阴离子密堆二次电池正极材料中离子宿住迁移与能量存蓄机制晶体化学新探索

在二次电池电极材料中,有一类性能优良的材料具有阴离子密堆或近密堆方式构筑的晶体结构。宿住阳离子在密堆留下的空隙空间中宿住、迁移,从而实现能量转换与存储。相关过程微观机理的研究由于涉及原子尺度的微观结构辨析和电子层面的分析,实验研究难度较大。因此,更多是通过晶体学理论分析与晶体场理论和量子力学第一性原理计算结合展开。已有的理论从过渡金属配位体晶体场分析展开,但宿住离子宿住迁移中电子相互作用关注相对不足。本文根据已有的实验事实,在精准描述最具代表性的阴离子(氧离子)面心立方紧密堆积(FCC)结构中空隙空间准确形态和微分几何方法准确解析空腔真实体积的基础上,结合空隙空腔独特形态,对经典晶体学中Pauling第一规则的分析方法作了拓展。根据新的理解,提出了宿住阳离子在空隙空腔宿住和徒迁拓扑形变新模式,及其可能拥有的电子形态学新特征,提出了空隙空腔中宿住阳离子体积与密堆阴离子半径间的新关系。为了进一步说明住宿离子电子形态特征,通过第一性原理计算获得了典型FCC结构LiMn_(2)O_(4)尖晶石中电子密度等势图,构造了锂离子宿住四面体空隙空腔的电子密度等势特征分布的三维形态,与晶体学分析中获得的电子形态新特征变化一致。通过夹在两个密排面间的{110}面族电子云密度分布分析,首次清晰地揭示了LiMn_(2)O_(4)中锂离子的“S”形徒迁途径,及其对附近锰离子配位多面体电子云密度分布的影响。依据宿住离子脱/嵌新特征,提出阴离子拓扑多面体晶体场对宿住阳离子电子云压缩发生拓扑变形实现能量转换储蓄的新思路,据此计算了典型紧密堆积构造的电极材料新的理论能量密度,并和传统方法计算的理论值进行了比较,二者十分接近,为从晶体学和量子力学理解二次电池能量储存提供了新视角。

《高比能二次电池关键材料与先进表征专刊》——主编寄语

新能源汽车是我国振兴新能源产业的重要力量,也是我国解决城市雾霾和应对气候变化的重要举措。践行新时代“四个革命、一个合作”的能源战略,需要我国以清洁、低碳、安全、高效为驱动,构建清洁、高效、安全的现代能源体系。发展先进储能电池技术不仅是电力系统低碳清洁化的必要举措和抢占国际能源资源技术战略制高点、保障国家能源资源安全的有力手段,也是新能源产业发展的关键支撑.

铝二次电池用RGO-S电极材料制备与性能研究

以氧化石墨烯与硫代硫酸钠为原料,通过一步水热法,制备还原氧化石墨烯-硫(RGO-S)电极,通过XRD、XPS、SEM、TEM、恒流充放电测试等手段对电极进行分析。结果如下:在RGO-S中硫元素主要为单质,单质硫与还原氧化石墨烯之间主要是以物理吸附的方式结合,主要以S2p3形态存在,小部分以S2p1形态存在。硫元素含量越高,初次充放电容量越高,循环性能越差。硫碳质量比为3:7的RGO-S复合材料具有最优性能,经过120次的充放电循环后放电容量回复到92%左右,在高倍率电流密度下放电容量保持在58.83mAh/g。

高比能二次电池正极材料的X射线谱学研究进展

二次电池具有高能量密度和长循环寿命等特点,为储存并利用清洁能源提供了有效的解决方案。为了满足社会日益增长的能源需求,进一步研究和开发二次电池迫在眉睫,而X射线表征技术可以为二次电池的研究、设计与应用提供全方位视角。基于此,本综述通过对近几年相关文献进行归纳总结,综述了X射线谱学技术在二次电池领域的最新进展以及遇到的问题,重点介绍了X射线表征技术(主要包括X射线光电子能谱、X射线吸收谱和共振非弹性X射线散射等)的基本原理、在二次电池领域的最新研究成果和科学挑战,详细阐释了不同X射线表征手段的技术特点、适用条件和独特优势,并对未来X射线谱学在二次电池领域的应用提出展望。综合分析表明,X射线表征技术可以提供一系列电极材料晶格、电子、物相结构等基本信息,实现从宏观尺度到微观尺度的电极材料结构表征,进而系统揭示电极材料晶体结构与电子结构演变、电荷补偿机制、离子与电子输运以及表界面化学过程等信息,为二次电池性能提升和技术瓶颈突破提供支持。

