Economic analysis for room-temperature sodium-ion battery technologies

随着人们对新能源和环境的重视,锂离子电池的应用逐渐扩展到电动汽车和储能领域,这势必增加了锂资源的使用和消耗.在锂资源日益紧缺的形势下,锂离子电池原材料成本必然难以降低,使其在大规模储能中的应用受到限制.而室温钠离子电池由于其资源丰富,成本低,能量转换效率高,循环寿命长,维护费用低等诸多优势已成为目前研究的热点.本文对室温钠离子电池材料选择和原材料成本进行了分析,并与当前常用的锂离子电池体系进行对比,从电池经济性角度表明室温钠离子电池是大规模储能领域的优秀备选电池.     

Research progress of carbon-based sodium-storage anode materials

钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好等优势,被认为是最有可能取代锂离子电池成为大规模储能应用的理想电源之一。钠离子电池的性能主要决定于储钠正负极材料,而储钠负极材料是其中一个重要的组成部分。在目前所研究的储钠负极材料中,碳基负极不仅具有较低的嵌钠平台、较高的容量及好的循环稳定性,还具有资源丰富、制备简单等优点,是目前最具应用前景的储钠负极材料。本文综述了石墨、石墨烯、软碳和硬碳等几种碳材料的储钠行为及研究进展,探讨了碳材料储钠性能与微观结构的内在联系,进而阐明了硬碳材料作为最为理想的储钠碳负极材料的应用优势。本文还探讨了目前颇具争议的两种硬碳储钠机理—“嵌入-吸附”和“吸附-嵌入”,并对硬碳材料的发展前景作出了展望。     

Recent research progress of metal compounds as anode materials for sodium-ion batteries

钠离子电池具有钠资源存储丰富、价格低廉等优点,是一种极具发展前景的储能装置,因此成为当下研究热点。钠离子电池的电化学性能主要取决于正负极材料。但是,钠离子较大的半径使其在电极材料中可逆地嵌入/脱出更为困难。而金属化合物材料作为储钠负极材料时,遵循转化反应机制,并表现出较高的理论比容量,因而受到研究人员的广泛关注。本文综述了金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物等几种金属化合物负极材料的储钠机制和研究进展,探讨了金属化合物材料的储钠性能,阐明了金属化合物作为理想的储钠负极材料的优势,最后对金属化合物材料的研究前景进行了展望。     

金属有机框架及其衍生金属氧化物在锂和钠离子电池中的应用

高性能锂和钠离子电池是未来便携电子设备、电动汽车和大规模储能电站的重要组成部分,受到了各行业的广泛关注。目前商用的锂离子电池和研发中的钠离子电池都面临着一些技术瓶颈,主要表现为能量密度低、充放电慢等,导致无法满足市场的需求。具有独特结构、高比表面积的金属有机框架及其衍生金属氧化物可作为电化学储能器件新型电极材料,满足高性能锂和钠离子电池的要求。本文综述了近年来金属有机框架及其衍生金属氧化物作为锂和钠离子电池电极材料的研究进展,同时指出了金属有机框架及其衍生金属氧化物在实际应用中的不足及未来可能的一些改进措施。     

Recent advances of electrolytes for sodium-ion batteries

作为一种新型的储能电池体系,钠离子电池具有资源丰富、成本低、比容量较高等优点,近年来引起了全世界范围内的广泛关注。电解质是制备高性能,长循环寿命,安全性良好的钠离子电池的关键材料之一。本文简要介绍有机电解质、水系电解质、离子液体电解质、固体聚合物电解质、无机固态复合电解质和凝胶态聚合物电解质等体系在钠离子电池中的研究进展,讨论这些电解质体系的电导率、电化学窗口、热稳定性等特点。目前应用在钠离子电池中较为成熟的是有机电解质,展现了良好的综合性能,但安全性仍有待改善。而安全性能较好的离子液体电解质、固体电解质及凝胶态电解质还有许多基础科学需要探索,并且需要考虑成本、电导率、机械强度等诸多因素。基于上述评述,展望了钠离子电池电解质的未来发展。     

Conjugated carbonyl compounds as electrode materials for sodium-ion/potassium-ion batteries

