具有异质结构的多功能氧化石墨烯改性纳米纤维膜(ZnS-CoS@GO@CNFs)用于长期稳定的钾离子储存（英文）

过渡金属硫化物作为钾离子电池的高理论容量阳极,由于其电导率低、循环过程体积膨胀大,导致其倍率性能和循环稳定性较差.本文采用氧化石墨烯(GO)来控制纳米颗粒在纤维中的粒径和分布,以提高复合纤维的导电性和拉伸变形.此外,由异质结构和氧化石墨烯组成的三维导电碳网络(ZnS-CoS@GO@CNFs)可以加速钾离子储存的动力学并稳定钾离子储存.作为钾离子电池的阳极材料,该复合材料在3 A g^-1下具有210 mA h g^-1的优异倍率性能.在2 A g^-1的大电流下经历2800次循环后仍表现出171 mA h g^-1的容量,容量保持率为97.7%.此外,当纳米纤维膜用作自支撑阳极时,仍然可以保持稳定的容量输出(在0.1 A g^-1下100次循环后容量为302 mA h g^-1).由钾离子混合电容器组装的可折叠袋状电池在多角度重复弯曲和最终恢复的情况下仍然可以安全地工作,并且可以提供大的能量密度(134 W h kg^-1)和功率密度(5815 W...     

软@硬复合炭结构设计及其协同电化学储钾

软@硬复合炭结构有助于协同改善炭负极材料的电化学储钾性能,但目前对不同复合结构对电化学储钾性能的影响规律仍缺乏系统研究。有鉴于此,将罗丹宁和嵌段共聚物F127作为硬炭前驱体,煤沥青热挥发份作为软炭前驱体,通过共炭化与气相沉积的协同使用,开发硬炭、软/硬三维杂化炭结构、软炭壳@硬炭核复合结构,并研究3种结构对电化学储钾性能的影响。软炭壳@硬炭核复合材料具有高可逆容量(0.05 A·g^-1下容量为365 mA·h·g^-1)、高循环稳定性(100圈循环后容量保持率为80%)、高倍率性能(1 A·g^-1下容量为177 mA·h·g^-1)的特征。硬炭核丰富的缺陷活性位点可提高复合材料储钾容量。软炭壳的涡轮碳结构可覆盖硬炭表面缺陷,促进钾离子去溶剂化嵌入以改善循环稳定性。此外,高导电性软炭壳可改善电荷交换,进而提高复合材料的倍率性能并缓解电压滞后。得益于软炭与硬炭复合结构的协同储钾机制,软炭壳@硬炭核复合材料表现出明显优于硬炭的电化学储钾性能。     

具有共价键特征的金属-有机基团促进高性能钾离子电池（英文）

钾离子电池(PIBs)面临的一个关键问题是设计具有先进结构的负极材料,以实现快速电荷传输以提高钾的存储性能.采用碳二亚胺铁(FeNCN)作为阳极,由于其含有一定数量的共价键且在分子水平上具有稳定的结构,使得储钾系统能够实现优异的电化学性能.FeNCN阳极具有高导电性,带隙接近0 eV,并且由于其共价键结构具有良好的结构稳定性.此外,无定形反应产物也为离子扩散提供了多种途径.因此,FeNCN阳极表现出高可逆比容量(在50 mA g^-1电流密度下具有600 mA h g^-1比容量),显著的倍率性能和长寿命循环(电流密度为500 mA g^-1时拥有400 mA h g^-1比容量且超过300次循环).通过理论模拟、X射线原位衍射分析和X射线光电子能谱分析揭示了Fe²⁺和K⁺之间的转化反应机理.此外,将FeNCN负极与苝-3,4,9,10-四羧酸二酐正极材料匹配,组装成的全电池在198.6 Wkg^-1的功率密度下实现了184.7 W h kg<...     

