石墨烯增强铝基纳米复合材料研究进展

石墨烯以其优异力学、物理性能以及独特二维结构成为铝基复合材料的理想纳米增强相。金属基纳米复合材料制备技术快速发展,促进了石墨烯增强铝基纳米复合材料在结构和功能材料领域中的广泛研究。石墨烯在铝基体中的分散以及石墨烯/铝的界面控制问题具有重要科学研究和工程应用价值。重点介绍石墨烯增强铝基纳米复合材料最新研究进展,主要包括石墨烯增强铝基纳米复合材料的分散和冶金成型技术及其结构表征和力学性能研究。实验表明石墨烯能够显著提高铝基体力学性能,但作者认为通过优化工艺参数、改善微观结构和控制结合界面能够进一步优化材料性能。此外,为实现工程应用,还需加强石墨烯增强铝基复合材料的腐蚀性能和热、电性等物理性能研究,并突破材料的低成本、大规模制备技术。本文还基于石墨烯独特二维结构和表面状态,对石墨烯的增强增韧机制进行了深入讨论。

石墨烯增强铝基纳米复合材料的研究

采用球磨和粉末冶金方法成功制备出石墨烯增强铝基纳米复合材料,命名为铝基烯合金。首次发现石墨烯纳米片的添加在保持材料良好塑性的同时,显著提高了其强度。利用OM,SEM和TEM对铝基烯合金微观组织结构进行表征,并测试其拉伸性能。结果表明:石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中,与基体形成良好的结合界面,且石墨烯纳米片与铝合金基体未发生化学反应,并保留了原始的纳米片结构;铝基烯合金中石墨烯纳米片含量为0.3%(质量分数)时,铝基烯合金的平均屈服强度和抗拉强度分别达到322MPa和454MPa,较未添加石墨烯纳米片的合金分别提高58%和25%,且伸长率略有提高。基于石墨烯纳米片特殊的二维褶皱结构,讨论铝基烯合金的增强增韧行为。

氧化石墨烯/铜基复合材料的微观结构及力学性能

采用球磨和真空热压烧结方法成功制备氧化石墨烯/铜复合材料。利用OM,SEM,XRD,显微硬度计和电子万能试验机等分析球磨后的复合粉形貌,研究氧化石墨烯添加量对复合微观结构及力学性能的影响。结果表明:制备的氧化石墨烯/铜基复合材料组织致密,氧化石墨烯以片状形态较均匀地分布在铜基体中,并与铜基体形成良好的结合界面。氧化石墨烯质量分数为0.5%时,复合材料的综合力学性能较好,显微硬度和室温压缩强度分别为63HV和276MPa,相对于纯铜基体分别提高了8.6%和28%。其强化机理为剪切应力转移强化、位错强化和细晶强化。

合金材料在锂金属负极中的应用研究进展

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点,在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质,综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展;最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题,并提出加强基础理论研究等建议。

石墨烯与导电聚合物PSS∶PEDOT共包覆对LiCoO_(2)材料高电压电化学性能的影响

采用易于规模化的湿法包覆工艺成功制备了石墨烯纳米片与聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)共包覆的LiCoO_(2)正极材料(GP-LCO),使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)及电化学测试方法研究包覆前后材料的晶体结构、微观形貌及电化学性质。结果表明∶均匀分散的石墨烯纳米片(1%,质量分数,下同)与PEDOT∶PSS(2%)在LiCoO_(2)颗粒表面形成均一的包覆层;电化学测试结果表明,石墨烯纳米片与PEDOT:PSS所形成的复合包覆层不仅提升了材料的电化学反应速率,还改善了电化学反应的可逆性;经过表面包覆的GP-LCO添加2%Super P导电剂所制备的电极,在2.5~4.5 V(vs.Li+/Li)的电压范围内,0.1 C倍率下首次放电比容量173.9 mAh/g,10 C倍率下仍能表现出118.0 mAh/g的放电容量,循环性能和倍率性能均优于未包覆的LiCoO_(2)材料(LCO)。