二次电池高熵电极材料研究进展

对于二次电池电极材料而言,高熵设计可以获得更好的结构稳定性、体相电子电导率以及离子扩散速率。综述了近年来锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(SIBs)、钾离子电池(PIBs)和水系锌离子电池(ZIBs)中的高熵改性电极材料,深刻剖析了优越的电化学性能与高熵结构之间的构效关系,系统总结了高熵电极材料的发展现状与挑战,并对高熵材料的优化设计提出了见解,为推动二次电池高熵电极材料的产业化提供参考。

锂/钠-氯二次电池的最新进展——从材料构建到性能评估

传统锂离子电池的能量密度已难以满足日益增长的更高能量密度的需求。开发新型高能量密度二次电池是最为有效的一个策略。近期,基于商用一次锂-亚硫酰氯锂电池衍生而来的锂/钠-氯二次电池因其高能量密度而备受关注,成为替代传统锂离子电池的有力竞争者。本文围绕锂/钠-氯二次电池的最新研究进展,综述了正极载体、负极及电解液等关键组分构建研究及其对电化学性能的影响。在正极载体方面,系统阐述了碳材料、共轭框架聚合物等载体设计对锂/钠-氯二次电池首次放电容量、可逆容量、倍率性能和温度的影响;在电解液方面,详细分析了针对反应机理、中间相产物和电解液腐蚀问题的解决策略;并简要介绍了适用于锂/钠-氯二次电池的新型合金负极。基于正极载体的理性设计与电解液系统优化,锂/钠-氯二次电池在新型二次电池领域已初现峥嵘,循环寿命可达500圈,尤其是在极端服役环境中表现优异(可在-80℃工作,电流密度最大可达16 A/g)。然而,氯物种转化动力学速率慢、活性氯物种利用率低以及氯物种对负极等的腐蚀难题仍然是限制其性能进一步提升的瓶颈,也是未来亟待解决的挑战所在。

二次电池电极名称的判断

电化学试题是高考必考题型,其中结合原电池和电解池考查的二次电池是考试的热点,解决此类试题的关键是要明确电池的电极名称.理解电极发生的电极反应.1根据电极材料判断例1铝硫二次电池是一种具有高能量密度、廉价原材料、有前途的替代储能装置.

西安建筑科技大学在水系二次电池关键电极材料设计及新体系开发方面取得重要进展

近期,西安建筑科技大学机电工程学院王娟教授团队青年教师李舒越在水系二次电池关键电极材料设计及新体系开发方面取得重要进展,在国际顶级期刊InfoMat上发表题为“Aqueous decoupling batteries:exploring the role of functional ion-exchange membrane(水系解耦电池:探索功能性离子交换膜的作用)”的综述论文,青年教师李舒越为该论文的第一作者,西安建筑科技大学为第一完成单位,吉林大学为主要合作单位。

高电压水系二次电池设计新策略

受水的分解电压(1.23 V)所限,水系二次电池的开路电压普遍不高。本文在分析水系二次电池开路电压影响因素的基础上,介绍了目前提高开路电压的几种新策略,并分别讨论其优缺点。

大规模储能用二次电池的发展现状

在全球极端气候事件频发的背景下,采用太阳能、风能等绿色能源替代煤、石油等传统能源成为人们的共识。然而,太阳能、风能等新能源随着天气、昼夜等变化存在间歇性特征,因此,利用二次电池的可充放性能实现新能源的稳定利用十分关键。鉴于此,分析了大规模储能用二次电池的基本特征;概述了国内外储能用二次电池的发展现状;最后,从基础研究和大规模应用两个角度探讨了未来储能用二次电池的研究重点。

锂二次电池的现状与展望

概述了锂离子二次电池、聚合物锂离子电池以及金属锂二次电池的特点和国内外的产业现状与市场特征,并从锂二次电池的材料着手阐述了相关的研究热点和发展趋势。

锂离子二次电池

锂离子二次电池的体积比能量和质量比能量分别为金属氢化物－镍电池的约１．５倍和２倍。为充分发挥锂离子电池比能量高这一特点，生产电子设备的厂家在设计使用该类电池的整机线路时必须充分考虑到该类电池的有关特性、使用方法及电路设计原则，包括放电电流的控制、充电方式的选择。

锂硫二次电池正极研究进展

综述了锂硫电池中硫基正极材料的制备方法、结构特征以及电化学性能.简述了单质硫正极材料,重点探讨了有机硫化物、碳/硫复合材料、聚合物/硫复合材料的结构设计、材料制备、反应机理以及充放电特性,并对其中存在的问题进行了分析,还介绍了硫化锂正极材料.最后对硫基正极的进一步发展,以及锂硫电池的商业化应用进行了展望.

