水系双离子电池的研究进展与展望

随着消费电子、电动汽车与规模储能产业的迅速发展,人们对电化学储能技术的安全高效提出了更高的要求。然而,锂离子电池(LIBs)存在的安全隐患问题制约了其在规模储能市场的应用。水系双离子电池(ADIBs)是一类以水系电解液作为离子传输介质且阴、阳离子均作为载流子同时参与电极电化学反应的新型储能技术,具有安全性能优异、功率密度高、绿色环保、性价比高等优势,在大规模储能领域具有潜在的应用前景。本综述从ADIBs的基本工作原理以及限制其发展的关键科学问题出发,归纳了近年来从电解液设计角度出发,拓宽电化学稳定电压窗口的几种常用方法,并总结了在正极和负极材料优化、储能机理研究方面取得的重要进展。最后,基于对ADIBs的理解,对其研究前景和未来研究方向进行了展望。本文将为水系储能电池研究的工作者提供参考,并为推动ADIBs的发展和促进高安全储能技术的进步发挥积极作用。

2022年中国储能技术研究进展

本文对2022年度中国储能技术的研究进展进行了综述。通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析,总结了2022年中国储能领域的主要技术进展,包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、锂离子电池、铅蓄电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器、新型储能技术、集成技术和消防安全技术等。结果表明,2022年中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均有重要进展,中国已成为世界储能技术基础研究、技术研发和集成应用最活跃的国家。

薄膜热膨胀系数测试技术研究

热膨胀系数是薄膜的重要热学性能参数,也是薄膜热应力和残余应力计算分析过程中的关键数据。文章基于热诱导弯曲原理,分别采用单基片法和双基片法对氮化钛(TiN)和铝(Al)薄膜的热膨胀系数进行测试,并着重对双基片法的测试误差和适用性进行了分析。研究结果表明,薄膜在不同材质基底上弹性模量的差异是影响双基片法薄膜热膨胀系数测试精度的重要因素。当不同材质基片上薄膜弹性模量差异较小时,双基片法测得的热膨胀系数与单基片法所获结果基本一致;而当不同材质基片上薄膜弹性模量相差较大时,双基片法将不再适用。此外,文章结合薄膜的形貌、结构和残余应力表征测试,对TiN和Al薄膜热膨胀系数与其块体材料的差异进行了分析,结果显示残余压应力会导致薄膜热膨胀系数增大,而残余拉应力则具有相反的效果。

衬底温度对单晶金刚石同质外延生长的影响规律研究

文章采用微波等离子体化学气相沉积法,以单晶金刚石籽晶为衬底进行金刚石外延生长,通过拉曼光谱、扫描电子显微镜及光学显微镜等多种表征测试手段,系统地研究了衬底温度对单晶金刚石同质外延生长的影响机理。研究结果表明,衬底温度是影响同质外延单晶金刚石生长速率、生长模式和生长缺陷的重要因素:在一定温度范围内,单晶金刚石的生长速率随衬底温度的升高而增加,与此同时,金刚石的生长模式也由丘状生长转变为台阶生长。当单晶金刚石的生长厚度超过1 mm时,较高的衬底温度容易导致沉积层边缘部分产生孪晶等缺陷。拉曼光谱表征结果显示,微波等离子体化学气相法沉积的单晶金刚石质量优于传统的高温高压法。

