黄铜集流体在无负极锂金属电池中的应用研究

虽然无负极锂金属电池(AF-LMBs)具有能量密度高、结构简单等优势,但是金属锂在负极集流体界面不可逆的沉积/剥离过程以及与电解液之间的副反应会大量消耗电池中有限的活性锂,导致电池容量迅速衰减。开发高性能的负极集流体是提升AF-LMBs循环寿命的有效策略之一。因此,本文研究了商业黄铜箔(F-Cu-Zn)作为负极集流体在AF-LMBs中的电化学性能,并且结合多种表征技术揭示了F-Cu-Zn电极在循环过程中的结构演变。结果表明:与商业铜箔(F-Cu)相比,F-Cu-Zn含有丰富的亲锂位点,诱导金属锂均匀成核与生长,所组装的Cu-Zn||NCM712软包全电池的室温循环寿命从75次增加至117次。此外,F-Cu-Zn电极中的Zn元素会在循环过程中不断溶解,最终在电极表层形成三维多孔结构。

煤焦油衍生模板碳孔隙重整及高体积电容性能

各类储能器件中,超级电容器因其功率密度高、充放电速度超快、循环寿命长等优点,是电化学储能技术的重要发展方向。其中,多孔碳电极是超级电容的核心材料。然而,传统多孔碳电极材料重点关注高孔隙率和高比面积的实现,从而导致疏松的碳骨架结构,使材料密度降低,进一步限制了超级电容器的体积性能。因此,具有合理孔隙结构和致密骨架的碳电极材料是提升双电层电容器体积性能的关键。以低成本煤焦油为碳源,对基于相转变过程制备的不同模板材料进行包覆后碳化,获得具有致密多孔结构的碳纳米片PCS。该材料中优化的分级孔结构降低了多余的中/大孔占比,使其具有高堆积密度(0.64 g/cm^(3)),可同时实现优异的质量和体积比电容性能。在水系双电层电容器中,制备的PCS电极在低质量负载2 mg/cm^(2)时可以获得277 F/cm^(3)的高体积比电容;在高质量负载8 mg/cm^(2)时,体积比电容仍保持244 F/cm^(3),且最大体积能量密度和功率密度分别为8.46 Wh/L和10.9 kW/L。此外,双电层对称电容器也表现出优异的循环稳定性(超过4万次循环),证明了PCS在双电层电容器高密度储能方面的应用潜力。

磷掺杂钴酸铁电极材料用于非对称超级电容器

采用简单的水热法和低温磷化法在柔性碳布上原位生长磷掺杂的钴酸铁纳米线(P-FeCo_(2)O_(4-x))电极材料,研究了不同磷源加入量对P-Fe Co_(2)O_(4-x)的形貌和性能的影响。结果表明:当加入的磷源量为400mg时,所制备的P-FeCo_(2)O_(4-x)-2电极材料具有优异的电化学性能,在5m A/cm^(2)的电流密度下表现出3643m F/cm^(2)的比电容,在20m A/cm^(2)的电流下充放电循环5000次后容量保持率为85.9%。性能提升的主要原因得益于磷掺杂到尖晶石结构中,取代了部分氧原子的位置并形成氧空位,提高缺陷程度的同时,改善了电子结构,提高了电导率。进一步组装成柔性非对称超级电容器,其正极为P-FeCo_(2)O_(4-x)-2材料,负极为活性炭(AC)。该电容器在功率密度达到747.4W/kg的情况下,展现出高达40.9Wh/kg的出色能量密度。此外,经过2000次充放电循环测试,即使在5A/g的电流密度下,其容量保持率依然稳定在82.1%。

基于铁锈红和废锂箔制备LiFePO_(4)/C正极材料的储锂性能

磷酸铁锂电池的需求大、市场垄断而导致原材料价格日益高涨。以铁锈红和废锂箔为原材料,采用磷酸铁工艺制备了LiFePO_(4)/C粉末,并测试其电化学储锂性能。结果表明:LiFePO_(4)/C粉末由粒径尺寸为110~400nm的颗粒组成,在1.0C循环350圈后的可逆比容量和容量保持率分别为129.7mAh/g和98.0%,与商业LiFePO_(4)正极材料性能相当。可见,该结果降低了LiFePO 4的制备成本,有利于循环经济和可持续发展。