钾离子电池中碳负极材料的研究进展

有机系钾离子电池因其能量密度高、钾储量丰富、成本低等优势而成为当前储能器件领域一个新的研究热点。钾离子可以在商品化石墨负极材料中嵌入与脱出,这对于钾离子电池未来的产业化发展具有重要意义。但目前石墨负极存在体积膨胀率较大、容量衰减快、倍率性能低等问题。研究者们尝试使用石墨以外的其它负极材料来提高钾离子电池的电化学性能,如其它种类碳质材料、金属氧化物、过渡金属化合物等。其中碳质材料因制备方法简单、成本低廉、安全环保等优点而成为主要研究对象。本文总结了钾离子电池碳负极材料的最新研究进展,并对一些表现出优异电化学性能的碳负极材料的制备方法及电化学机理做出扼要重述;在此基础上,对钾离子电池的下一步研究进行展望与总结。     

弹性MXene上垂直生长缺陷1T′-ReSe2纳米片实现快速稳定钾离子存储(英文)

过渡金属二硫族化合物(TMDs)用作钾离子电池(KIBs)负极时存在反应动力学缓慢及结构稳定性不足等难题,导致其循环和倍率性能差,使得其应用严重受限.在本文中,我们将Te掺杂的1T′-ReSe₂负载在MXene上构建了高性能KIBs负极(Te-ReSe₂/MXene).该超结构利用缺陷化的Te-ReSe₂与自调节弹性MXene的协同效应,表现出高可逆容量(0.1 A g^-1电流密度下循环200圈后为361.1 m A h g^-1),优异的倍率性能(20 A g^-1电流密度下为179.3 m A h g^-1)和超长的循环寿命(5 A g^-1电流密度下循环2000圈后为202.8 m A h g^-1),并能实现柔性全电池的稳定运行,是目前所有TMDs基负极展示的最好性能之一.动力学分析和理论计算表明,该材料具有出色的赝电容特性,高电导率和优异的K⁺吸附/扩散能力,显著提升了...     

用于钾基能源存储的石墨材料研究进展

由于钾离子电池成本低和其电化学性能与锂离子电池相当,钾离子电池和钾基双离子电池成为非常有潜力的新兴储能器件.另外,石墨作为已成功商业化应用的锂离子电池负极材料,也可容纳半径较大的钾离子和一些阴离子的插层并表现出较高的理论容量.但是,石墨材料在钾基能源存储器件中的应用依然面临一些挑战,如半径较大的离子插层会造成较大的体积...     

柔性活化碳纤维膜用于钾离子电池负极材料

钾离子电池是一种安全、可靠、低成本的新型电化学储能器件,但其负极存在容量小、动力学缓慢和循环稳定性差等问题。本工作利用静电纺丝技术结合空气活化方法制备了活性碳纤维柔性自支撑电极。活性碳纤维的三维多孔道网络结构有利于提高电极与电解液的浸润性和促进钾离子扩散。同时,氧和氮的共掺杂提供了额外的氧化还原位点,提高了储钾容量。作为钾离子电池负极材料,优化后的活性碳纤维在0.05 A·g^-1的电流密度下平均可逆容量达到363.7 mAh·g^-1,且在1.0 A·g^-1的电流密度下经过2 500次循环后容量保持率为88.5%。     

高供体电解质赋予石墨阴离子衍生界面以实现稳定钾储存（英文）

石墨负极有望应用于钾离子电池,但受到循环过程中不可控的体积波动和枝晶生长的限制.在此,我们利用酰胺基电解质构建了具有高机械强度和离子电导率的阴离子衍生界面,可有效解决这些问题.酰胺分子的高供体数可以加强溶剂分子与K⁺的溶剂化作用,确保更多的阴离子进入初级溶剂化鞘层.缩短的溶剂与阴离子距离有利于电子从溶剂化的K⁺转移到阴离子,进而促进阴离子还原.生成的富含无机物的界面缓冲了充放电过程中的体积变化,抑制了K枝晶的生成,促进了钾离子的扩散.基于此,K//K对称电池以0.15 V的极化电位稳定循环超过2800 h.石墨电极实现了C?KC₆₀?KC₄₈?KC₃₆?KC₂₄?KC₈的高度可逆相变,在循环100周后仍保持了217.6 mA h g^-1的高放电容量和86.9%的容量保持率.组装的全电池也表现出52.5 W h kg^-1的高能量密度.这项工作突出了界面结构的重要性,并为设计高性能电解质提供了全...     

