基于有机电极材料的低温电池研究进展

基于无机嵌入化合物电极材料的锂离子电池在低温(<-20℃)下会失去大部分容量,限制了其在电动汽车、航空航天和国防等关键领域的应用。与传统的无机嵌入化合物电极材料相比,具有氧化还原活性基团的有机电极材料通常表现出较快的电极反应动力学、较强的载流子适应性和优异的低温性能。同时,有机电极材料具有结构可设计性强、资源丰富、环境友好等优点,近年来在二次电池研究领域中受到了广泛关注。本文主要介绍了基于有机电极材料的低温电池体系的研究进展,根据不同氧化还原反应机理对有机电极材料进行了分类,阐述了有机电极材料的储能机制及其特点,结合近几年国内外研究介绍了有机物金属(离子)、非金属离子电池,有机物双离子电池等几类典型的低温有机物电池体系,分析了不同工作机理的有机电极材料在低温下的电化学行为,最后总结了有机电极材料在低温电池中的应用前景和挑战,旨在为未来低温有机物电池中有机电极材料的设计及其与电解液的适配性提供指导。

有机电极材料过渡态的研究进展

有机电极材料具有理论比容量大、结构可设计性强、加工使用过程环境友好等优点被广泛应用于二次电池的研究中。有机电极材料在氧化还原过程会产生具有不成对电子的自由基中间体,自由基中间体的稳定程度影响电极材料的电化学性能。通过改变材料的结构可以调控自由基中间体的稳定性,从而优化有机电极材料的电化学性能。本文对有机电极材料在电化学过程中产生的自由基中间体进行了分类介绍,阐明了材料结构、自由基中间体稳定性和电化学性能之间的关系。

羰基化合物作为有机电极材料在钠离子电池中的研究进展

由于钠资源具有储量丰富、成本低廉等优势,钠离子电池已在新型二次电池领域受到了非常大的关注。对羰基化合物有机电极材料的研究进展进行了阐述,并对比分析了有机电极材料的结构设计。

苯甲酰吡啶盐类有机电极材料的研究进展

发展绿色高效的电化学储能系统是实现可持续能源经济的重要措施之一.生物衍生有机氧化还原活性材料直接来源于生物体内的天然分子及其衍生物,具有资源丰富、环境友好、结构多样等优势,对开发高性能、低成本、绿色环保的可持续储能系统意义重大.羰基吡啶盐作为一类新兴的生物衍生骨架,是生物体内电子传递载体NAD^(+)/NADH序列中的关键结构单元,能够可逆地接受2个电子,具有优异的电化学活性和结构可修饰性.本文总结了生物衍生羰基吡啶盐类电极材料的设计思路、研究现状以及结构与性能之间的构效关系,阐述其在液流电池和碱金属电池等储能体系中的应用,最后展望羰基吡啶盐类电极材料的发展方向、面临的挑战以及改进方法等.本文为新型可持续有机电极材料的发展提供了新的思路.

全对称电池电极材料研究进展

日益严重的环境问题和能源挑战引起了人们对开发绿色高效储能系统的迫切需求。在各种储能技术中,钠离子电池(SIBs)、钾离子电池(PIBs),特别是已经商业化的锂离子电池(LIBs)在便携式电子设备或下一代电动汽车中发挥着非常重要的作用。因此,在这些储能系统中寻找成本更低、安全性更高、密度更高的新型电极材料已成为满足日益增长的需求的重要途径。对称电极由于在同一储能系统中使用相同的活性材料作为正极和负极,从而降低了制造成本,简化了制造工艺,成为近年来研究的热点。最重要的是,这一特性也使对称储能系统具有更高的安全性、更长的使用寿命和双向充电能力。本文对有机和无机对称电极进行了全面的总结和评论,并重点研究了对称电极在不同储能系统中的应用,如上述SIBs、PIBs和LIBs,还对大规模生产的可能性提出了进一步的考虑。