施加偏压对采用等离子体辅助热丝化学气相沉积法在硬质合金上沉积金刚石/碳化硅/硅化钴复合薄膜的影响

金刚石涂层硬质合金是一种出众的刀具材料,将碳化硅掺入金刚石涂层中不仅可以提高涂层的断裂韧性,还能够提高薄膜与基体之间的粘附性。文章采用氢气、甲烷和四甲基硅烷混合气体作为反应气体,用直流等离子体辅助热丝化学气相沉积法在硬质合金基体上沉积金刚石-碳化硅-硅化钴复合薄膜。通过扫描电子显微镜、电子探针显微分析、X射线衍射和拉曼光谱对薄膜的表面形貌、成分以及结构进行了分析,结果显示此复合薄膜中含有金刚石、碳化硅(β-Si C)和硅化钴(Co2Si、Co Si)。复合薄膜的结构和成分可通过调节偏流和气相中四甲基硅烷的浓度来控制,随着偏流的增加,复合薄膜中金刚石晶粒尺寸变大且含量增加,β-Si C的含量减少,因为复合薄膜沉积过程中正偏压促进金刚石的生长,并且增强金刚石的二次形核。虽然电子轰击同时增强了氢气、甲烷和四甲基硅烷的分解,但随着偏流的增加,气相中产生的碳源浓度高于硅源浓度,使金刚石比β-Si C在空间生长上更具有优势。当偏流过高时则形成纯金刚石,不能够同时沉积金刚石、β-Si C和硅化钴三种物质。通过调节偏压和气体成分,金刚石和碳化硅在复合薄膜中的分布得以控制。该工作有助于理解和控制复合材料和超硬薄膜的生长,所产生的复合薄膜可用于提高金刚石涂层刀具切削性能。

Ti和TiN薄膜的制备以及残余应力的测试方法研究

基底曲率半径法是一种测量薄膜残余应力的常用方法,其中的光杠杆法应用最为广泛。文章在SUS304基底上使用电弧离子镀法制备了不同厚度的钛(Ti)和氮化钛(TiN)薄膜,研究了薄膜的形貌、密度以及物相,基于光杠杆原理分别从正面(正测法)和反面(背测法)对两种薄膜样品镀膜前后基底的曲率半径进行了测量,采用Stoney公式计算薄膜残余应力。通过对比正测法和反测法的测试结果,结合薄膜形貌、密度以及晶体结构表征分析,对背测法的测试误差和适用范围进行了分析。研究结果表明,背测法测得的应力值低于正测法的测量结果,薄膜残余应力水平越高,背测法的测量结果与正测法越接近:当薄膜残余应力水平较高(>1 GPa)时,背测法结果可以如实反映薄膜的应力水平;但当薄膜应力水平较低(<1 GPa)时,背测法结果存在较大误差。

二次电池研究进展

能源的存储和利用是当今科学和技术发展中的重大课题之一,尤其是作为高效的电能/化学能转化装置的二次电池相关技术一直是科学家研究的热点领域。在此背景下,本文较为系统地介绍目前二次电池的重要研究进展,将从二次电池的发展历史引入,再到其相关的基础理论知识的介绍。随后较为详细地讨论当前不同体系的二次电池及相关应的关键材料的研究进展,涉及到锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、锌离子电池、钙离子电池、铝离子电池、氟离子电池、氯离子电池、双离子电池、锂-硫(硒)电池、钠-硫(硒)电池、钾-硫(硒)电池、多价金属-硫基电池、锂-氧电池、钠-氧电池、钾-氧电池、多价金属-氧气电池、锂-溴(碘)电池、水系金属离子电池、光辅助电池、柔性电池、有机电池、金属-二氧化碳电池等。此外,也介绍了电池研究中常见的电极反应过程表征技术,包括冷冻电镜、透射电镜、同步辐射、原位谱学表征、磁性表征等。本文将有助于研究人员对二次电池进行全面系统的了解与把握,并为之后二次电池的研究提供很好的指导作用。

金刚石薄膜的制备研究综述

金刚石薄膜具有优异的物理化学性质,在耐磨涂层、生物医学、薄膜微传感器、微机电系统等诸多领域有着广阔的应用前景。文章综述了近年来在金刚石薄膜领域研究的最新进展,着重介绍了目前主流的金刚石薄膜制备方法及优缺点,阐述了薄膜的生长机理以及提高金刚石薄膜沉积速率和质量的技术方法,为该领域的研究人员提供参考。