Ni/Ni2P异质结/多孔碳修饰隔膜用于加速多硫化物催化转化(英文)

锂硫电池固有的缓慢转化动力学和严重的穿梭效应导致其可逆容量和循环寿命差,严重阻碍了其实际应用.为了解决这些问题,我们设计并构建了一种Ni/Ni₂P异质结嵌入介孔碳纳米球的复合材料(Ni/Ni₂P-MCN),将其用于锂硫电池隔膜改性以促进多硫化物的催化转化.研究发现, Ni/Ni₂P-MCN改性隔膜可以通过丰富的异质结化学吸附位点吸附多硫化物、抑制穿梭效应,而且对多硫化物的转化具有优异的催化活性.此外,具有暴露介孔结构的导电碳球可以作为物理屏障,容纳沉积的不溶性Li₂S.因此,使用Ni/Ni₂P-MCN改性隔膜的电池显示出优异的倍率性能(5 C下431 mA h g^-1)和循环稳定性(1500次循环下平均容量衰减约0.031%).在4.2 mg cm^-2的高载硫下,输出面积比容量约3.5 mA h cm^-2.我们认为,这种独特的Ni/Ni₂P异质结/多孔碳复合材料在高性能、可持续储能器件中具备...     

丙二醇电解液键结构调控及其水系锌离子电池稳定性研究（英文）

水系锌基电池具有低成本和高安全性的优点,是很有潜力的储能技术.然而,枝晶、副反应和较差的低温性能限制了其实际应用,这与电解液的溶液组成密切相关.在本工作中,我们通过调控丙二醇电解液的溶剂结构及键相互作用,有效抑制了锌枝晶和副反应.丙二醇具有较高的电子云密度和DN (Donor number)值,可以破坏水分子间和水分子与Zn²⁺间的相互作用,从而提高H–O共价键的强度,降低水活性和冰点,改变Zn²⁺的溶剂化结构.制备的电池器件表现出高的循环稳定性(Zn//Zn电池循环超过1000 h),高可逆性(库伦效率达到98.9%),高储锌性能(在5 A g^-1下比容量为225 m A h g^-1,循环5000圈容量保持率为9 2.6%)和优异的防冻性能(在-2 0°C下循环5 0 0圈比容量为190 m A h g^-1).本工作为高性能水系锌离子电池的发展提供了一种有前景的策略.     

用于钾基能源存储的石墨材料研究进展（英文）

由于钾离子电池成本低和其电化学性能与锂离子电池相当,钾离子电池和钾基双离子电池成为非常有潜力的新兴储能器件。另外,石墨作为已成功商业化应用的锂离子电池负极材料,也可容纳半径较大的钾离子和一些阴离子的插层并表现出较高的理论容量。但是,石墨材料在钾基能源存储器件中的应用依然面临一些挑战,如半径较大的离子插层会造成较大的体积膨胀(K~+61%;阴离子130%),导致在循环过程中石墨层间滑移,电池容量衰减;同时由于石墨材料有限的层间距,半径较大的离子会表现出缓慢的插层反应动力学而导致较差的倍率性能。因此,针对存在的问题,本文总结了近年来石墨材料应用于钾基能源存储的研究进展,分析了插层机理并揭示了电化学性能与石墨结构,电解液和黏结剂之间的关系。最后,总结并展望了石墨材料在钾基能源存储中应用的发展方向。     

生物活性小分子基水系锌有机电池实现长寿命和快充（英文）

因具有高安全性和高性价比的优势,水系锌离子电池(AZIBs)成为了当前研究的热点.然而,电极材料溶解、固有电导率低、反应动力学慢等问题严重阻碍了其实际应用.在本文中,我们合成了一种在黑色素瘤治疗中发挥重要作用的含硫有机小分子(seriniquinone,SQ),将其作为电极材料应用于锌离子电池.通过导电碳修饰的方法制备了SQ/CMK-3复合电极,进一步解决了活性物质SQ的溶解问题并提高了其导电性.在Zn‖SQ/CMK-3半电池中,SQ/CMK-3正极在100 mA g^-1电流密度下的初始放电比容量达到234.4 mA h g^-1.在1 A g^-1的高电流密度下经过5000次超长循环后,比容量仍保持100.2 mA h g^-1.此外,通过密度泛函理论计算,我们提出了在两个SQ分子之间嵌入四个Zn²⁺的储存机理,并通过多种非原位表征测试进行了证实.在采用SQ/CMK-3复合材料作为正负两极的全有机对称电池中,SQ不仅在100 mA g^-1的电流密度下获得高达1...     