有机电极材料固定化策略

有机电极材料因其理论比容量高、低成本、环境友好以及分子结构可设计性强等特点,有望成为下一代可持续和多功能能量储存设备的有效电极材料。然而,根据"相似相溶"原理,该类材料极易溶解在有机电解液中,导致电池容量衰减快、循环稳定性和倍率性能也较差。目前已有许多研究致力于通过"固定化"过程解决有机电极材料的溶解问题。本综述针对有机电极材料的固定化策略展开评述,介绍了有机电极材料的固定化机理,以及各种固定化策略在不同种类有机电极材料中所起的作用,指出了有机电极材料面临的挑战,并对未来的研究和改进方向进行展望。

蒽醌类有机电极材料在新型二次电池中的应用研究进展

蒽醌类有机材料是一类具有理论比容量大、氧化还原活性高、电化学可逆性强、结构可设计等优点的低成本、高能量密度的电极活性材料,其在储能方面表现出巨大的潜力。然而,蒽醌小分子在常用的有机电解液中易于溶解,以蒽醌为电极活性材料的二次电池存在容量易衰减、电池寿命短、电池循环可逆性低、倍率性能较差等问题。随着研究手段的进步,可以通过分子设计对其电化学性能进行调节,蒽醌类有机材料作为具有广阔应用前景的电极活性材料被广泛研究。旨在总结近年来蒽醌类有机电极材料在二次电池方面的研究进展,分析了几类典型的蒽醌类小分子化合物、聚合物以及化合物(聚合物)-复合材料的合成方法及其电化学性能,并对部分电化学反应过程机制进行分析。最后对蒽醌类有机电极材料目前面临的问题和未来的发展方向进行了总结和展望,提出可通过引入活性基团、掺杂含碳材料、优化合成路线等方法,将实验与理论计算相结合,设计出综合性能更加优异的蒽醌类有机电极材料。

用于可充电器件的有机电极材料

有机化合物作为可充电器件的电极材料可以通过自身电活性部位电荷状态的变化来实现本征的氧化还原反应。除了锂离子电池外,有机电极材料还可以用于其他离子半径更大的金属离子电池(如Na^(+)、K^(+)、Mg^(2+)、Zn^(2+)等)。有机电极材料还具有诸多优势,比如结构多样、成本低廉、资源丰富和可持续性高,易于通过适当的材料设计调整其性能等,已被证明在可充电器件中具有重要的应用潜力。然而,有机电极的实际应用仍需要解决一些关键问题,例如导电性差和在常规有机电解液中溶解等。本文介绍了各种具有不同氧化还原活性中心的有机电极材料及其反应机理,包括有机硫化物、有机自由基、亚胺类化合物、偶氮化合物和羰基化合物;重点总结了有机羰基化合物电极材料在性能改善方面的策略以及近5年在可充电器件中的应用;最后,讨论了有机电极材料需要应对的挑战以及未来的机遇。

有机羰基钠离子电池材料研究进展

可充电钠离子电池因其丰富的钠资源以及可与锂离子电池媲美的性能,在大规模电能存储和智能电网领域受到广泛关注。有机羰基电极材料具有比容量高、可设计、环境友好等优点,成为钠离子电池电极材料最有潜力的候选者。然而,有机羰基电极材料存在易溶于电解液、导电性差、中间过程导致副反应等问题,导致其电化学性能仍然不理想。系统总结了近年来羰基电极材料在钠离子电池方面取得的进展,并对羰基电极材料在钠离子电池领域的发展提出了展望。

有机电极材料在非水系金属镁二次电池中的研究进展

由于镁资源储量丰富、成本低廉,且金属镁具有理论体积比容量高(3833m Ah/cm^(3)),沉积/溶解过程中不易形成枝晶等优点,金属镁二次电池受到了研究者的广泛关注.然而,Mg^(2+)较大的极性导致其在多数锂离子电池正极材料中无法实现可逆脱嵌.主流无机电极材料普遍存在只能在较小电流密度下循环、动力学缓慢、制备工艺复杂等问题.相较而言,有机电极材料具有理论比容量高、结构多样易调控、资源丰富、环境友好、受离子半径和电荷影响小等优点,被认为是一种有潜力的电极材料.综述了近年来用于非水系镁二次电池有机正极材料的研究进展,讨论了不同类型有机正极材料的电荷存储机制及电化学性能,并总结了其面临的挑战、解决策略以及未来的发展方向.