氮掺杂碳纳米线负载MnO纳米粒子作为水系锌离子电池正极的性能研究

水系锌离子电池(AZIBs)因锌的氧化还原电位低、能量密度高而有巨大的应用前景,其中储存Zn^(2+)的宿主正极决定了电池的放电性能和循环稳定性。以含有3个羧基的次氮基三乙酸(Nitrilotriacetic acid,NTA)为配体,通过简单的调整Mn^(2+):NTA的比例,制备了3种一维纳米线结构聚合物,并经煅烧处理中得到了3种氮掺杂碳纳米线负载不同粒径MnO材料MnO/NC-x。其中Mn^(2+)∶NTA比例为0.5时制备的MnO/NC-0.5中MnO粒径最小,且均匀的分散于纳米线表面。该材料作为AZIBs正极展现了卓越的离子扩散性和导电性等动力学特征。在2 A/g的高电流密度下该材料显示出158 mAh/g的倍率性能,并在1 A/g的条件下经历1000个循环后仍有96%的容量保持率,表现出卓越的循环稳定性。

锂硫电池中CNTs-CNFs夹层对多硫化物的捕获和加速转化机理

为有效抑制多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应,通过静电纺丝、电化学沉积和化学气相生长技术在碳纳米纤维(CNFs)上垂直生长碳纳米管(CNTs),开发了一种超薄、轻质的多功能三维多层交联碳纳米纤维-碳纳米管(CNTs-CNFs)夹层,并研究CNTs-CNFs对锂硫电池(LSBs)电化学性能的影响。研究结果表明:CNTs-CNFs薄膜优异的导电性和丰富的孔隙结构为LSBs提供了均匀的导电网络和LiPSs的吸附过滤屏障,与无夹层相比,含有CNTs-CNFs夹层的电池具有更优异的容量保持率和循环稳定性,在0.2 C电流密度下具有1296.7 mA·h/g的初始放电比容量,在100次循环后仍能提供了864.7 mA·h/g的放电比容量,容量保持率为66.68%。

“双碳”背景下固态锂电池用硫化物固态电解质的发展趋势

随着我国实施碳达峰、碳中和战略,电动汽车和储能成为实施该战略的重要抓手。锂离子电池作为电动汽车和储能的核心技术,近年来取得极大发展。目前的锂离子电池主要采用液态电解质,其安全性及能量密度面临瓶颈,难以满足电动汽车和储能的应用需求。硫化物全固态锂电池采用无机硫化物固态电解质取代目前广泛应用的液态电解质,有望回避液态电解质易燃易爆的安全问题。同时,基于硫化物电解质的高离子电导率,使硫化物全固态锂电池表现出优异的倍率性能。本文从硫化物电解质的分类与结构入手,首先介绍了硫化物电解质的发展历史,然后讨论了玻璃态、晶体硫化物电解质的结构特点、离子传输机制与电化学性能,接着介绍了硫化物电解质的三种不同合成方法以及其获得的硫化物电解质的电化学性能,最后总结了硫化物电解质的空气稳定性、界面稳定性等决定其产业化应用的关键性能。本文拟为硫化物电解质下一步的研究方向提供建议,有利于促进全固态锂电池产业化应用及我国“双碳”战略目标实现。

