低的库伦效率和锂的无主体沉积引起的体积膨胀等一些关键问题长期以来制约着锂负极的商业应用。锂的每次沉积都会产生枝晶,在充放电循环中,锂枝晶会导致电池内部短路甚至发生爆炸,带来严重的安全问题。除此之外,锂枝晶还会增加负极表面积,新暴露的锂金属会与电解液反应生成固态电解质膜(Solid electrolyte interface,SEI),这会损耗活性材料以及降低电池的库伦效率。为了解决以上问题,研究者们对锂金属电极进行了许多探索,尤其是在锂枝晶生长的机理及其抑制方法方面。一些理论模型如扩散模型、SEI保护模型、电荷诱导生长模型和薄膜生长模型等,以及与这些模型相对应的一些抑制方法如均匀锂离子流法、SEI膜保护法、稳定沉积主体法和静电屏蔽保护法等被提出。这些抑制方法能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题,但都未能达到商业化应用的要求。本文总结了近几年研究人员针对锂离子电池锂金属负极的一些重要研究,系统地介绍了业内较为认同的枝晶生长模型和影响因素,并着重叙述了抑制枝晶生长的方法及成效,最后就锂金属负极将来的研究方向给出一些建议。     

面向锂硫电池的高负载量碳硫复合正极材料研究进展

在近20多年的发展过程中,锂离子电池已经越来越接近于其理论能量密度的极限,并且随着化石能源消耗和电动车需求量的增加,锂离子电池已经不能满足于社会的需要,寻找可替代的绿色新能源也变得愈发重要。其中,锂硫电池是最有希望代替锂离子电池,成为下一代电化学储能系统的电池之一。由于硫的无毒性、低成本和高的能量密度等优势,使得锂硫电池吸引了研究者们的广泛关注。硫作为锂硫电池中非常重要的一部分——正极材料,对于电池的循环寿命、循环稳定性、能量密度、库伦效率等方面产生了非常重要的影响。但是锂硫电池中存在的关键问题亦限制了其实际应用,例如硫的导电性差、多硫化物中间体的"穿梭效应"、较低的硫负载量、大的体积膨胀以及复杂的内部反应机理等。为了提高锂硫电池整体的性能,设计具有高的比表面积、优越的导电性以及更多的活性位点的基底材料来负载硫变得越来越重要。为解决这些问题,研究者们设计了各种不同材料来进行硫的负载,例如碳-硫复合材料、金属氧化物-硫复合材料、聚合物-硫复合材料等。其中由于碳材料具有密度低、比表面积大、导电性好、结构多样、易于加工制备和价格低廉等优点,引起了研究者们的广泛关注,因此研究者们相继实现了用一维、二维以及三维等不同结构的碳材料来负载硫,使得锂硫电池的循环寿命、循环稳定性和库伦效率得到了有效的提高。虽然在循环寿命等方面,研究者们做出了很大的贡献,但是硫的负载量却有限,从而导致电池整体的能量密度仍然很低。从商业化的角度来看,电池能量密度的高低才是研究者们关注的重点,因此研究者们在提高其性能的同时,也在不断地提高硫的负载量,以求达到更高的能量密度。本文主要从四个方面进行了相关总结:首先,概述了锂硫电池最新发展状况;其次,概要介绍了锂硫电池中存在的反应机理和阻碍锂硫电池发展的主要问题;再次,重点总结了提高锂硫电池的性能和载硫量方面的研究进展,并简单介绍了面载量、面容量和电解液与硫的比值对电池整体性能的影响;最后,总结和展望了锂硫电池未来可能的发展方向。     

电弧法制备碳包覆金属纳米微粒的研究进展

碳包覆金属纳米微粒既可以避免金属纳米微粒的氧化,又能保持其同有性能小变,其潜在科研和应用价值引起了研究者的广泛关注.本文介绍了电弧法制备碳包覆金属纳米微粒的原理,综合评述了碳包覆金属纳米微粒的电弧法制备技术的国内外研究现状,讨论了金属与碳作用后的反应路径,产物类型以及碳包覆金属纳米微粒的形成机理.     

金属氧化物/炭复合材料抑制锂硫电池穿梭效应的研究进展（英文）

锂硫电池因理论能量密度高、生产成本低和环境友好等优点被认为是最有前途的下一代电化学储能装置之一。然而,硫和硫化锂的低导电性、严重的穿梭效应和缓慢的反应动力学等问题阻碍了锂硫电池的大规模商业化应用。炭材料因高比表面积,良好导电性与结构多样性而备受关注,然而非极性炭材料难以与极性多硫化物紧密结合,导致活性材料大量损失和严重的穿梭效应。金属氧化物具有极性强和丰富吸附位点的优点,将过渡金属氧化物与炭材料结合,有助于增强对多硫化物的化学吸附和电化学反应活性。本文首先介绍了锂硫电池的基本原理和存在的主要问题,然后讨论了近年来过渡金属氧化物/炭复合材料在合成方法和结构设计（1D,2D,3D）方面的研究进展。此外,详细介绍了异质结构设计、空位工程和晶面调控策略的代表性工作并讨论了其机理。最后,对过渡金属氧化物/炭复合材料用于锂硫电池中的发展进行了总结和展望。