羰基化合物作为锂离子电池有机电极材料研究进展

随着锂离子电池从便携式电子设备到大规模储能系统的应用,开发具有高能量密度、功率密度和长循环寿命的锂离子电池成为研究的重点之一.而锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料.目前,广泛使用的无机电极材料普遍存在容量提升有限、能耗高和成本高等缺陷.因此,开发新型电极材料至关重要.与传统无机材料相比,有机电极材料具有结构可控、资源丰富、清洁环保和成本低廉等优势,近年来得到了广泛关注.其中共轭羰基化合物以羰基为活性基团,因其结构多样、理论容量高和反应动力学快而被广泛研究.本文从正极、负极、全电池三方面,综述了目前国内外已经开展的关于羰基化合物作为锂离子电池电极材料的研究工作,评述了这些化合物的电化学性能及其具备的优势和存在的不足,并指出了有机化合物作为锂离子电池电极材料需要解决的关键问题.

具有快速动力学特征的苯醌衍生物电极材料在水系质子电池中的设计和研究

含氧化还原活性基团的苯醌衍生物,在水系质子电池里是一种比容量高、资源丰富的理想电极材料,然而其高溶解性和低的工作电压不利于质子电池的循环稳定性和能量密度的提升,引入吸电子基团不仅可以降低其LUMO能量来提升其反应电位,还可以一定程度上抑制其溶解来提升稳定性。因此,通过电化学研究并对比了3种不同的苯醌化合物作为质子电池的电极材料,研究了不同氯取代情况造成的影响。其中四氯取代的四氯苯醌(4Cl-BQ)反应电位最高(0.51 V vs.Ag/AgCl),多电子氧化还原反应机制使其在水系质子电池里具有158 mAh/g的出色容量和高的倍率性能,并且氯取代有效抑制了溶解,在1 A/g的电流密度下也能稳定循环超过1200圈,显示出优异的性能。最后通过探究了电荷的快速反应动力学特征解释了出色的倍率性能。该研究表明,通过引入-Cl基团改进的4Cl-BQ,能进一步提升其在电池里综合性能,是一种极具发展潜力的水系质子电池材料。

对苯二甲酸镁作为钠离子电池的有机负极材料

报道了对苯二甲酸镁作为钠离子电池负极材料的研究.以对苯二甲酸和氢氧化镁为原料,采用酸碱中和反应制备了含结晶水的对苯二甲酸镁(MgC8H4O4·2H2O),该材料对钠离子电池表现出了较好的电化学活性、优异的倍率性能以及良好的循环稳定性.在0.5C(1C=300 mA·g-1)倍率下循环50周以后,可逆容量由114mAh·g-1降至95 mAh·g-1,容量保持率高达83%;在2C的倍率下有高达90 mAh·g-1的可逆比容量.另外,在氮气气氛中,400℃进行后续热处理得到了不含结晶水的对苯二甲酸镁(MgC8H4O4),探讨了结晶水对其电化学性能的影响.结果表明,MgC8H4O4·2H2O的比容量、倍率性能以及循环稳定性都明显优于不含结晶水的对苯二甲酸镁.

可充锂电池醌类化合物电极材料

醌类化合物电极材料具有理论比容量高、结构可设计、成本低廉和绿色可持续等优点,被认为是可充锂电池理想的电极材料。本文介绍了醌类化合物电极材料的分类及其结构特点、电化学工作原理及其电化学性能,对醌类化合物的发展、面临的问题等方面进行了概括,探讨了提高该类电极材料电化学性能的方法,并对醌类化合物电极材料的发展方向进行了展望。

