木质素基高比表面积活性炭的制备及其电化学性能研究

将杨木先经过CO_(2)辅助水热预处理,再用对甲苯磺酸溶液处理,分离得到高纯度酸溶性木质素(AHL)。以AHL为前驱体,分别采用H_(3)PO_(4)法和KOH法制备了孔隙结构发达的活性炭AHLAC-H_(3)PO_(4)和AHL-AC-KOH,通过多种技术手段对活性炭的结构进行了表征,并对比研究了其作为超级电容器电极材料时的电化学性能。结构表征结果表明:AHL-AC-H_(3)PO_(4)和AHL-AC-KOH的比表面积分别为2490和3344 m^(2)/g,总孔容分别为1.24和1.74 cm^(3)/g。电化学性能测试结果表明:随着电流密度从0.5 A/g增大到10 A/g时,AHL-AC-H_(3)PO_(4)的比电容由241.24 F/g下降至83.95 F/g,电容保持率仅为34.80%;而AHL-AC-KOH的比电容由269.19 F/g下降至229.76 F/g,电容保持率为85.35%。AHL-AC-H_(3)PO_(4)的充/放电行为可逆性和倍率性能较差,电阻较大;而AHL-AC-KOH具有典型的双电层电容和法拉第快速氧化还原反应特性,并展现出高度可逆的充/放电行为,且具有良好的倍率性能和较小的电阻。

泡沫镍负载NiMoO_(4)/NiMoS_(4)复合材料的制备及其电化学性能

以泡沫镍作为基底,采用水热法原位生长出具有片状结构的NiMoO_(4)活性材料,然后通过水热硫化制备出NiMoO_(4)/NiMoS_(4)复合材料,研究了水热时间和硫脲添加量对样品形貌和电化学性能的影响。电化学结果表明,NiMoO_(4)/NiMoS_(4)电极在电流密度为1A·g^(-1)时,比电容为1560.7F·g^(-1),在电流密度为40A·g^(-1)时循环2000次后,比电容仍为初始比电容的76.7%。将NiMoO_(4)/NiMoS_(4)电极材料与活性炭(AC)分别作为正、负极组装的非对称超级电容器(ASC)在400W·kg^(-1)的功率密度下可提供29.0Wh·kg^(-1)的能量密度。

C/Sn复合薄膜的磁控溅射制备及其作为锂离子电池负极材料的电化学性能

采用磁控溅射的方法在铜箔上制备了C/Sn复合薄膜并将其作为锂离子电池负极材料,研究了C/Sn复合薄膜中Sn质量分数对其电化学性能的影响。研究发现,随着复合薄膜中Sn质量分数的增加,其首圈放电比容量增加,在一定范围内增加Sn质量分数,首圈库仑效率增加,但当Sn质量分数过多时其库仑效率降低。Sn质量分数分别为89.20%、91.61%、93.85%、95.81%的四种复合薄膜,在电流密度为500 mA/g时的首圈放电比容量分别为1195.4、1372.97、1574.86、1642.30 mA·h/g,首圈库仑效率分别为86.84%、87.88%、94.06%、80.66%。循环200圈后,四种复合薄膜的比容量衰减率分别为0.70%、6.13%、11.32%、18.88%。研究结果表明,当复合薄膜中Sn质量分数为89.20%时,其具有最优的倍率性能和循环稳定性能,随着复合薄膜中Sn质量分数的增加,其倍率性能及循环稳定性变差。

热处理实现锌金属晶面择优取向提升电化学性能的综合实验设计

水系锌金属电池由于其安全性高、低成本等优点,在电化学储能领域内具有广阔的前景。然而,锌负极在沉积/剥离过程中的副反应阻碍了实际应用。本实验通过简单的热处理调控锌金属的结晶学取向,探究了晶面取向对于电化学性质的影响。本实验将晶体化学与电化学相结合,从前沿研究出发设计综合实验,激发学生对科研的兴趣。