强耦合氧化钼氮碳复合材料的制备及其锂离子存储性能研究（英文）

氧化钼(MoO₃)是一种具有吸引力的锂离子电池(LIBs)负极材料;然而,其导电性低、锂化后体积膨胀大、锂离子扩散动力学缓慢等特点严重限制了其实际应用.本文中,我们利用高量Mo/N掺杂的碳前驱材料合成了超细的MoO₃纳米颗粒(NPs,10-15 nm),所合成的MoO₃NPs被限制在原位生成的N掺杂碳网络结构中.这种设计既促进了快速的电子传导,又缩短了锂离子扩散路径;同时,MoO₃表面丰富的氮物种和氧缺陷有助于降低锂离子的吸附能垒,这些共同支持了MoO₃ NPs在高电流倍率下耐久储锂性能的提升.值得注意的是,所获得的NCMoO₃纳米复合材料表现出1362 mA h g-1(0.1 A g^-1)的较高容量,并在10.0 A g^-1时保持394 mA h g^-1的可逆容量.全电池测试表明:在大倍率5 C下,LiFePO₄//NC-MoO₃-400电池仍...     

一种原位还原策略用于构筑无枝晶锌负极（英文）

结合了三维结构和亲锌物种的集流体构筑策略被认为是构建高稳定锌金属负极的有效方法.然而,高昂的成本和复杂的制备工艺阻碍了其实际应用.本文通过在有均匀Cu²⁺锚定的碳布集流体(ACC-600@Cu²⁺)上沉积锌,合理设计了一种稳定的三维锌金属复合阳极(Zn@ACC-600@Cu²⁺).在锌成核过程中,Cu²⁺原位还原为金属Cu,然后随着锌的进一步沉积,碳布表面逐渐形成均匀的亲锌的Cu-Zn合金界面层.密度泛函理论计算和实验观察表明,Cu-Zn合金界面不仅可以作为锌离子的亲锌沉积点,而且可以提高导电率,使电场和锌离子通量均匀化.因此,ACC-600@Cu²⁺集流体可以实现高的镀锌/剥离可逆性,并在15.8 mV的极化电压下稳定循环410 h以上.作为概念验证,我们组装的Zn@ACC-600@Cu²⁺‖MnO₂全电池具有良好的电池倍率性能,与原始碳布相比,其比容量显著提高至110 mA h g^-1.本文提出的原位还原策略...     

硫化物固态电解质Li6PS5Cl的球磨-固相烧结制备与性能

硫银锗矿结构的硫化物固态电解质Li₆PS₅Cl（LPSC）具有离子电导率高（>3×10^-3 S·cm^-1）和对锂稳定性良好等特点,是构建全固态锂离子电池的理想电解质材料之一,具有良好的发展前景。本工作采用高能球磨和惰性气氛固相烧结相结合的方法制备硫银锗矿型固态电解质LPSC,并采用粉末X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman spectra）和扫描电子显微镜（SEM）等对其进行表征,探究制备工艺对LPSC结构、成分和电学性质等的影响。结果表明：高能球磨会破坏原料的晶粒,降低晶粒尺寸,延长球磨时间有利于LPSC前驱体粉末的非晶化和后续烧结,提高烧结温度将促进制备的LPSC电解质的物相变纯和离子电导率升高,但烧结温度过高会导致LPSC的分解。综合考虑球磨时间和烧结温度对材料离子电导率和电子电导率的影响,经8 h球磨和500℃烧结制备的LPSC在室温下具有最高的离/电子电导率比（2.091×10⁵）,其离子电导率高达4.049×10^-3 S·cm^-1,而电子电导率仅为1.936×10^-8 S·cm^-1。利用该电解质制备的712 NCM/LPSC/In-Li全固态电池在0.1 C的充放电倍率下首周放电比容量高达151.3 mAh·g^-1,且具有优良的循环稳定性。     

丁二腈增塑氟化聚碳酸酯基固态电解质用于4.5 V高压锂金属电池（英文）

与液态电解质相比,聚合物电解质(SPEs)具有更高的安全性,在储能领域具有广阔的应用前景.但是其高压下易分解、室温离子电导率低、室温循环性能差等问题阻碍了SPEs的应用.本研究以丙烯酸三氟乙酯和碳酸乙烯亚乙酯为原料,丁二腈为增塑剂,原位聚合制备了氟化聚碳酸酯基固态电解质SNSPE-40.SNSPE-40在25℃条件下离子电导率高达1.33 mS cm^-1,电化学窗口达到5.4 V.得益于富含氟化锂的SEI层的形成,Li|SNSPE-40|Li电池以0.1 mA cm^-2电流密度稳定循环了2000 h.在4.5 V截止电压和室温条件下,Li|SNSPE-40|LiNi_0.9Co_0.05-Mn_0.05O₂电池实现了0.5 C(1 C=220 mA g^-1)倍率300圈的稳定循环(57.4%容量保持率).Li|SNSPE-40|LiCoO₂电池实现了1 C(1 C=200 mA g^-1)倍率250...     