钠（钾）离子电池资源丰富、成本低廉,是极具大规模应用潜力的新型电池体系。然而,受制于较大的钠（钾）离子半径,这两类电池电极材料的选择受到了极大的限制。以共轭羰基化合物为代表的有机电极材料具有柔性的骨架结构,对阳离子半径选择性小,且结构多样、理论比容量高、环境友好,基于有机共轭羰基化合物构建的钠（钾）离子电池是未来“绿色电池”发展的重要方向。本文介绍了共轭羰基化合物的分类、储钠/钾性能及机理,重点探讨了羰基化合物作为储钠（钾）材料存在的问题和改进方法。最后,总结了羰基化合物作为钠钾离子电池电极材料存在的基础科学问题、技术挑战以及竞争力,同时进一步展望了有机共轭羰基化合物的发展方向以及大规模储能领域的应用前景。     

Recent research progress of metal sulfides as anode materials for sodium-ion batteries

本文回顾了一些金属硫化物在钠离子电池中的应用,钠与锂同族,钠离子电池有望和锂离子电池一样,成为一种极具发展前景的储能装置,所以其电极材料是当下研究的热点。重点介绍了这些材料目前面临的问题,钠离子较大的半径使其在电极材料中存在脱嵌困难、体积膨胀等问题,鉴于层状金属硫化物拥有良好的钠嵌入平台,因而受到研究人员的广泛关注。综述了二硫化钼、二硫化钨、二硫化锡、二硫化钒、二硫化钛几种层状过渡金属二硫化物和硫化镍、硫化锌、硫化铜、硫化亚铁几种非二硫化物负极材料在钠离子电池中的电化学性能,包括了容量和循环性能等。分析了这些材料目前所面临的主要问题是体积膨胀、钠离子扩散缓慢、充放电效率低、多硫化物溶解-穿梭等问题。指出缓解硫化物体积膨胀问题的方法有与碳复合、材料纳米化、控制形貌等,对于层状过渡金属二硫化物还可以通过扩大层间距、调节截止电压等方式提高其电化学性能。最后对过渡金属硫化物负极材料的研究前景进行了展望。     

Capacitance-dominated hierarchical porous three-dimensional carbon framework enhanced Prussian blue analogue as superior cathode for sodium-ion batteries

The 3D framework carbon is an ideal host of active materials for energy storage batteries. In this work, K_xNa_yMn[Fe(CN)₆] (KNMF) nanocubes were in-situ grown on hierarchical porous 3D framework carbon (3DFC) to construct a composite cathode (KNMF@3DFC) for sodium-ion batteries. Owing to the hierarchical porous structure and large specific surface area, the highly conductive 3DFC offers abundant active sites for sodium storage and contributes to extra capacity. The considerable content of surface capacitance-dominated sodium storage of KNMF@3DFC composite cathode reveals faster charge transfer and better reaction kinetics, conducing to its rate capability. Ex-situ XRD/Raman measurements further reveal well structural stability of KNMF@3DFC during the whole cycle. Consequently, the KNMF@3DFC composite electrode reveals excellent rate performance and superior long-term cycling stability. Combining active materials with 3D framework carbon to enable a capacitance-dominated sodium storage mechanism is a promising strategy to stimulate the development of advanced electrode materials.     

Research progress of cycle phosphazenes applied in lithium ion batteries

本文回顾了环三磷腈及其衍生物的合成,阐述了其在锂离子电池电解液,正负极材料等关键材料方面的应用研究进展,并进行了相应的展望.随着锂离子电池在高容量动力及储能领域中的广泛应用,电池的安全性问题日益凸显,材料安全性是电池安全性的基本保证.磷腈化合物由于其特殊的组成和结构,具有高效阻燃与电化学稳定性,在用于改善锂离子电池安全性方面受到越来越广泛的关注.在锂离子电池电解液添加剂和共溶剂的研究中发现,磷腈化合物不仅可以改善电解液的热稳定性和阻燃性能,还可以提高电池的充放电电压和循环稳定性;同时,也可以作为正负极材料的重要组分,改善电极材料的安全性.在锂离子电池安全性领域中具有较好的研究价值和实用意义.     