共轭羰基化合物作为钠/钾离子电池电极材料的研究进展

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。

对苯二酚钠正极材料的制备及在钠离子电池中的应用

相比于无机电极材料,有机电极材料具有资源丰富、绿色环保、可再生及比容量高等优点,是一类十分具有发展潜力的钠离子电池电极材料.其中,还原态的有机电极材料可以与技术成熟的硬碳等负极进行匹配,更加具有实际应用的前景.然而,目前还原态有机正极材料在制备与钠离子电池应用方面仍存在较大的挑战.本文利用氢氧化钠水溶液,在无氧条件下与过量的对苯二酚反应,随后通过加热方法制备了钠化有机电极材料对苯二酚钠,并将其作为正极材料应用于钠离子电池.该制备方法操作简便、不需要使用有机溶剂、原材料利用率高,具有规模化制备的前景.使用该方法制备的对苯二酚钠电极材料在0.1C倍率下首次放电比容量为182 mA·h/g;使用6 mol/kg双(三氟甲基磺酰)亚胺钠/乙二醇二甲醚高浓度电解液可使材料循环性能得到明显提升,循环30次后容量保持率为62%,而使用常见的1 mol/L NaPF_(6)/G2电解液时,循环10次后容量保持率仅有35%.

电活性有机材料在钠离子电池中的研究进展

由于钠资源储量丰富、成本低廉,钠离子电池近年来受到了国内外研究人员的广泛关注。但由于钠离子重量及其半径大于锂离子,这必然引起对电极材料不同的要求,从而限制了钠离子电池产生如锂离子电池一样的电化学性能。研究发展优异的电极材料应用于钠离子电池成为了关键。相对于目前报道的许多无机电极材料而言,有机电极材料具有储量丰富、结构多样、环境友好等特点,同时具有很高的理论能量密度,极具研究价值。综述了3类典型有机电极材料在钠离子电池中的应用,并对有机电极材料未来的发展进行了展望,将为钠离子电池电活性有机材料的研究提供十分有用的资料。

电活性有机物在电极应用上的研究进展

与无机电极材料相比,有机电极材料因为具有结构可设计、资源可再生以及成本低廉等特性,被视为具有前景的电化学储能材料。有机化合物电极材料主要包括含共轭羰基类化合物、含硫有机化合物以及氮氧自由基化合物等。本文主要概括了现阶段用以上三类化合物作为电极材料及其电化学性能所进行的探究,并进一步分析了这三类有机化合物应用在实际的储能电池中所需要的结构和性能上的改进,并进行了展望。

含醌式结构的聚三苯胺衍生物锂电池正极材料制备及其电化学性能

有机聚合物材料因其特有的结构可设计性和优秀的氧化还原性能成为潜在的锂离子电池电极材料。本文合成了一种含有醌式结构的三苯胺衍生物功能单体(BDPAA),并通过氧化聚合法制备了聚[2,6-双(二苯基氨基)-9,10-蒽醌]聚合物(PBDPAA)。作为锂电池正极材料,新型电极材料展现出提高的比容量和倍率性能(与聚三苯胺电极材料比较)。该电极材料首次放电比容量为184.6mAh·g^(-1);充放电循环稳定性能研究表明,电极材料比容量在初始几圈迅速衰减,5圈之后基本稳定,50圈循环后比容量保持在93mAh·g^(-1);倍率性能研究表明,在20、50、100、200和500mA·g^(-1)电流倍率下,电极材料的放电比容量分别为119.3、104.9、92.1、90.3和79.7mAh·g^(-1)。电化学阻抗测试得到PBDPAA材料具有比PTPA材料的电荷迁移阻抗,这有利于材料的电化学性能提高。

锂离子电池有机共轭羰基化合物电极材料研究进展

有机共轭羰基化合物电极材料具有高比容量、低成本和环境友好等优点,已成为锂离子电池电极材料的研究热点.本文对有机共轭羰基化合物电极材料近年来的发展,特别是对共轭羰基化合物电极材料的电化学反应机理、小分子共轭羰基化合物和共轭羰基化合物的聚合物等进行了概括,评述了提高该类有机材料电化学性能的新方法,同时对其发展方向和应用前景进行了展望.