锂硫电池回顾与最新发展

锂硫电池具有比容量高、生产成本低及环境友好等特点,是一种高能量密度的储能系统,在便携式电子设备储能中有巨大的发展潜力与应用前景。然而,锂硫电池在实际应用中仍面临着库仑效率低和寿命短等问题。这主要归因于多硫化物穿梭效应、S_(8)和Li_(2)S电导率低和锂枝晶生长不可控。抑制锂枝晶生长和阻止可溶性多硫化物与锂之间的反应不仅能增强锂硫电池的安全性和电化学性能,对高容量锂硫电池也至关重要。本文全面回顾了锂硫电池发展,着重介绍了高硫负载锂电池所取得的进展。通过分析机理了解锂硫电池的运作机制进而制定改进方式,包括对阴极使用分级多孔碳并进行元素掺杂以增加活性物质硫负载率,减少多硫化物的穿梭效应。还介绍了液态和固态电解液系统的发展以及增强阳极稳定性的各种策略。深入了解锂硫电池机理能加强对锂硫电池认知,可以指导高硫负载锂硫电池未来的发展。同时,提高各组件之间协同作用可进一步推动锂硫电池技术从纽扣电池和软包电池到随后的商业化规模应用。

锂离子电池发展现状及其在航空领域的应用分析

相对于镍镉、铅酸等传统电池,锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、自放电率低、循环寿命长、充放电效率高、工作温度范围宽、环境污染小等优点。目前,锂离子电池已广泛应用手机、笔记本等3C设备和新能源汽车领域,在民用飞机、无人机、空间探测器等航空航天领域中也拥有广阔的应用前景。为了进一步拓宽锂离子电池的应用领域,众多研究团队开发出了种类繁多的,性能优异的锂离子电池电极材料;通过深入研究,开发出了具有宽温适应性和超高压适应性的电解液。经过30年的技术攻关与产业化推广,锂离子电池相关产品日渐成熟。为进一步拓宽锂离子电池的应用场景,高性能电极材料的制备和安全电解液体系的构建将是锂离子电池技术发展的重要方向。

GO添加量对RGO/Cu复合材料组织与性能的影响

利用湿法球磨与复压复烧方法制备RGO/Cu复合材料,研究了GO添加量(0%、0.3%、0.5%、1.0%,质量分数,下同)对RGO/Cu复合材料的组织与性能的影响。结果表明:GO较均匀分布于铜基体中,且能起到细化晶粒的作用。GO的润滑作用促进晶粒滑移与转动,填补了晶粒间隙,提升了复合材料密度,其中0.5%RGO/Cu复合材料的相对密度最大,为99.4%。添加GO后,细化晶粒引起的晶界面积扩大以及基体密度降低都增加了电子的散射,从而导致复合材料导电率下降。细晶强化和复压作用提升了复合材料强度和硬度。与纯铜相比,1.0%RGO/Cu显微硬度(80.6HV)提升了40%;0.3%RGO/Cu的抗拉强度(241.3MPa)提高了32%。若GO的添加量过大,其团聚使得复合材料的致密度降低,从而导致断后伸长率下降。

石墨烯添加量对铜基复合材料性能的影响

采用一步化学还原法结合放电等离子烧结工艺制备石墨烯增强铜基复合材料,利用XRD、SEM、拉曼光谱、拉伸试验机、纳米压痕仪、涡流电导率仪等研究石墨烯含量对复合材料微观组织、力学性能和导电性能的影响。结果表明:石墨烯在复合材料基体中均匀分布,石墨烯的添加能显著增强铜基体的力学性能。与纯铜相比,添加0.025%(质量分数)的氧化石墨烯,可使其屈服强度提高219.8%,抗拉强度提高35.9%,弹性模量提高6.9%,此外,其导电率仍有93.1%IACS。随着石墨烯含量的增加,复合材料的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均有所下降,这是因为高石墨烯含量复合粉体中部分石墨烯纳米片未能被铜颗粒包覆,其与铜基体界面结合强度低,石墨烯的剪切应力转移强化效果降低。

MXenes二维纳米材料及其在锂离子电池中的应用研究进展

锂离子电池被认为是富有前途的能源储存器件,寻找高性能锂电池新材料已成为全世界的研究热点。MXenes材料是一种新型过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物二维纳米材料的统称,具有比表面积大、导电性能好、储锂容量较高、循环和倍率性能优异等特点,是一种具有光明应用前景的锂离子电池材料。本文对MXenes材料在锂离子电池应用研究中的重大突破进行了综述,介绍了其制备方法、结构性能、储锂机理,归纳了其在锂离子电池中的具体应用及机制,分析了当前存在问题。综述指出MXenes材料研究,应利用其自身亲水性和导电性优势,在复合电极材料、自支撑电极材料等方面重点部署,为高性能锂子电池关键技术带来突破。

