切割方向对桦木衍生的取向微通道生物质炭锂硫电池隔膜性能的影响

生物源材料由于来源丰富、可循环使用、无污染, 并且能够实现多功能化而引起了广泛关注。本研究利用大自然中广泛分布的桦木树干为原料, 通过不同取向切割、去木质素和碳化等过程得到具有相应取向的微孔道结构的生物质炭, 并用作锂硫电池的隔层。生物质炭的比表面积为267.7 m ²/g, 有大量的微孔及介孔。测试结果表明: 沿与电极平面呈45°方向切割所得的生物质炭的电化学性能最好。在0.2C(1C=1650 mA/g)下该生物质炭隔层制备的锂硫电池初始比容量为979.4 mAh/g, 200次循环后保留有625.4 mAh/g, 每圈容量损失率仅为0.18%。该生物质炭隔层可以有效地吸附和阻挡多硫化锂, 减小充放电过程中产生的穿梭效应, 并且桦木的微通道结构和类蒸腾特性可以有效地提高电池的比容量、循环稳定性, 有利于锂硫电池的商业化应用。     

锂硫电池正极用钴掺杂空心多孔碳载体材料

锂硫电池被认为是新一代低成本、高能量密度的储能系统。但由于硫正极导电性差、穿梭效应严重以及氧化还原反应速率慢, 导致电池容量衰减严重, 倍率性能较差。本研究以柠檬酸钠为碳源制备了具有三维中空结构的多孔碳材料, 并在其骨架上负载钴纳米颗粒后作为硫正极的载体。引入的钴纳米颗粒可有效吸附多硫化物, 提升其转化反应的动力学, 进而明显改善电池的循环和倍率性能。所得的钴掺杂复合硫正极在0.5C (1C=1672 mAh·g^-1)的倍率下首圈放电比容量高达1280 mAh·g^-1, 在1C的倍率下稳定循环200圈后可保持770 mAh·g^-1, 并且具有优异的倍率性能, 即使在10C的大电流密度下仍可稳定循环。     

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%。     

碳纤维支撑柔性碳硫复合电极的制备、物性及电池性能研究

锂硫电池作为极具潜力的下一代二次电池受到广泛关注。然而, 对于含硫正极的研究仍处于实验探索阶段, 商业化的碳纤维毡应用于硫正极鲜有报道。本研究制备了锂硫电池用碳纤维支撑柔性碳硫复合电极, 并对其进行了物性及电池性能的研究。结果发现, 碳纤维毡具有多孔隙的三维网络结构, 与具有微孔结构的多孔碳共同构成正极支撑体, 能够物理固定正极材料, 有助于提高电池的能量密度和锂硫正极的导电性, 界面电阻由原来的97.9 Ω降到22.6 Ω。进一步研究表明, 碳纤维毡做集流体的样品在首圈0.05C倍率下, 具有996.7 mAh/g的放电比容量, 在2C高倍率下循环140圈后仍保持666.7 mAh/g的放电比容量, 而铝箔样品仅为772.9和471.6 mAh/g。同时, 本研究使用的LA132水系粘结剂、super-P导电剂价格低廉, 球磨制备工艺可规模化生产、安全环保, 可以为锂硫电池工业化生产和应用提供参考。     

TiO2(B)表面修饰富锂层状氧化物Li(Li0.17Ni0.2Mn0.58Co0.05)O2正极材料

采用喷雾干燥法和沉淀法, 制备了表面修饰TiO₂(B) (2wt%、4wt%、6wt%和8wt%)的富锂层状氧化物Li(Li_0.17Ni_0.2Mn_0.58Co_0.05)O₂正极材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结构测试分析结果表明, 修饰TiO₂(B)后样品的体相结构仍然保持初始样品的层状结构, 仅氧化物颗粒表面附着有少量TiO₂(B)纳米晶。示差扫描量热测试(DSC)表明, 与初始样品比较, 修饰TiO₂(B)后样品的热稳定性得到明显改善。在2.0~4.8 V范围内进行恒流电化学性能测试。研究显示, 在0.1C(1C=300 mA/g)倍率下, 修饰4wt%TiO₂(B)样品的首次放电比容量可达296.4 mAh/g, 首次库伦效率则由初始样品的77.7%提升到修饰TiO₂(B)后样品的84.3%, 100周循环后电极容量保持率由初始样品的69.5%提升到修饰TiO₂(B)后样品的80.2%。即使在阶梯倍率的2C倍率下, 修饰4wt%TiO₂(B)的样品仍具有较高的电化学容量(166.5 mAh/g)。以上研究结果表明, 表面修饰TiO₂(B)纳米晶可以显著改善富锂层状氧化物Li(Li_0.17Ni_0.2Mn_0.58Co_0.05)O₂的热稳定性和电化学性能。     