汽车电池用La-Mg-Ni基储氢合金的元素替代及电化学性能

采用感应熔炼方法制备了La_(0.7)R_(0.1)Mg_(0.2)Ni_(3.35)Al_(0.15)(R=La/Nd/Sm)储氢合金,研究了稀土元素Nd/Sm替代La对储氢合金相结构和电化学性能的影响。结果表明,采用Nd或Sm替代La时,储氢合金物相组成未发生改变,仍由LaNi_(5)、(LaMg)_(2)Ni_(7)和(LaMg)_(5)Ni_(19)相组成,但储氢合金中LaNi_(5)相和(LaMg)_(5)Ni_(19)相丰度会增加、(LaMg)_(2)Ni_(7)相丰度减小。R为La、Nd和Sm时储氢合金的最大放电比容量均在第2次充放电循环时获得,分别为377 mAh/g、382 mAh/g和376 mAh/g;采用Nd或Sm替代La,储氢合金高倍率放电性能、24 h荷电保持率和充放电循环100次时的容量保持率都不同程度地增加,且R为Nd时储氢合金的相应值最大。采用Nd或Sm替代La会使得储氢合金的交换电流密度、氢扩散系数增加,储氢合金电极的高倍率放电性能与交换电流密度和氢扩散系数变化趋势一致,表明储氢合金电极的高倍率放电性能由交换电流密度和氢扩散系数共同决定。

三维网络结构镍钴氢氧化物/石墨烯水凝胶复合材料的合成及电化学性能

本工作采用化学还原法对氧化石墨烯进行预还原,再将其与Ni(NO_(3))_(2)·6H_(2)O、Co(NO_(3))_(2)·6H_(2)O混合进行水热反应,得到三维网络结构镍钴氢氧化物/石墨烯水凝胶复合材料,通过调节氧化石墨烯的量获得电化学性能最佳的镍钴氢氧化物/石墨烯水凝胶(NiCo-OH/GH_(100)),镍钴氢氧化物纳米片均匀分布在石墨烯表面。0.5 A/g电流密度下NiCo-OH/GH_(100)的比容量为590 F/g,电流密度增加到10 A/g时比容量保持率为76.1%,展现出较高的比容量和良好的倍率性能。组装的NiCo-OH/GH_(100)//碳纳米管复合氮掺杂石墨烯水凝胶(NCGH)非对称超级电容器(ASC)在20 A/g下充放电循环10 000次,比容量保持率达92.9%,功率密度为375 W/kg时的能量密度达23.9 Wh/kg。

Co替代Ni对汽车电池用La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金电化学性能的影响

采用磁悬浮熔炼炉制备了铸态La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金,研究了Co含量对La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金相结构和电化学性能的影响。结果表明,不同Co含量的La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金主要由LaNi_(5)相、Ce_(5)Co_(19)相、Pr_(5)Co_(19)相和CeNi_(2)相组成,La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金中x值增大(Co含量增加)会促使Ce_(5)Co_(19)相向Pr_(5)Co_(19)相转变,且当x=1.05时储氢合金中LaNi_(5)相含量最小。随着x值增大,储氢合金的放氢平台先减小后增大、最大储氢量先增大后减小、第100次充放电后的容量保持率(S_(100))先增大后减小,当x=0.15时储氢合金的最大放电容量和S_(100)取得最大值,分别为352.39 mA·h/g和81.29%。随着La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金中x值从0.65增加至2.25,储氢合金电极的交流阻抗逐渐增大,交换电流密度逐渐减小,氢扩散系数先增大后减小并在x=1.05时取得最大值,电流密度为300、600、900 mA/g时的高倍率放电性能均逐渐减小。结果表明,交换电流密度是决定La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金电极高倍率放电性能的关键因素。

等离子体电弧法制备硅锡复合纳米材料及电化学性能研究

硅作为锂离子电池的负极材料在脱出/嵌入锂时会产生巨大的体积膨胀,使自身发生粉化现象,从而造成容量的快速衰减。现有研究表明Si纳米化、合金化后能够缓解体积变形所导致的破碎效应。为了高效制备纳米级Si-Sn粉体材料,采用等离子体电弧作为热源对Si进行纳米化处理,之后通过等离子体电弧实现Si-Sn粉体材料的纳米合金化,研究等离子体电流对Si及Si-Sn纳米粉体材料制备特性的影响。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)检测制备的物相,通过电池测试系统和电化学工作站检测硅纳米线作为负极材料时的电化学特性。结果表明使用等离子体电弧能够实现硅纳米线的高效制备,添加低熔点的Sn有利于硅纳米线管径尺度的均匀化。两组硅纳米线在第三次充放电循环后的效率均可保持在90%左右,其中Sn的加入能进一步提高硅负极的导电性和稳定性,循环60次后,电池的比容量为117.5 mAh/g。

