材料电化学工程基础课程的理论和工程实践本研一体化教学探索

“碳中和”对新能源材料专业人才培养提出了更高要求,在加强理论讲授的同时,还要全面提升大学生的工程应用能力和实践能力。对材料电化学工程基础课程开设本研一体化的教育教学改革,旨在实现多学科的交叉融合,面向工业和工程应用的最新社会化需求。基于OBE方法构建多元化的课程教学体系,从四个时空维度开展课程体系改革:(1)课堂内理论教学;(2)课外调研前沿进展;(3)参与科研项目实践;(4)参与企业工程实践。该课程教育改革,可以提升本研一体化培养水平,提高学生的科研和工程应用能力。

钠离子电池氧化石墨基负极研究进展

负极材料作为钠离子电池的关键组成部分,对电池的循环稳定性以及能量密度至关重要。由于Na+半径较大,不易嵌入石墨层间,在锂离子电池领域中取得极大成功的石墨负极材料,无论在醚基或酯基电解液中均表现出低储钠容量。将石墨进行氧化处理,扩大了石墨层间距,增加储钠位点,所得氧化石墨材料储钠容量大幅度提高。以氧化石墨的制备为基础,一系列的氧化石墨基负极材料引起了广泛关注。本文通过对近期相关文献的探讨,综述了氧化石墨基负极材料特别是还原氧化石墨烯材料作为钠离子电池负极材料的研究进展,着重介绍了氧化石墨烯的制备过程、氧化石墨烯的还原途径对储钠性能的影响、还原氧化石墨烯的储钠机理、还原氧化石墨烯的官能团数量、种类对钠离子传质过程的影响;综述了杂原子掺杂还原氧化石墨烯钠离子电池负极材料的研究进展,着重介绍了N、S、B三种元素掺杂还原氧化石墨烯的物理化学性能以及电化学性能表现。综合分析表明,通过制备还原氧化石墨烯以及杂原子掺杂等策略,有望实现氧化石墨基负极材料在钠离子电池中的实际应用。

高性能纤维增强气凝胶复合材料在动力电池热防护领域应用进展

介绍了新能源汽车动力电池热失控特性以及纤维增强气凝胶复合材料的研究进展等,对比分析了不同纤维增强气凝胶复合材料性能。其中,玄武岩纤维增强气凝胶复合材料在隔热性能、化学稳定性、力学性能和热稳定性方面具有较大的优势,可以满足更高温区的隔热需求,在新能源汽车动力电池热防护领域具有较大的应用前景。

经济视角下的锂离子电池回收技术回顾

经济地实现废旧电池的回收再利用是当前研究的重点。从经济效益角度,总结锂离子电池正极材料回收再利用技术的经济效果。梯次利用可以从管理层面上降低成本,解决短期内的资源分配问题;而长期可循环产业的建立,依赖于物料的回收。湿法冶金无机酸浸出效率高、成本低,而有机酸浸出相对更环保;火法冶金回收能量消耗巨大,适合大规模生产。

聚焦离子束显微镜技术在锂离子电池领域的研究进展

电极材料作为锂离子电池的关键结构组成部分,其结构稳定性直接决定着锂离子电池的电化学性能。由于电极材料具有对空气、水分敏感,不耐电子束辐照等特性,且在充放电过程中,电极本身及其所处化学环境不断变化,表征其微观组织形貌和结构具有挑战性。聚焦离子束-扫描电子显微镜作为重要的微纳米尺度精细加工设备,是制备透射样品的重要手段,已广泛应用于半导体、生物等领域。本文通过对近年来相关文献的探讨,综述了聚焦离子束基于锂离子电池领域的解决方案,着重阐述了聚焦离子束在三维重构、冷冻加工、构建单颗粒电池方面的最新进展,采用三维重构技术可以获取电极材料中的孔隙网络、多相结构、体积变化等三维特征信息,进行定量评估,建立微观结构模型对电池性能进行预测。基于冷冻加工技术,将液态电解质、Li金属等束流敏感材料冷冻,保持其原始形貌和化学性质,可以有效表征Li金属阳极以及固液界面的本征信息。构建单颗粒微型电池可以实现原位观察单粒子循环过程中的微观结构演化,避免黏结剂、导电添加物等对材料本征性能的影响,确定电极材料的内在特性。本文详细介绍了聚焦离子束在这3个方面的加工过程,并分析加工过程中存在的不足,提出目前面临的主要挑战。本文从锂离子电池材料特性和聚焦离子束实验方法出发,为该领域科研人员提供便利。

ZrO_(2)包覆高镍LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)正极材料提高其循环稳定性的作用机理