Na3V2(PO4)2F3@V2O5-x复合材料的制备及储钠性能研究

当前制约钠离子电池发展的主要因素包括较低的能量/功率密度和较差的循环性能, 而在正极材料表面包覆含氧缺陷金属氧化物层, 可以有效提高材料的电子导电率, 保证高振实密度、能量密度和功率密度。本文通过温和的溶剂热反应制备Na₃V₂(PO₄)₂F₃纳米片前驱体并结合高温煅烧合成Na₃V₂(PO₄)₂F₃@V₂O_5-x复合材料。其结构通过XRD、TEM、SEM、XPS和TGA测试进行表征。作为钠离子电池的正极材料, 展现了优异的循环性能和倍率性能。在0.2C倍率下, 首圈放电比容量为123 mAh?g ^-1, 循环140圈后容量保持在109 mAh?g ^-1。当电流密度提高至1C, 首圈放电比容量达到72 mAh?g ^-1, 充放电循环500圈后, 容量保持率高达84%。优异的电化学性能归因于材料表面包覆的具有丰富结构缺陷的无定型层, 有效提高了离子的扩散和电子导电率。此方法将有助于钠离子电池的实际应用。     

双盐镁电池CoS2正极材料的电化学性能研究

镁金属电池因为镁金属负极的高体积比容量(3833 mAh/cm³)和高安全性而日益受到关注。然而, Mg²⁺引起的极化效应抑制了Mg²⁺在固相中的扩散, 限制了镁金属电池的比容量。锂镁双盐电解液利用Li⁺代替Mg²⁺驱动正极反应, 能够绕开Mg²⁺在固相中扩散缓慢的问题。本工作研究了过渡金属硫化物CoS₂在不同锂镁混合电解液中的电化学性能, 并分析了锂盐浓度和充放电电压区间对其转换反应和循环稳定性的影响。添加锂盐的策略提高了CoS₂基镁金属电池的转换反应动力学, 当充电电位提高至2.75 V时, Mg-CoS₂电池在LiCl-APC电解液中的循环稳定性得到显著提高, 在循环150次后, 其比容量仍能维持在275 mAh/g, 远高于在2.0 V截止电压条件下的33 mAh/g。电池容量衰减与CoS₂正极在2.0 V充电电位下Co₃S₄的不可逆生成有关, 其长期循环中伴随的Co和S元素溶解加剧了容量的不可逆损失。本工作为过渡金属硫族化合物在转换反应型镁电池中的应用提供了一种激活策略。     

基于共价键作用的四氧化三铁-还原氧化石墨烯复合材料的合成及其储锂性能

采用溶剂热法制备单分散的Fe₃O₄微球, 对其表面进行包覆SiO₂和氨基化处理, 再与氧化石墨烯复合, 化学还原后得到Fe₃O₄-W-RGO复合材料。SEM和TEM照片显示, SiO₂均匀包覆在Fe₃O₄微球(直径~440 nm)表面形成Fe₃O₄@SiO₂核壳微球, 紧密束缚于RGO纳米片表面。XRD测试结果表明Fe₃O₄微球结晶度好、纯度高。电化学性能测试结果表明: 在0.01~3.00 V电压范围和0.1C倍率下, Fe₃O₄-W-RGO复合材料的首次放电容量为1246 mAh/g, 100次循环后保持830 mAh/g; 在2C倍率下放电容量达到484 mAh/g, 具有较好的倍率性能和循环性能。     

高质量水系钠离子电池正极Fe4[Fe(CN)6]3的合成及其电化学性能

采用水热法合成高质量的Fe₄[Fe(CN)₆]₃(HQ-FeHCF)纳米材料, 并对材料进行X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM)和热重分析测试(TGA)等表征。结果表明：Fe₄[Fe(CN)₆]₃呈规则立方体, 颗粒大小约500 nm, 属面心立方结构。Fe₄[Fe(CN)₆]₃在NaClO₄-H₂O-聚乙二醇电解液中1C、2C、5C、10C、20C、30C和40C的容量分别为124、118、105、94、83、74和64 mAh·g ^-1, 表现出优异的倍率性能; 以5C倍率循环500次, 容量保持率接近100%, 表现出极佳的循环稳定性。以Fe₄[Fe(CN)₆]₃和磷酸钛钠分别为正负极的全电池工作电压高达1.9 V, 能量密度可达126 Wh·kg ^-1; 以5C倍率恒流充放电测试140次后全电池容量保持率为92%, 且库伦效率始终接近100%。     

超高镍LiNi0.91Co0.06Al0.03O2@Ca3(PO4)2正极材料的储锂稳定性的提升机制

超高镍正极材料具有高比能、高电压和低成本等特点, 在新一代锂离子电池中备受关注, 但在电池的长循环过程中会出现微裂纹、机械粉化和不可逆相变, 导致差的循环性能。本研究采用简便的湿化学法制备了一系列Ca₃(PO₄)₂包覆的超高镍LiNi_0.91Co_0.06Al_0.03O₂材料(NCA@nCP)。其中, NCA@1CP在1C (1C=200 mA/g)、2.7~4.3 V下可获得204.8 mAh/g的放电比容量, 100圈循环后容量保持率为91.5%, 甚至在2C的倍率下循环300圈后仍保留153.4 mAh/g的放电比容量。表征结果证实该包覆层可抑制材料的Li/Ni混排、不可逆相变和机械粉化, 从而大幅提升了循环稳定性。本研究表明Ca₃(PO₄)₂包覆策略在提升超高镍正极材料储锂稳定性方面具有较大的应用潜力。     