金刚石薄膜与硬质合金刀具膜-基结合性能研究进展

薄膜与基体间的界面结合性能是决定薄膜性能的关键因素。如何提高膜-基界面结合强度,保证刀具正常使用寿命,已成为金刚石涂层工具产业化亟待解决的主要问题。文章综述了影响金刚石薄膜附着性能的主要因素,总结了近年来在金刚石薄膜与基体间附着力研究方面的主要进展,并对金刚石薄膜未来发展趋势进行了展望。

硼掺杂对微波等离子体化学气相沉积制备金刚石薄膜高择优取向生长的影响

硼(B)掺杂金刚石薄膜因其优异的电化学性能在电化学传感领域获得了广泛的应用。文章采用微波等离子体化学气相沉积法制备硼掺杂金刚石薄膜,通过硼/碳(B/C)比例和工艺参数的调节,成功制备了具备(100)择优取向的金刚石薄膜,分析了B元素影响(100)晶面形成的机理,并进一步探讨了衬底温度、碳源浓度对金刚石薄膜微观形貌的影响。实验发现:B/C比例浓度对金刚石薄膜形貌的影响要大于温度、CH_4浓度等其他参数,尤其当B/C=4 000 ppm时,形成的四面体形状金刚石颗粒质量最好,晶棱清晰可见,晶面光滑平整;当B/C浓度恒定时,温度与CH_4浓度对金刚石薄膜的影响都是通过影响二次形核密度实现的。研究表明,通过适合的硼掺杂比例可以实现高择优取向金刚石薄膜电极的制备。

聚阴离子型二次离子电池正极材料研究进展

二次离子电池作为诸多储能方式中的一种,具有循环性好、服役寿命长、安全性高、使用方便等优点,已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等领域。然而,随着锂、钴等资源的短缺以及可再生清洁能源的快速发展,亟需发展高效、低成本且环保的新型二次离子电池技术,但其发展受限于缺乏优异的正极材料。相比于其他二次离子电池正极材料,聚阴离子化合物具有种类丰富、结构多样、工作电压可调、循环稳定性好等优点,是发展低成本环保二次离子电池的理想正极材料。本文根据聚阴离子的种类,将其相应正极材料系统分为磷酸盐类、硫酸盐类、其他单一聚阴离子类和混合聚阴离子类,并以LiFePO_(4)、Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)、NaVPO_(4)F、Na2Fe2(SO_(4))_(3)、KFeSO_(4)F、Li_(2)FeSiO_(4)等化合物为代表详细介绍了各类正极材料的晶体结构、电化学性能及储能机理。重点综述了各类聚阴离子型正极材料的研究进展,简要概述了对材料进行包覆、掺杂、纳米化等改性措施取得的研究成果。最后对聚阴离子型正极材料发展过程中的瓶颈(电子电导率低的问题)进行了论述,并提出了相应的解决策略。

甲烷浓度对硬质合金微型立铣刀表面生长金刚石涂层的影响

金刚石涂层的应用可显著提升刀具使用寿命。文章采用钽丝为热丝,氢气、甲烷为反应气体,通过热丝气相沉积法在不同甲烷浓度下对硬质合金立铣刀表面进行沉积金刚石涂层。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱对不同甲烷浓度下金刚石涂层的表面形貌、涂层质量进行分析。结果显示,随着甲烷浓度增加,涂层中二次形核率增加、金刚石晶粒尺寸变小,金刚石晶粒能够完好地嵌入到硬质合金表面形成机械锁扣结构,提高膜-基结合强度,但过高的甲烷浓度使得活性氢原子对石墨的刻蚀强度减弱,使得涂层中金刚石晶粒晶界处非金刚石碳相含量逐渐增加,涂层质量下降。当甲烷浓度为3%时,硬质合金立铣刀表面金刚石涂层结晶度高、晶粒间接触紧密、涂层中非金刚石碳相含量低、膜-基结合强度高,端刃处未出现涂层剥落现象。文章工作有助于理解热丝气相沉积法中碳源浓度对表面金刚石涂层沉积效果及涂层失效的影响,使硬质合金立铣刀表面金刚石涂层沉积工艺得到进一步优化。