高镍三元材料作为一种锂离子电池正极材料,因其较高的放电比容量而得到科学界和工业界的广泛关注。研究表明,高镍三元材料的比容量与材料中的Ni含量呈正相关,但Ni含量的增加也会加剧循环过程中的界面副反应,材料表面释氧以及结构转变等问题。本文采用ZrO_(2)包覆LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)材料,利用X射线衍射证明,在高温处理下ZrO_(2)包覆物中的Zr^(4+)会掺杂进LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)材料表面晶格中,使得X射线衍射谱中的(003)衍射峰左移。电化学测试证明在4.3和4.5 V的截止电压下,改性最优的材料在1C循环100周后容量保持率分别从84.89%和75.60%提高到97.61%和81.37%,同时发现循环稳定性的提升主要来自材料表面的Zr^(4+)掺杂。X射线光电子能谱证明Zr^(4+)表层掺杂后材料的Ni化合价由Ni3+向Ni^(2+)转变,透射电子显微镜观察到Zr^(4+)的表层掺杂使得材料表面的层状结构发生重构,从而稳定了材料体相结构,提高了材料整体的循环稳定性。

纳米碳材料改善电化学电容器性能研究

通过在双电层电化学电容器的活性炭电极中添加纳米结构炭黑、碳纳米管等新型电子导体的方法,扩大电子导体与活性物质的有效接触面积,增大活性物质具有电化学反应活性的表面,从而提高电极的导电性能与容量性质,改善电化学电容器的充放电性能。实验结果表明新型的纳米碳材料可赋予电极良好的导电性能,优于常用的导电石墨、炭黑等电子导体,是较为理想的电化学电容器用电极导电剂。

纳米微晶TiO_2合成Li_4Ti_5O_(12)及其嵌锂行为

用溶胶-凝胶法并经热处理制备不同形态和晶体尺寸的TiO2,分别与Li2CO3高温固相反应生成锂钛复合氧化物,经电化学测试发现,用300℃热处理所得纳米微晶TiO2制备的Li4Ti5O12具有良好的嵌锂性能,其可逆比容量大于95 mA·h·g-1,充放电效率近100％,循环性能良好,电压平台平稳,在嵌锂至容量≥85％或脱锂至容量≥90％时均有明显的电压变化,可用作锂离子电池负极材料.

有机双电层电容器用活性炭电极的修饰

利用石墨、炭黑、碳纳米管三种导电碳材料,对高比表面积活性炭进行掺杂修饰,制备有机电解液双电层电容器用薄膜电极。经电化学测试发现,在 1 mol/L 的 LiPF6/EC-DEC(体积比 1∶1)溶液中,经不同导电材料修饰后的活性炭电极,其单电极比容量和大电流充放电性能均有较大改善。其中,掺杂 10%(质量分数)碳纳米管的活性炭电极,在 330 mA/g 电流密度下的单电极比容量可达 81 F/g,比未掺杂活性炭电极 60 F/g 的比容量提高了 35%;电流密度从 60 mA/g 增至 330 mA/g,该电极的容量保持率为 79.4%。

多孔炭模板法制备Li4Ti5O(12)及其嵌锂行为

采用水合氧化钛溶胶为原料,多孔炭为模板剂,设计制备了一种新型准纳米晶锂钛复合氧化物,并用SEM、XRD、恒流充放电及交流阻抗测试表征了材料的形貌、结构和电化学性能.结果表明,该氧化物晶粒尺寸约200nm,为典型的尖晶石Li4Ti5O12结构.在0.5C(1C=0.2mA·cm-2)电流条件下的首次嵌脱锂效率为99.8%,嵌脱锂电位平坦,可逆容量为117mAh·g-1;当电流从0.5C增至5C时,其可逆嵌锂容量仍在100mAh·g-1以上,容量保持率大于86%,倍率充放电性能优异.交流阻抗测试结果表明,模板剂多孔炭的应用使合成的尖晶石Li4Ti5O12具有更佳的导电性能,且多孔特征明显.

Li_4Ti_5O_(12)/AC非对称电化学电容器的研究

应用纳米微晶TiO2为原料,通过高温固相反应合成了具有尖晶石结构的锂钛复合氧化物Li4Ti5O12,该材料的首次嵌脱锂效率可达91.9%,10 mA/g电流密度下的可逆嵌锂容量为102 mAh/g。将其制成嵌锂电极后与活性炭电极构成新型的Li4Ti5O12/AC非对称电容体系。测试结果表明:在80 mA/g条件下,其双电极比电容为41.6 F/g,能量密度为采用相同电解液体系的AC/AC双电层电容的4.6倍,充放电效率达95.8%,且大电流性能及循环性能良好。

乙炔黑掺杂NiO_x电极及其应用

应用新型乙炔黑对NiOx电极进行固相掺杂,可改变NiOx电极的微结构和组成,增加电极内部离子通道和电子通道数量,提高电极导电性能和活性物质的利用效率,并优化电极的电容特性;在C NiOx非对称电容体系中,经新型乙炔黑掺杂的NiOx电极其高倍率充放电容量可为未掺杂电极的2.5倍;在实际的工作电压区间,C NiOx非对称电容的能量密度可为C C双电层电容的1.5倍。

电化学混合电容器用新型β-Ni(OH)_2/CNTs纳米复合物

采用水热合成法制备出一种新型β-Ni(OH)2/碳纳米管(CNTs)纳米复合物,Ni(OH)2微晶粒径控制在50～80nm之间,与CNTs直径相当,CNTs与Ni(OH)2质量比为1∶15.将纳米复合物应用于活性炭(AC)/NiOOH电化学混合电容器,电化学测试表明:在0.4A/g电流条件下,其放电比容量达279mAh/g,是β-Ni(OH)2理论容量的96.5%;当电流密度从0.4A/g增加至8A/g时,电容器的容量保持率在76.5%以上,高倍率充放电特性优异.此外,纳米复合物良好的电化学可逆性使AC/NiOOH电化学混合电容器更易活化,并具有较高的充放电效率和良好的循环稳定性能.