氧化铁基负极材料的制备及电化学性能研究

以石墨烯和碳纳米管复合碳材料(G/CNT)为载体,采用FeCl_(3)为铁源,在NH_(4)H_(2)PO_(4)盐水浴条件下通过原位反应,制备具有管状形貌的Fe_(2)O_(3)与石墨烯/碳纳米管复合材料(Fe_(2)O_(3)-G/CNT)。Fe_(2)O_(3)-G/CNT复合材料作为锂离子电池的负极材料,对比研究了复合材料中铁源与G/CNT不同投料比对电极材料的电化学和电池性能的影响。结果表明:生成的Fe_(2)O_(3)在不同比例碳材料中保持管状形貌,碳材料载体提高了生成Fe_(2)O_(3)的分散性,缓解了电极材料容量衰减,显著提高了电极材料的比容量。其中Fe_(2)O_(3)-G/CNT(10%)复合电极在100 mA·g^(-1)的电流密度下,首圈放电比容量达到1316 mA·h·g^(-1),循环100次以后保持796.3 mA·h·g^(-1)的可逆容量,保持率为82.9%。该电极材料在100、200、500、800、1000 mA·g^(-1)的倍率条件下,放电比容量分别为891.7、742.6、599.6、505.6、451.6 mA·h·g^(-1)。交流阻抗研究结果表明,碳材料的加入降低了材料的阻抗,这有利于电极材料性能的改善和提高。

纳米晶TiO_(2)复合光阳极的制备及DSSC光电性能测试综合实验项目开发

项目以“新型电池材料”这一研究热点为主题,依托功能材料专业,以案例式教学为切入点,旨在培养探索应用型人才。实验采用水热法在FTO导电基底上制备出纳米棒TiO_(2)薄膜。采用丝网印刷法将P25纳米浆料均匀地涂敷在TiO_(2)纳米棒薄膜上,得到复合TiO_(2)纳米棒/纳米颗粒光阳极。将纳米棒TiO_(2)光阳极和纳米晶TiO_(2)复合光阳极引入到染料敏化太阳能电池(DSSCs)中测试其光电性能。结果表明:TiO_(2)纳米棒/纳米颗粒复合光阳极表现出更优异的光电性能。

价态与晶型对镍钴氢氧化物超级电容性能的影响

镍钴氢氧化物(羟基氧化物)的金属价态和晶型结构均具有多变性,研究金属价态和晶型结构对其超级电容性能的影响具有重要意义。通过调控强氧化剂过硫酸铵((NH_(4))_(2)S_(2)O_(8)),制备一系列不同价态(Ni^(2+),Ni^(3+),Co^(2+),Co^(3+))比例和晶型结构的镍钴氢氧化物活性材料。采用XRD,TEM,Raman,XPS等方法对材料价态、微观形貌和物相组成进行表征,明确其结构和价态性质。在1 A/g电流密度下,NiOOH-Co(OH)_(2)活性材料比容量高达260 C/g,远优于其他价态比例和晶型结构的3种电极材料性能。在2 A/g电流密度下充放电循环测试2000次后,比容量保持率为70.7%。经分析发现,NiOOH-Co(OH)2性能较优可归结于γ-NiOOH优良的导电性和α-Co(OH)_(2)较高的电容性能。

木质素分子在储能器件中的应用研究进展

木质素是一种绿色环保、低成本的不规则酚类聚合物,其结构中富含羟基和甲氧基等官能团,并且可以从造纸工业的副产品以及农林废弃物中大量获取,因此在各行各业中具有巨大的应用潜力。在储能领域,大量的研究报道了木质素作为可再生碳源制备用于储能装置的电极材料。近年来,越来越多的研究关注了木质素结构中丰富的官能团结构,并充分利用官能团性质将其应用于储能设备,如:利用羟基的亲水性将木质素应用于液流电池的膜结构中提高膜的质子传导率,利用酚-醌结构的可逆变化增加超级电容器的赝电容,利用与苯环共轭的发色基团对太阳能电池光电化学界面进行调控与敏化,利用木质素结构高电荷密度的含氧官能团改善锂离子电池存储的不稳定性,利用木质素分子中丰富的碳和杂原子官能团制备电极从而提高燃料电池的电化学性能。基于木质素分子的官能团结构和性能特点,概述木质素分子对超级电容器、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、液流电池等主流储能器件电化学性能的提升作用和代表性应用,认为最大化保留木质素分子的官能团并将其应用于电化学器件,可以实现木质素分子的多功能化应用,充分发挥木质素基团的特点以提高储能设备的电化学性能。最后,总结归纳了木质素分子应用于储能材料所面临的困难与挑战,展望了木质素分子应用于储能材料未来可能的发展前景和研究方向,以期为设计和开发低成本、高电化学性能的木质素基储能材料提供参考。