磷酸铁锂/石墨烯复合材料的合成及电化学性能

采用研磨、超声分散与搅拌干燥的工艺方法制备磷酸铁锂/石墨烯复合材料。利用TEM,SEM,XRD和Raman对材料组织结构进行表征,并组装成扣式电池进行电化学性能测试。SEM图像表明,在该工艺所制备的磷酸铁锂/石墨烯复合材料中,石墨烯贴附在磷酸铁锂颗粒表面,并且均匀地分散在复合材料中形成良好的导电网络。电化学测试结果显示,添加2%(质量分数)石墨烯后,磷酸铁锂的倍率性能和循环性能都得到明显提高。具体表现为:倍率性能方面,在5C充放电条件下,放电比容量提高到94.2mAh·g^(-1),是添加前的2.53倍;循环性能方面,100次循环(1C充放电)后容量衰减由添加前的43.5%下降到添加后的9.6%。这种简便的工艺能够实现石墨烯在电极材料中的均匀分散,充分发挥石墨烯优异的导电性,进而提升磷酸铁锂正极材料电化学性能。

高浓度石墨烯水分散液的制备与表征

利用高压均质液相剥离法,以鳞片石墨为原料,水为介质,制备高浓度石墨烯水分散液。采用紫外可见光谱研究表明活性剂浓度、高压均质压力和循环次数对石墨烯水分散液浓度C_G的影响。通过拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜、激光粒度仪分析水分散液中石墨烯的结构和形貌。结果表明:通过调节各工艺参数,获得了浓度为324.3mg·L^(-1)的石墨烯水分散液,所得浓度是超声液相剥离法的10倍;石墨烯水分散液中石墨烯缺陷少、厚度薄、片径大,具有良好的品质;将所得石墨烯分散液制备石墨烯自支撑膜,其电导率可达3.2×10~4S·m^(-1)。

3D打印石墨烯制备技术及其在储能领域的应用研究进展

石墨烯优异的力学和物理性能使其成为理想的储能材料。因结构精确可控,易实现规模化制备,3D打印石墨烯材料有望在储能领域得到广泛应用。本文全面综述了3D打印石墨烯制备技术及其在储能领域的应用研究进展。石墨烯墨水的黏度和可打印性是实现石墨烯3D打印的制约因素。实现工艺简单、浓度可控、无黏结剂石墨烯墨水的规模化打印将成为3D打印石墨烯制备技术未来的研究热点。石墨烯超级电容器、锂硫电池、锂离子电池等储能元件一体化打印成型是3D打印石墨烯在储能领域应用的发展方向。

表面活性剂对高浓度石墨烯水分散液制备的影响

分别选取阴离子型、阳离子型和非离子型3种类型表面活性剂,通过紫外可见光谱研究表面活性剂结构和浓度对高压均质-液相剥离法制备的石墨烯水分散液浓度的影响。通过高分辨透射电镜和激光粒度仪对所制备的石墨烯的品质进行分析。结果表明:长的疏水链段、双键和苯环官能团是促进表面活性剂作用发挥的关键结构,表面活性剂最优浓度略高于其临界胶束浓度。在测试范围内,Tween80效果最佳,其最佳作用浓度为0.012mmol·L^-1,所得石墨烯水分散液浓度为564.3mg·L^-1。表面活性剂的结构和浓度对石墨烯的品质无明显影响。

石墨烯纳米片增强铝基复合材料的动态力学行为

采用压制-烧结-热挤压工艺制备石墨烯纳米片(GNFs)增强铝基(Al)复合材料,并对其进行压缩性能测试。结果表明:GNFs/Al复合材料是应变率敏感材料,当应变率从10^(-3)s^(-1)提高至3×10~3s^(-1)时,复合材料的强度明显提高;而当应变率继续提高至5×10~3s^(-1)时,由于材料内部发生热软化,复合材料的强度反而表现出少许下降。动态压缩后复合材料中铝基体发生动态再结晶,且应变率越高,动态再结晶越显著;增强相GNFs则发生扭曲变形后仍保持完整结构且与基体间保持原子间结合。因此,GNFs/Al复合材料具有良好的动态压缩塑性。