新型复合电化学电容器的研究

在单体碳/碳型双电层电容器的电极中分别添加一定量具有高容量性质的活性物质,构成正、负复合电极,活性物质经激活后即可在两极存储电能。该新型复合电容器与原碳/碳型双电层电容器相比,具有更高的稳定工作电压以及较高的单电极比容量,可有效改善双电层电容器的比能量及安全性能。根据所加活性物质比例及所选工作电压之不同,比能量可增加45%～70%。经不同电流密度恒流充放电试验,复合电容器的功率密度、充放电效率及循环寿命等性能良好,高容量活性物质的添加对双电层电容器较高的自放电现象具有一定的抑制作用。

炭钌复合电极碱性电化学电容器的研究(英文)

采取溶胶凝胶法在活性炭表面合成RuO2·xH2O,经150℃热处理制得炭钌复合材料。将炭钌复合电极作为碱性电化学电容的正极,研究不同钌含量复合电极的电化学性能,实验证实,当复合电极中的钌质量分数达30%时,其比电容可从纯活性炭电极的241F/g增加到333F/g,且复合电极具有与活性炭电极同样优异的高功率放电特性;随着复合电极中钌含量的增加,电极的比电容也会相应地增加,而当电极中的钌质量分数大于10%后,水合氧化钌的贡献比电容却逐渐下降,并稳定在440F/g左右。

碳钌复合材料在碱性电化学电容中的应用

采取溶胶凝胶法在活性炭表面原位合成RuO2·xH2O,经150℃热处理后制成的碳钌复合材料首次应用于碱性电化学电容器中。经电化学测试表明,碳钌电极在碱液中具有良好的容量性质和高功率放电特性,当电流密度为1.0A/g,钌含量为15%(质量分数,下同)的复合材料作为碱性电容的正极,其单电极比容量可达274F/g,是空白活性炭材料的1.22倍,并可较好地抑制电容自放电;该复合材料作为碱性电容的负极,相同电流条件下虽然也具有较高的单电极比容量(278F/g),但电容的自放电现象较为严重。

新型非对称电化学电容器的电极匹配研究

活性炭负极容量的有效利用率是导致双电层电化学电容器和C/Ni(OH)2非对称电化学电容器容量性质差异的主要因素,并可将其作为非对称电化学电容器容量设计和测算的依据;本文引入Ni(OH)2正极有效活性物质概念,以正极有效活性物质的量匹配负极的设计容量,从而优化正、负极的容量匹配,改善非对称电化学电容器的容量和大电流性能.

Sb掺杂SnO_2修饰双电层电容活性炭电极的研究

应用sol-gel浸渍与热处理工艺相结合,在活性炭表面包覆Sb掺杂的SnO2薄膜对电极进行修饰,构成AC-SnO2/KOH/AC-SnO2双电层电容器,测试结果表明,400 mA/g电流密度条件下,修饰后的双电层电容器在0.001～1.5 V相对较高电压区间的放电容量,比AC/KOH/AC双电层电容器在0.001～1.0 V电压区间高36%,但AC-SnO2的单电极比电容仅为AC单电极比电容的91.9%;当电流密度大于400 mA/g,两种电极的大电流性能相当。

基于集对分析理论的污染减排预警评价模型及改进应用

我国在"十二五"期间继续推行减排政策,目标污染物在原有COD和SO2基础上新增NH3—N和NOx.为促进减排监督管理顺利进行,督促各省市减排目标的完成,深入分析各地区社会经济和工业运行等因素对减排目标实施的影响,首先建立了基于社会、经济、能源、环境复合系统的减排预警指标体系;随后运用集对分析理论和方法,对各地区4大污染物在"十二五"末期的减排形势进行了预测评价及预警分析;此外,鉴于新疆、西藏等地区的污染排放与其它省份存在一定差异的实际情况,对评价模型进行了改进应用;最后,运用GIS软件将减排预警评价结果进行地图图形展示,以便于污染物减排监督管理工作的开展.

C/KOH/Ni(OH)_2非对称电容器活化过程电极行为

通过对电极和电极材料的电化学性能测试,分析了C/KOH/Ni(OH)2非对称电容器在活化过程中的正、负电极行为。实验结果表明,表现双电层电化学行为的活性炭负极活化过程相对快速,30周循环后电极性能稳定;Ni(OH)2正极的活化是影响非对称电容性能的关键因素,活化过程中Ni3+在电极上积累,在添加剂的共同作用下,活性物质表层组成发生改变,电极的析氧电位升高,导电性改善,容量性质和快速充放电性能提高。