双离子电池研究进展

作为清洁能源的重要载体,传统摇椅式锂离子电池(LIBs)由于具有循环寿命长、无记忆效应等特点,已广泛应用于消费类电子产品、电动汽车、储能电站等领域。然而,由于锂、钴等资源有限且分布极为不均,以及动力电池和蓄能电站等行业的快速发展,促使人们发展高效、低成本、安全可靠的新型储能技术,例如非锂阳离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Al2+等)二次电池、锌空电池、双离子电池(DIBs)等。其中,DIBs作为一种阴、阳离子共同参与电化学反应且正极主要依靠阴离子插层石墨类材料的新型储能技术,赋予了新型储能系统正负极材料更多的可选择性。此外,DIBs具有工作电压高、温域宽、安全性好、成本低、环境友好等优点,在规模化储能等领域具有良好的应用前景。本文首先简要地回顾了DIBs的发展历程,进一步从DIBs的工作原理着手,系统阐述了其研究现状,并对其所面临的挑战进行了展望。

热处理工艺对硬质合金表面金刚石薄膜附着性能的影响

文章针对提高硬质合金刀具金刚石涂层结合力问题,提出了一种热处理和酸处理相结合的预处理工艺,详细研究和分析了800~1 000℃范围内,热处理温度变化与硬质合金刀具表面形貌、金刚石涂层质量、涂层与刀具间附着力之间的关系。热处理工艺显著降低了生长过程中钴对金刚石涂层石墨化的催化作用,进一步提高了碳化钨颗粒的比表面积及金刚石二次形核密度,得到的金刚石涂层晶粒尺寸及压应力较小。过高的热处理温度虽然可以细化基体表面,增加基体与金刚石涂层之间的"机械锁合"作用,但预处理过程中残留在基体表面的深坑却不利于金刚石涂层附着力的提高,在外力的作用下容易在深坑附近产生微裂纹。实验结果显示,在氩气气氛中,900℃时热处理的硬质合金基体表面生长的金刚石涂层质量和附着力最佳。

二氧化锡/石墨烯复合材料的制备及其在钠基双离子电池中应用

双离子电池体系因其能量密度高、资源丰富、环境友好、价格低廉而备受青睐。但基于钠离子电解液的双离子电池却极少报道,这是因为缺乏可以与钠离子可逆嵌入脱出反应合适的负极材料。因此,该文首次报道了一种基于二氧化锡负极复合材料钠型(命名为SnO2/GF//EG)双离子电池,其负极为石墨烯与二氧化锡的复合材料,正极为膨胀石墨烯。通过纳米二氧化锡与石墨烯复合:一方面,石墨烯可以提高二氧化锡材料的导电性,从而提升材料的倍率性能;另一方面,柔性多孔的石墨烯可以容纳二氧化锡在脱出和嵌入钠离子过程中的体积膨胀,从而提升其循环性能。二氧化锡与石墨烯的三维复合材料具有优异的倍率性能和循环稳定性,同时具有非常高的可逆比容量:1 Ag-1电流密度下,循环300次时,比容量约为279 mAhg^(-1),容量保持率为69.9%;在5 Ag-1大电流密度下,其比容量为118 mAhg^(-1)。由纳米二氧化锡与石墨烯复合材料组装的基于钠离子电解液的SnO2/GF//EG双离子电池表现出优异的循环稳定性,同时具有非常高的可逆比容量:200 mAg-1电流密度下,循环300次时,比容量约为70.6mAhg^(-1),容量保持率为72.5%。另外,该材料表现出优异的倍率性能,在200 mAg-1、500 mAg-1、1 000 mAg-1、1 500 mAg-1和2 000 mAg-1电流密度下的比容量分别为97.4 mAhg^(-1)、88.5 mAhg^(-1)、75.5 mAhg^(-1)、70.4 mAhg^(-1)和67.2 mAhg^(-1)。总之,该文首次研究了二氧化锡复合材料在钠基双离子电池的电化学行为,并得到了优异的循环性能和倍率性能。