锂离子二次电池正极材料氧化锰锂的研究进展

综述了最近几年对于锂离子二次电池正极材料氧化锰锂的研究。研究的氧化锰锂材料主要有尖晶石结构的LiMn2 O4、Li4Mn5O9和Li4Mn5O12 以及层状结构的LiMnO2 。对于LiMn2 O4,通过引入适当的杂原子和采用新的溶胶 -凝胶法制备 ,可以有效地克服Jahn -Teller效应所造成的容量衰减现象。Li4Mn5O9和Li4Mn5O12 可以用低温方法合成 ,能作为 3V锂离子二次电池的理想正极材料 ,层状结构LiMnO2 的容量比目前常用的正极材料的质量容量均要高 ,可达 2 70mAh/g ,而且循环性能也比较理想。随电子技术的发展 ,以氧化锰锂为正极的锂离子二次电池将得到广泛的应用。

从锂离子二次电池正极废料——铝钴膜中回收钴的工艺研究

根据锂离子二次电池正极废料———铝钴膜原料中LiCoO2 的性质 ,提出了LiCoO2 在硫酸、双氧水体系中的分解反应为 : 2LiCoO2 +3H2 SO4 +H2 O2 →Li2 SO4 +2CoSO4 +4H2 O +O2 ↑确定从中回收铝、钴的工艺流程为 :碱浸→酸溶→净化→沉钴。碱浸液中的铝用硫酸中和制取化学纯氢氧化铝 ,回收率 94 84 % ;钴以草酸钴的形式回收 ,产品质量达到赣州钴钨有限责任公司的草酸钴产品标准 ,直收率 95 75%。每处理 1t铝钴膜废料可获纯利 4 56万元。

金属锂二次电池研究进展

本文综述了近年来金属锂二次电池的研究进展,主要包括金属锂负极的表面改性、SEI膜的形成和调制、电解质体系的改进及研发,以及电池制备工艺等,并在综述各方面进展的基础上对金属锂二次电池未来的研究方向进行了展望。

聚并苯二次电池的研究

聚乙炔在电解质中能进行电化学可逆的离子掺杂和脱掺杂,以聚乙炔膜作为电极的活性物质,用PVDF、LiClO_4-PC薄膜作为电解质,制作了可充式全塑电池,但由于聚乙炔在空气中稳定性差,电池的放电性能还不理想,目前,除聚苯胺电池在日本已有商品外,其它几种聚合物电池还都处于实验室研究开发阶段,用聚并苯半导体材料分别为正负极制做的全塑电池,自放电小,循环寿命可达3000次,是有实用价值的聚合物二次电池之一,前文对酚醛树脂的热解过程、产物结构、电学性质及导电机制等进行了研究,本文研究了用聚并苯材料做锂二次电池的正极活性物质、高氯酸锂(溶解在碳酸丙烯酯中,1 mol/L)为电解质的二次电池性能。

水热法合成高功率锂离子二次电池用球形Li4Ti5O12负极材料

以球形TiO2和LiOH溶液为反应物,通过水热法合成了尖晶石型Li4Ti5O12,并使用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电镜(SEM)和激光粒度分布(PSD)对其结构、形貌和电化学性能进行了表征.结果表明:通过该法得到的产品颗粒大小均匀,粒度分布狭窄,结构与标准Li4Ti5O12谱图一致.实验选定温度下所得的Li4Ti5O12均表现出良好的电化学性能.其中,800°C热处理所得样品的电化学性能最好,室温下,以35mA·g-1的电流密度进行充放电,其可逆容量达到162mAh·g-1,同时这种材料也表现出良好的倍率性能,即使在720mA·g-1的电流密度条件下进行充放电,其可逆容量仍可达到124mAh·g-1.

中间相沥青炭微球及其在锂离子二次电池方面的应用

中间相沥青炭微球是一种特殊形态的炭材料前驱体 ,在众多领域有着广泛的应用。本文介绍了中间相沥青炭微球的制备、结构及性质 ,在此基础上重点综述了近年来中间相沥青炭微球在高性能锂离子二次电池电极材料方面的应用进展 。

锂离子二次电池碳负极材料的改性

作为锂离子二次电池的碳负极材料，其改性方面的研究内容主要有：引入非金属无素、引入金属元素、处理表面及其它方法．引入的非金属元素有硼、硅、氮、磷和硫．引入的金属元素有钾、铝、镓、和钒、镍、钴、铜、铁等过渡金属元素．表面处理的方法包括氧化、形成表面层等．这些方法之所以能提高碳材料的性能，主要是由于它们能影响碳材料的电子状态、晶体结构以及表面结构．另外对锂在碳材料中的储存机理也简要地加以了说明．