Recent research progress of tin oxide as anode materials for sodium-ion batteries

与锂元素相比,钠元素在地壳中储量丰富、分布均匀又价格低廉,继锂离子电池研究受限后,钠离子电池又重新引起了研究者们的关注。在众多钠离子电池电极材料中,锡基金属氧化物因具有较高的理论比容量（1378 mA·h/g）,近年来备受青睐。据文献可知,不同纳米结构的锡基氧化物材料表现出不同的电化学性能。本文从钠离子电池锡基金属氧化物亟待解决的问题出发,系统地总结了特殊形貌的锡基金属氧化物、低维度纳米结构的锡基氧化物材料的复合化、三维结构的锡基氧化物材料复合化、核壳结构的锡基氧化物材料的复合化、特殊结构的锡基氧化物材料的复合化的纳米结构特征及其电化学性能,并展望了锡基氧化物材料的面临的挑战。     

Structure and properties of cathode materials for ion batteries

近年来,可充电电池以其成本低廉、操作简单、安全环保等优点引起了不少研究者的关注。与锂离子电池相比,钠、钾、镁、锌和铝等离子电池在成本和安全等方面表现出独特的优势,为电池型储能系统（BESS）和电动汽车（EVs）的发展提供了新的思路。正极材料作为离子电池的重要组成之一,其性能的优劣将直接影响整个电池系统的工作状况。本文将介绍离子电池正极材料在容量、循环寿命和能量密度方面的最新进展,以及离子的储存机制。此外,探讨了材料结构和性能间的关系,总结了各种改善离子储存性能的方法,从而使低成本的离子电池更接近可持续大规模储能系统的应用。     

Carbon-based materials for advanced lithium-sulfur batteries

随着能源和环境问题的日益突出以及电子电动设备的迅猛发展,传统锂离子电池已经越来越难以满足人们对于高能量密度电池的需求.锂硫电池因其能量密度高,成本低以及无污染等优点,被认为是极有潜力的下一代高能量密度储能体系.然而由于锂硫电池中正极材料电子,离子电导率低,充放电过程中电极体积变化大,聚硫化物等中间产物的溶解和伴随的"穿梭效应"以及锂负极的使用所带来的锂枝晶等一系列问题,导致锂硫电池的循环寿命差,阻碍其产业化的应用发展.锂硫电池体系中碳质材料的引入可以提高材料导电性,缓冲体积变化,抑制聚硫化物穿梭,是提高其电化学性能的有效手段.本文综述了近年来最新的锂硫电池中碳质材料的应用研究进展,包括硫/碳复合物,柔性自支撑电池和碳质锂硫电池负极,分析了其对锂硫电池性能提升的作用机理,并展望了锂硫电池将来可能的发展方向.     

Research progress of calcium battery

多价电池的发展为解决目前锂离子电池安全性差、成本高及能量密度低的瓶颈提供了机会。相比于锌和镁,钙不仅储量大,而且氧化还原电势（-2.87 V）及密度更低;然而,钙金属电池相比其它多价电池得到的关注依然较少,主要原因在于非质子电解液中钙金属表面形成的钝化层无法有效传导Ca²⁺,进而导致相应的沉积过程难以实现;同时,稳定的储钙电极材料的研究也成为钙金属电池进一步发展的另一挑战。本文对金属钙及其合金负极在不同电解液中的电化学行为、嵌入类型（普鲁士蓝类、氧化钒等）及转换类型（钙氧电池、钙硫电池）等所涉及到的钙金属电池正极材料的研究进展进行详细综述。     

All-solid-state thin film lithium batteries

薄膜型全固态锂电池具有完美的电极/电解质固-固界面,可以有效解决当前商用锂离子电池的安全性问题,并具有超长的循环寿命、较宽的使用温度范围、较低的自放电率等优点,相比体型固态锂电池性能优越,受到了业界的广泛关注。然而制备成本高、单位面积能量密度低等缺点限制了其应用范围。本文介绍了薄膜型全固态锂电池的工作原理及特点、关键材料的研究现状,并针对薄膜固态锂电池的产业化现状和技术瓶颈进行了总结,对新一代薄膜型全固态锂电池的发展及产业化应用进行了展望。     