面向化学气相沉积生长单晶金刚石的高导热嵌入型基片托盘设计及其高质量生长工艺研究

针对高功率密度微波等离子体化学气相沉积法生长单晶金刚石过程中,金刚石籽晶表面温度容易发生漂移的问题,提出了一种新的基片托盘结构设计方法。基片托盘中间采用通孔结构,以避免籽晶底部与钼托盘的直接接触,在基片托盘与水冷台之间、籽晶和水冷台之间添加高导热材料氮化铝片,以保证外延沉积金刚石所需的均匀温度场环境。实验结果显示,利用新型基片托盘可以连续工作48 h,并获得生长厚度达1.66 mm的单晶金刚石,经过多次反复生长可实现厚度3 mm的高质量单晶金刚石制备。新型基片托盘能有效地抑制生长过程中石墨等大颗粒煤烟沉积引起的温度漂移现象,满足不同条件下金刚石单晶的同质外延生长,抑制籽晶边沿处多晶金刚石的生成,从而保证金刚石单晶在高功率密度下长时间稳定生长,获得高质量、大尺寸的化学气相沉积单晶金刚石。

调控磁导率以优化高熵合金的自旋电子排列实现高效析氧反应

磁场触发的催化剂轨道电子自旋排列已成为促进析氧反应的一种有趣而可行的策略.然而,具有强d-d库仑相互作用的高熵合金(HEAs)催化剂中的磁场增强机制尚未得到充分挖掘.在此,我们设计了具有优异软磁性的高熵合金金属片,在微小磁场下表现出显著的磁场增强催化作用,其磁导率可作为评估磁场增强的描述因子.具体地,仅施加50 mT的磁场,(FeCoNi)_(82.5)Cr_(17.5)HEAs的过电位下降就超过了36mV@10 mA cm^(-2).此外,过电位的降低与HEA的磁导率呈线性关系.原位拉曼光谱与理论计算结果表明,施加磁场可显著提高自旋密度,改善催化剂的3d电子与*O自由基的2p轨道之间的自旋相互作用,从而有效降低速率决定步骤(*O→*OOH)的能量障碍,进而促进O-O的形成.

环境友好型船舶防污涂料的研究进展

综述了环境友好型船舶防污涂料的研究现状,并在此基础上综述了纳米船舶防污涂料的最新成果,展望了未来环境友好型船舶防污涂料技术的发展趋势。

一种新型廉价、环境友好、结构稳定且具有大离子通道的钾离子电池正极材料

得益于钾的地壳丰度及其与锂的化学相似性,钾离子电池有望应用于大规模储能领域.目前,钾离子电池的性能尚不能满足实用需求,主要原因在于缺乏合适的正极材料.基于硫酸根的强诱导效应和草酸体系制备亚铁化合物的优势,本文制备了一种新型廉价、环境友好且稳定的储钾正极材料K_(4)Fe_(3)(C_(2)O_(4))_(3)(SO_(4))_(2).其独特的二维层状晶体结构具有3.379Å的层间距,且层内具有4.576×6.846Å的大环.根据第一性原理计算,该结构有利于钾离子的可逆迁移,且体积变化仅为6.4%.不同充放电态样品的同步辐射X射线吸收光谱和XRD、半电池以及全电池的电化学表征证实了其优异的电化学可逆性和结构稳定性.通过成分调控、掺杂、结构优化等策略,K_(4)Fe_(3)(C_(2)O_(4))_(3)(SO_(4))_(2)正极材料的电化学性能有望进一步提升.因此,本工作为廉价、环保的储钾正极材料提供了一种新的稳定晶体模型.