Hollow carbon nanofiber-encapsulated sulfur cathodes for high specific capacity rechargeable lithium batteries

Sulfur has a high specific capacity of 1673 mAh/g as lithium battery cathodes, but its rapid capacity fading due to polysulfides dissolution presents a significant challenge for practical applications. Here we report a hollow carbon nanofiber-encapsulated sulfur cathode for effective trapping of polysulfides and demonstrate experimentally high specific capacity and excellent electrochemical cycling of the cells. The hollow carbon nanofiber arrays were fabricated using anodic aluminum oxide (AAO) templates, through thermal carbonization of polystyrene. The AAO template also facilitates sulfur infusion into the hollow fibers and prevents sulfur from coating onto the exterior carbon wall. The high aspect ratio of the carbon nanofibers provides an ideal structure for trapping polysulfides, and the thin carbon wall allows rapid transport of lithium ions. The small dimension of these nanofibers provides a large surface area per unit mass for Li(2)S deposition during cycling and reduces pulverization of electrode materials due to volumetric expansion. A high specific capacity of about 730 mAh/g was observed at C/5 rate after 150 cycles of charge/discharge. The introduction of LiNO(3) additive to the electrolyte was shown to improve the Coulombic efficiency to over 99% at C/5. The results show that the hollow carbon nanofiber-encapsulated sulfur structure could be a promising cathode design for rechargeable Li/S batteries with high specific energy.     

聚丙烯酰胺改性LiFePO4/C正极材料的研究

以聚丙烯酰胺(PAM)作为分散剂, 采用液相控制结晶-碳热还原法制备LiFePO₄/C正极材料, 考察了PAM对LiFePO₄/C正极材料性能的影响, 采用热化学分析、X射线衍射、扫描电镜、碳含量分析和充放电测试等分析测试手段对材料进行表征。结果表明, 将PAM溶于酸液中且添加量为1.5wt%时制备的LiFePO₄平均粒径约为100 nm, 颗粒分散较为均匀; 该材料在0.1C、1C、2C、5C和10C倍率下首次放电比容量分别为153.8、142.5、138.4、128.7和124.3 mAh/g, 1C倍率下循环100次后容量保持率仍在99%以上; 交流阻抗分析表明: 1.5wt%PAM改性后的材料的各种阻抗值均降低, 锂离子的导电速率提高了28倍。PAM改性后的LiFePO₄/C正极材料的离子及电子导电性提高了, 具有优良的倍率性能与循环性能, 有利于大规模推广应用。     

ZIF-67衍生Co-NC多孔碳材料的可控制备及其在锂-硫二次电池中的应用研究

以ZIF-67为模板制备了一系列具有不同金属Co负载量的S/Co-NC复合材料, 并将其应用于锂-硫电池正极中进行电化学性能研究。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对Co-NC材料的多面体形貌及多孔结构进行表征; 采用X射线衍射(XRD)分析了Co-NC中金属Co的结晶状态; 采用氮气吸脱附方法分析了Co-NC材料的比表面积及孔结构。研究表明, 当刻蚀时间为48 h, 即Co含量为15.93wt%时, 复合硫正极呈现出最佳的循环性能以及倍率性能, 在0.2C电流密度下从第50圈到200圈循环的容量保持率为94.84%, 5.0C高倍率下的放电比容量为718.8 mAh?g ^-1。     

水热法制备锂离子二次电池用球形Li4Ti5O12负极材料及其电化学性能

以LiOH溶液和不同粒径的自制球形TiO₂为反应物, 通过水热法快速地合成了尖晶石型结构的球形Li₄Ti₅O₁₂, 并考察了材料合成的水热反应机理和电化学性能。TiO₂在100℃、5 mol/L LiOH溶液中经水热反应20 h得到前驱体, 再经800℃热处理2 h便可得到粒径大小不同(0.5~1.5 µm)且分布均匀的球形尖晶石Li₄Ti₅O₁₂材料。LiOH在水热反应条件下扩散到球形TiO₂内部, 得到在分子水平混合均匀的Li-Ti-O中间体, 利于高温下生成纯相的尖晶石Li₄Ti₅O₁₂。所得粒径大小不同的Li₄Ti₅O₁₂材料均表现出稳定的电化学循环充放电性能, 其中, 粒径为0.5 µm 的Li₄Ti₅O₁₂材料的电化学性能最好: 室温下, 以0.2 C的倍率进行充放电, 其可逆容量达到158 mAh/g, 70周后容量保持率高于99%; 同时还表现出优异的高温循环稳定性, 55℃下以0.2 C的倍率进行充放电, 50次循环后其可逆放电比容量仍能达到125 mAh/g。     

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。