新型水泥基电池的制备与电化学性能研究

新型水泥基电池作为一种建筑储能装置,具有成本低、环境友好和可充电性等优点而受到国内外科研工作者的广泛关注。本文将不同导电填料与正、负极活性物质混合研磨,然后经真空干燥处理制成新型水泥基可充电电池的电极,研究了不同导电填料和用量对可充电水泥基电池电化学性能的影响。结果表明:在正、负极活性物质中掺入质量分数为25%的炭黑导电填料的水泥基电池的容量达到12.5 mAh,能量密度为1.575 Wh/m^(2),放电寿命超过了3.3 h,其电化学性能优于相同质量分数的石墨和石墨烯导电填料水泥基电池。

兼具优良氮磷吸附性能和电化学性能的活性炭筛选及其构效关系解析

选取6种前驱体(煤、椰壳、核桃壳、桃壳、枣壳、杏壳)的商用活性炭,对其理化性质与其氮磷吸附性能和电化学性能之间进行构效关系解析。结果表明:活性炭对氨氮以单分子层物理吸附为主,对磷酸盐以多分子层化学吸附为主,对活性炭氨氮和磷酸盐吸附性能起主要作用的分别是其微孔结构和其表面羟基、羰基官能团;椰壳、核桃壳和桃壳活性炭具有较高的氨氮吸附容量;椰壳、煤质、核桃壳和桃壳活性炭具有较高的磷酸盐吸附容量。良好的介孔分布、高比表面积、羟基和羧基官能团会显著提高活性炭的电容属性,使其具有良好的电子和质子传输能力;良好的微孔分布会降低活性炭的材料电阻;活性炭明显的褶皱形态会使溶液中的电解质离子更容易渗透到电极表面。煤质和椰壳活性炭展现出典型的双层电容特性以及更为优良的电荷存储性能,而椰壳和核桃壳活性炭具有较低的材料电阻和较高的离子易渗透性。综上所述,椰壳活性炭兼具优良的氮磷吸附性能和电化学性能,是人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的理想填料。

脲醛树脂前驱体碳微球形貌调控及电化学性能研究

为了探究原料配比对脲醛树脂形貌及碳微球电化学性能的影响,通过改变尿素、甲醛与甲酸的物质的量比,制备了三种不同微纳结构的脲醛树脂微球,再在氮气保护下800℃裂解,获得了相应的碳微球。采用上述脲醛树脂前驱体制备的花状碳纳米微球(NUFC-3)作为电极材料,在三电极体系中开展电化学性能研究。结果表明,在1 A/g的电流密度下,比电容(C_(s))为189 F/g;在20 A/g的电流密度下,C_(s)为145 F/g,其保留率为76.7%。该脲醛树脂为前驱体的碳微球具有制备方法简单、成本低廉及电化学性能优异等优点,有望在电化学储能领域获得应用。

KOH添加方式对煤基活性泡沫炭电化学性能的影响

以强黏性炼焦煤为原料,经常压自发泡法制得的煤基泡沫炭(NCF)为碳基底,KOH为活化剂,采用机械混合、水溶液浸渍、乙醇浸渍三种不同的方式制备煤基活性泡沫炭(HPCs),并将其用作双电层电容器的电极材料,研究了KOH添加方式对其微观结构和电化学性能的影响。结果表明,KOH分散度和附着性对煤基活性泡沫炭孔隙结构的生成、晶体结构、表面化学性质以及电化学性能有显著影响。煤基泡沫炭本身具有三维连通泡孔结构,有利于活化剂(KOH)深入材料的泡孔内部并为其提供大量附着位点,增大活化剂与碳基体的接触面积进而发生高效的活化。KOH水溶液的流动性较好,可以使K+更有效地穿插在NCF的泡孔结构中,在活化过程中作用于缺陷部位,在碳基体内部基质上产生更多的微孔以及介孔结构,有效地放大了活化效果。KOH水溶液浸渍泡沫炭材料制得的ACF-W样品拥有最高的比表面积(3098.35 m^(2)/g)、总孔体积(1.68 cm^(3)/g)、介孔体积比(59.13%),将其用作电极材料表现出优异的比电容(310 F/g)以及循环稳定性。

石油焦锂离子电池负极材料电化学性能研究

负极材料是决定锂离子电池性能的关键因素,人造石墨是重要的锂离子电池负极材料。石油焦的热膨胀系数低,空隙度低,灰分、硫、金属元素含量低,导电率高,易石墨化。此次研究选择3种普通石油焦,并通过石墨化制备人造石墨。对3种石油焦原样和石墨化样品进行分析表征,比较其各种性能,研究石油焦石墨化后的变化,并通过电化学分析验证石油焦石墨化后其性能是否达到商用锂电池负极材料水平。实验结果表明:在2750℃石墨化处理后,相较于原石油焦样品,3种石墨化样品结构重排,拥有更明显的规整层状结构;含碳量提升,其他例如氢、氧等杂元素和金属元素含量下降;均显现出较低的电极电位和稳定的充放电平台,首次库伦效率分别为85.00%、78.20%、82.96%。经过150次循环后,比容量分别保持在273.00、259.00、226.20 mAh/g,库伦效率接近100%,是锂离子电池负极材料的潜在前驱体。

Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)正极材料的Ga_(2)O_(3)包覆改性及电化学性能

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)原始样品(P-LRMO),然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量Ga_(2)O_(3)原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)结果表明在P-LRMO表面成功合成了Ga_(2)O_(3)包覆层。电化学测试结果表明:含有3%Ga_(2)O_(3)的改性材料G3-LRMO具有最优的电化学性能,其在0.1C倍率(电流密度为25 mA·g^(-1))下首圈充放电比容量可以达到270.1 mAh·g^(-1),在5C倍率下容量仍能保持127.4 mAh·g^(-1),优于未改性材料的90.7 mAh·g^(-1),表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在1C倍率下循环200圈后仍有190.7 mAh·g^(-1)的容量,容量保持率由未改性前的72.9%提升至85.6%,证明Ga_(2)O_(3)包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且,G3-LRMO在1C倍率下循环100圈后,电荷转移阻抗(Rct)为107.7Ω,远低于未改性材料的251.5Ω,表明Ga_(2)O_(3)包覆层能提高材料的电子传输速率。

阴极Mg^(2+)污染物对PEMFC电化学性能及电化学阻抗影响

质子交换膜燃料电池经过长期运行后,其部件(弹性垫片、极板等)会发生损伤,并产生金属离子污染物(如Ca^(2+)、Mg^(2+)),这将影响燃料电池长期运行的稳定性和耐久性。通过向燃料电池阴极空气流中添加不同浓度(100、300和500 mg/L)的Mg^(2+)溶液,研究了极化曲线以及电化学阻抗谱,分析了阴极Mg^(2+)污染物对燃料电池电化学性能及电化学阻抗的影响。极化曲线实验结果表明3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均对燃料电池的电化学性能有明显负面影响,污染后的燃料电池的电流密度出现下降,且下降程度与阴极Mg^(2+)污染物浓度和污染时间呈正相关。极化曲线理论分析结果表明:3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均显著影响质子交换膜的渗透性并增大质子交换膜对氢离子的阻抗,且污染时间越长,质子交换膜性能恶化越严重。电化学阻抗谱分析结果表明:3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物均会增大质子交换膜对氢离子的阻抗以及阴极法拉第电阻,且质子交换膜对氢离子的阻抗随污染时间增加而增大;阴极双电层结构受这3种浓度梯度的阴极Mg^(2+)污染物影响不明显。

氟掺杂富锂层状氧化物的电化学性能

富锂锰基正极材料的应用前景广阔,但循环稳定性较差。为增强材料的电化学稳定性,设置F掺杂浓度梯度实验。采用聚合-热解法,通过优化丙烯酸聚合过程中的原料比例,制备Li_(1.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54) O_(2-x)F_(x)材料,探究F掺杂比例对正极材料微观形貌和电化学稳定性的影响,定量分析首次充放电过程中,不同阶段氧化还原反应的容量释放情况。采用XRD、SEM分析样品的物相组成和微观形貌;采用恒流充放电和电化学阻抗测试分析样品的电化学性能。F掺杂可提升富锂锰基正极材料的电化学稳定性,x=0.03时,样品LMNC-F0.03的层状结构明显,阳离子混排程度低,电化学稳定性最优。以0.5 C在2.0~4.8 V循环100次,放电比容量为186.97 mAh/g,容量保持率为85.76%,放电中值电压保持率为84.93%;2.0 C倍率下的平均放电比容量为147.68 mAh/g。