石墨烯负载花球状二氧化锰复合材料制备及其电容性能研究

利用高锰酸钾与乙醇之间的氧化还原反应,在多孔石墨烯表面沉积纳米二氧化锰花球,获得了一种新型的复合电极材料。通过XRD,TG,SEM,TEM等分析手段确定了材料的晶体结构、化学成分、微观形貌特征。电化学性能测试表明:纳米二氧化锰花球具有优异的比电容,但是倍率性能和循环性能不足。通过在石墨烯表面负载纳米二氧化锰花球,能够显著增加石墨烯的比电容,同时改善纳米二氧化锰花球的倍率性能和循环性能。采用0.5mol/L K_2SO_4电解液,进行三电极循环伏安测试,复合电极材料在2mV·s^(-1)扫速下的比电容高达295F·g^(-1),在1000mV·s^(-1)扫速下,比电容仍然可达102F·g^(-1),同时100mV·s^(-1),1000次循环后,电容循环保持率可达96.3%。这表明石墨烯负载花球状二氧化锰材料是一种极具潜力的超级电容器电极材料。

Mn2O3/Fe2O3/少层石墨烯/硫锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能

采用熔盐法、层间催化剥离法、退火工艺及熔化扩散法制备出Mn2O3/Fe2O3/少层石墨烯/硫复合材料作为锂硫电池正极材料。高导电少层石墨烯构成三维导电网络,为电极反应过程中电子传输提供通道,有利于提升锂硫电池的比容量。金属氧化物颗粒均匀分布在少层石墨烯表面,对多硫化物具有强烈化学吸附作用,能够有效抑制多硫化物的溶解和迁移效应,有利于增强锂硫电池循环稳定性。结果表明,Mn2O3/Fe2O3/FLG30/S电极显示出高比容量和优异的循环性能。0.1 C倍率下,其初始容量高达886.3 mAh·g^-1,100圈循环后容量保持率高达88.1%。

锂氟化碳电池用新型高比容量复合正极材料

采用提高正极材料比容量以改善大电流放电性能的思路,设计新型高比容量复合正极材料,并通过研磨分散结合融化扩散热处理方法制备氟化碳-硫复合正极材料。电化学测试分析表明新型复合材料可以实现同步改善容量和大电流放电性能,同时具有二次可逆循环充放电能力。研究结果表明:氟化碳-硫复合正极材料的能量密度和功率密度性能具有突出优势,在不同电流密度下均可实现显著的提升,相比纯氟化碳材料的能量密度和功率密度最高可分别提升 433%和 10.7%。

人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的应用研究

锂金属具有最低的氧化还原电位(-3.04V vs标准氢电极)和极高的比容量(3860mAh·g^-1),是理想的锂二次电池负极材料.然而电化学循环过程中,由于锂的不均匀成核生长,其表面产生锂枝晶,锂枝晶持续生长会刺穿隔膜,造成电池短路甚至引发火灾.因此需要对锂金属负极进行保护,抑制负面问题,发挥高性能.人造固态电解质界面技术是一种有效的锂金属负极保护策略,本质是预先在锂金属表面涂覆上保护层,保护层具有较高的离子传导性和电化学稳定性、较好的阻隔性和机械强度,可得到高效率、长寿命和无枝晶的锂金属负极.本文将近年来人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的研究进展进行综述,对其制备方法、结构特点、锂金属负极循环性能、全电池电化学性能等方面作了详细介绍,分析当前存在问题并指出锂金属负极研究不仅需要加深机理研究还得与实际应用相结合.

聚合物固态电解质在锂硫电池中的应用

采用微观和宏观包覆两种方式制备聚合物固态电解质包覆的硫@碳纤维复合固态电极,利用扫描电镜、元素分析和电化学测试表征电极的微观形貌,研究相应锂硫电池的电池性能。结果表明:微观的聚合物固态电解质包覆活性材料的电极结构有利于离子传输;电极表面宏观构建一层聚合物固态电解质薄膜有助于改善电极的循环稳定性,抑制穿梭效应;利用膜电极结构组装的全固态锂硫电池具有良好的循环性能,循环270次后库仑效率仍保持98%以上。