Applications of atomic force microscopy in lithium ion batteries research

锂离子电池由于具有高能量密度、高循环寿命、安全等诸多优点,是现代生活中最受欢迎的便携式电源,有着广阔的应用前景。为了充分发挥锂离子电池的潜力,推进其实用化进程,需要深入研究电极反应历程。作为锂离子电池研究的得力助手,原子力显微镜（AFM）能通过其针尖原子与电极表面原子之间的相互作用,实时检测电极表面的微观形貌,在纳米尺度上提供电极表面的物理化学信息,为电极材料和电解液的优化改性提供实验依据。本文综述了AFM在锂离子电池研究中的最新应用进展,包括电化学反应条件下电极材料的形貌变化、纳米力学性能和电学性能等,说明AFM将会进一步推动锂离子电池的研究进展。     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (Ⅷ)----Anode electrode materials

锂离子电池的成功商业化,起始于石油焦负极材料.负极作为锂离子电池必不可少的关键材料,目前主要集中在碳,钛酸锂以及硅基等合金类负极,采用传统的碳负极可以基本满足消费电子,动力电池,储能电池的要求,采用钛酸锂可以满足高功率密度,长循环寿命的要求,采用合金类负极材料有望进一步提高能量密度.本文小结了目前广泛使用和正在研究的锂离子电池负极材料的性能特点,讨论了下一代锂离子电池负极材料的研究和发展状况.     

Recent progress in the application of carbon materials to supercapacitors and lead-carbon batteries

新型炭材料是电化学储能领域中非常重要的一类储能材料,目前广泛应用于各种电化学储能器件.本文综述了具有电容特性的高比表面积炭材料在超级电容器与铅炭电池中的应用.采用不同的方法合成具有高比表面积的新型炭材料作为超级电容器电极材料,能够得到较高的比容量.适量高比表面积的炭材料应用于铅酸电池负极,形成铅炭电池,极大地提高了电池的储能特性.论文最后探讨了新型炭材料在超电容以及铅炭电池中应用的发展方向.     

Lithium batteries: Status, prospects and future

Lithium batteries are characterized by high specific energy, high efficiency and long life. These unique properties have made lithium batteries the power sources of choice for the consumer electronics market with a production of the order of billions of units per year. These batteries are also expected to find a prominent role as ideal electrochemical storage systems in renewable energy plants, as well as power systems for sustainable vehicles, such as hybrid and electric vehicles. However, scaling up the lithium battery technology for these applications is still problematic since issues such as safety, costs, wide operational temperature and materials availability, are still to be resolved. This review focuses first on the present status of lithium battery technology, then on its near future development and finally it examines important new directions aimed at achieving quantum jumps in energy and power content.     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries(Apr. 1,2013 to May 31,2013)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science从2013年4月1日至2013年5月31日上线的锂电池研究论文,共有855篇,选择其中100篇加以评论.层状氧化物正极材料的热稳定性,循环过程中的结构相变以及产气问题受到人们关注,高电压的尖晶石结构LiNi0.5M1.5O4在高压下与电解液的匹配以及添加剂的使用也受到人们较多的关注.高容量的Si基负极材料一直是研究的热点,本期碳材料负极也出现了几篇有深度的研究论文.固态聚合物电解质和无机电解质,液态电解质的成膜添加剂均有研究.具有高能量密度的新体系,锂硫电池的研究论文多于锂空气电池的.除了这些以材料为主的研究之外,针对电池安全和电池应用的研究论文也在逐渐增多,这对电池技术的创新将产生促进作用.     

Application of Calix[4]quinone in secondary batteries

随着社会对大型储能设备的环保、充放电性能以及可持续发展的要求越来越高,基于金属氧化物的传统锂/钠离子电极材料受限于比容量,已难以满足未来储能系统的要求。有机材料、锂-硫/氧、液态流体等电池的研发与应用已成为未来能源系统研究的重要内容。其中,有机正极材料中的羰基类化合物Calix[4]quinone（C4Q）是一种很有前途的正极材料。该分子的空间位阻小,8个羰基结构都能发生可逆电极反应,其理论比容量高达446 mA·h/g,远超传统无机电极材料。C4Q不仅可以作为储锂材料,也可作为钠、锌、镁等二次电池的电极材料。本文分别介绍了C4Q在锂、钠二次电池和锌水系电池中的应用成果,并对C4Q今后进一步的开发利用做了展望。