改进共沉淀法制备高比表面积钒酸镍负极材料及其电化学性能

以去离子水为绿色溶剂,Ni(NO_(3))_(2)·6H_(2)O为镍源,NH_(4)VO_(3)为钒源,通过碳酸钠溶液调节沉淀pH值,正丁醇干燥提高比表面积及颗粒分散度,采用改进的共沉淀法制备了相对廉价的钒酸镍负极材料(NVO-NBA)。通过对其微观形貌、比表面积、孔径大小及表面元素分布进行测试,探究了改进共沉淀法对钒酸镍电极材料织构性质的影响。结果表明,沉淀过程中溶液pH值的精准调节及后续加入表面张力较小的醇类溶剂的干燥方式对材料的比表面积、孔径大小、微观结构及颗粒分散度有显著的影响,其中在pH=8的条件下沉淀、后续加入正丁醇辅助干燥得到的样品NVO-8-NBA具有最大的比表面积(86 m2·g^(-1)),同时材料形貌为分散度较高、直径较小的球形纳米颗粒。加入乙醇、正丁醇、正己醇等醇类溶剂进行后续干燥得到的钒酸盐材料比表面积均比未加醇处理的样品显著提高,而正丁醇处理的样品效果最好,表明表面张力较小的醇类溶剂可以有效保护共沉淀过程生成的孔道体系,并可使颗粒分散更均匀,同时醇类的碳链长度对其性质也具有显著的影响。未加醇处理的样品NVO-8比表面积仅为20 m2·g^(-1),形貌为聚集的大块状。将制备的钒酸镍材料作为锂离子电池的负极材料,其在0.3 A·g^(-1)的电流密度下,NVO-8-NBA的首圈放电容量可以达到1519 mAh·g^(-1),而NVO-8仅为536 mAh·g^(-1)。NVO-8-NBA在0.3 A·g^(-1)的电流密度下循环100次后容量保持在223 mAh·g^(-1),而NVO-8仅为70 mAh·g^(-1)且仍有继续下降的趋势。

基于ZIF-67的碳-硅纳米复合材料的制备及电化学性能研究

采用一步液相法和高温煅烧法成功制备基于ZIF-67的不同比例的碳-硅复合材料(ZIF-C/Si)。ZIF-C/Si材料中碳均匀包覆硅,硅纳米颗粒均匀地分散在多孔碳结构中,既有效缓解了硅的体积膨胀,又为锂离子提供了快速传输通道,进而提升锂离子电池的电化学性能。结果表明:在100 mA/g电流密度下,首次可逆放电比容量可达1019 mAh/g,循环200次,仍保持755 mAh/g比容量,展现出优异的电化学性能。

二氧化锰晶型对MSMFCs阴极电化学性能的影响

海水环境中较低的阴极催化活性严重限制海泥电池(MSMFCs)长期输出功率。碳毡阴极经二氧化锰(MnO_(2))改性可显著提高海泥电池阴极溶氧还原动力学和电化学性能,进而提升电池输出功率。利用水热法合成4种晶型(α、β、γ和δ)MnO_(2)用于海泥电池阴极改性,研究了4种晶型MnO_(2)对海泥电池阴极电化学性能的影响并进行了机理分析。结果表明,与空白对照组相比,4种晶型MnO_(2)均可显著提高阴极抗极化性能、电容性能、交换电流密度和最大输出功率;其中,β-MnO_(2)由于具有高浓度的Mn3+和氧空位,大幅提高了阴极氧还原活性和电化学性能,使比电容最高达846.08 F/m^(2),功率密度最高达700.2 mW/m^(2)。该结果有利于促进设计低溶氧海水条件下海泥电池阴极,进而开发高功率海底原位电源。

电积锌用Pb-Ag/MnO_(2)涂层阳极制备及电化学性能

铅银合金(Pb-Ag)是锌电积及其它冶金工艺中应用最广泛的阳极材料。随着节能环保要求的逐渐提高,由于存在过电位低和稳定性差等缺点,Pb-Ag阳极难以适用于绿色工业体系的发展。如何提升其析氧催化活性、降低能耗并提高其耐腐蚀性能,成为亟待解决的工业难题。采用恒电流电沉积法在Pb-Ag阳极上制备了纳米二氧化锰薄膜涂层,测试了阳极的组织和电化学性能。研究表明:MnO_(2)涂层表面疏松裂纹结构不仅提高了催化活性,还促进了传质过程的进行,使得Pb-Ag/MnO_(2)阳极的析氧反应活性和稳定性均优于Pb-Ag阳极。其中,Pb-Ag/MnO_(2)阳极的析氧过电位为555 mV,塔菲尔斜率为208.5 mV/dec,优于Pb-Ag阳极的析氧过电位和塔菲尔斜率。同时,Pb-Ag/MnO_(2)阳极在长周期的电解锌实验中表现出良好的析氧反应活性和耐腐蚀性能,其槽电压比Pb-Ag阳极槽电压小0.1 V左右,能耗低于Pb-Ag阳极。