聚烯烃型隔膜的表面亲液改性

为提高锂离子电池聚烯烃多孔膜的亲电液性,增加其离子导电性能,采用辐射聚合甲氧基聚氧化乙烯丙烯酸酯对聚烯烃隔膜进行表面改性。改性后的隔膜对高极性电解液具有良好的湿润性。由于对电解液更高的吸附作用,通过吸附更多的液态电解液,使膜更易传导锂离子。改性膜作为隔膜制备的碳/正极材料锂离子电池不仅具有优良的容量保持性,也具有良好的倍率放电性能。     

电子堆积工程调控二硒化镍纳米片助力具有快速动力学的钠离子电池（英文）

近年来,钠离子电池电极材料引起了研究者们极大的兴趣.过渡金属硒化物具有高钠离子存储容量,是一种具有前景的钠离子电池负极材料.然而,该类材料较低的电导率以及钠离子脱嵌过程中巨大的体积膨胀,导致了其较差的钠离子电池倍率性能和循环寿命.本工作采用二维的双金属有机框架材料为模板,设计制造了多孔铁掺杂NiSe₂纳米片材料(Fe-NiSe₂@C NSs),该结构具有充分暴露的活性位点,增强的电导率,丰富的空隙和短电子传输路径,易于适应钠离子脱嵌带来的体积膨胀应力,并具有快速的电荷转移动力学.作为钠离子电池负极材料时,Fe-NiSe₂@C NSs表现出高比容量(5 A g^-1电流密度下为302 mA h g^-1)和优异的循环稳定性(5 A g^-1的电流密度下循环1000圈容量保持率为99%).此外,该材料在与Na₃V₂(PO₄)₂O₂F正极材料组成的钠离子全电池...     

通过引入天然氨基酸基团来设计高容量、长寿命钠离子电池用有机分子电极（英文）

有机电极具有结构可设计性强、容量大、可容纳大离子等优点.然而,在钠离子电池中,有机电极材料的容量仍然很低,且其在有机电解质中的高溶解度导致其寿命较短.如何通过化合物设计来提高其性能一直是研究人员关注的问题.本研究通过简单方法将氨基酸接枝到有机化合物上,提高了其容量和循环稳定性.首先,氨基酸之间的氢键使其形成更稳定的层状结构;氨基酸基团在有机电极材料和羧甲基纤维素粘合剂之间形成分子间相互作用,降低界面阻力,显著提高循环稳定性,使得钠离子电池循环次数超过2000次.其次,实验和计算结果表明,氨基酸基团提供了Na⁺转运途径和额外的可逆存储位点,从而提高了比容量(～300 mA h g^-1).本策略可以启发未来钠离子电池的有机分子设计.     

基于三维电子离子共导亲锂骨架的高容量、高倍率和无枝晶锂金属负极（英文）

锂金属负极因具有较高的理论容量和最低的氧化还原电位有望成为下一代电池负极材料,而严重的锂枝晶生长阻碍了其实际应用.本文中,我们制备了Li₃P纳米片和Ni纳米颗粒修饰的泡沫镍结构作为无枝晶锂金属负极的三维骨架.其中Li₃P纳米片表现出优异的锂离子电导率和优异的亲锂性,三维镍骨架可提供足够的电子电导率并确保结构稳定性.由该负极组装的对称电池具有低电压滞后和长循环稳定性(在20 mA cm^-2和10 mA h cm^-2下电镀/剥离循环500次后的电压滞后为104.2 mV).同时,由该负极和商用LiFePO₄正极配对的全电池具有较好的循环稳定性(180次循环后的比容量为124.6 mA h g^-1,对应容量保持率为90.8%).这种方法制备的三维电子离子共导亲锂骨架为高电流密度下无枝晶锂负极提供了一种潜在的可扩展选择.