聚吡咯导电材料制备及性能评价综合实验设计

基于学科交叉的综合实验设计,是满足工程教育认证标准和新工科建设要求的必要环节。将电化学和能源材料化学实验进行整合,面向能源化工方向本科生设计了涵盖聚吡咯的制备、分子结构分析和热稳定性表征、储能性能评价及影响因素解析的综合性专业实验。实验设计充分体现了能源材料开发和利用专业特色,同时有效地将科学研究与本科实验教学相结合,提升学生的综合素质和科研创新能力,激发学生探索前沿知识的兴趣,从而实现应用型人才的培养目标。

一种结构仿生防污涂料的制备

仿生防污涂料是通过模拟海洋生物的皮肤和结构,或者提取海洋生物体内的防污物质制备出的防污涂料。本文采用简单盐溶解法,通过模拟软珊瑚上层透明层和下层多孔层的复合结构,以不同方式添加软珊瑚体内的防污化学物质糖精、加巴喷丁和正癸酸,制备了组成不同的仿生防污涂料,并对涂料的防污性能进行了研究。研究结果表明,糖精∶加巴喷丁∶正癸酸为47∶23∶25样品的压缩模量最小,糖精∶加巴喷丁∶正癸酸为42∶33∶25样品和糖精含量为0.01 g的样品压缩模量次之。压缩模量越小,越容易变形。糖精∶加巴喷丁∶正癸酸为47∶23∶25样品的透明层和多孔层的表面能最小,分别为22.2 mJ/m^(2)和16.0 mJ/m^(2)。糖精∶加巴喷丁∶正癸酸为42∶33∶25样品和糖精含量为0.01 g样品的透明层和多孔层的表面能次之,分别为22.7 mJ/m^(2)、22.9 mJ/m^(2)和16.1 mJ/m^(2)、16.5 mJ/m^(2)。表面能越小,疏水性越好,防污性能越好。对样品进行了抗污渍实验和静态抑菌实验,研究表明:和加入单一防污组分的仿生防污涂料相比,将三种防污组分全部加入的仿生防污涂料具有更好的防污效果;加入糖精的样品比加入其它单一防污组分的样品防污效果更好。

锂离子电池生产工艺规范及安全性能检测方法概述

概述了锂离子电池生产工艺规范和安全性能检测方法,包括电芯、电芯模块和电池包的安全检测标准和注意事项。旨在提高锂离子电池产品生产工艺的规范性和安全性,从而提高品质和安全性能。此外,本文还深入解析了车用锂离子电池包的生产规范和安全监测方面的要求,并提供了指导意义,有望促进锂离子电池行业的健康发展。本文将为锂离子电池生产和安全性能提供重要的参考依据,具有较高的实用性和推广价值。

藤蔓结构NiCo-MOF@CNTs复合电极材料制备及性能

超级电容器是一种高性能电化学储能装置,具有功率密度高、循环稳定性强、充放电速率快等特点,在可再生能源存储中发挥重要作用。为提高超级电容器性能,满足日益增长的能源储存需求,利用水热法制备NiCo-MOF@CNTs复合电极材料,通过改变碳纳米管(CNTs)添加量,使复合材料储能特性达到最优。CNTs不仅增加了材料的比表面积和导电性,还与NiCo-MOF形成独特的藤蔓结构,其中NiCo-MOF构成藤蔓的叶片,为电荷存储提供活性位点,而CNTs构成与叶片相连接的茎蔓,将电子源源不断传递至活性中心,改善电化学性能。与未添加CNTs相比,效果最好的NiCo-MOF@CNTs5的比表面积由25.65 m^(2)/g增至44.27 m^(2)/g,平均孔径由37.86 nm降至18.99 nm,孔径分布更有利于电解质离子的扩散与传输;在1 A/g电流密度下,比电容高达1569 F/g,电流密度增至20 A/g时,倍率性能高达74%,高于未加入CNTs的NiCo-MOF电极材料(42.6%)。组装成非对称超级电容器后,在1 A/g电流密度下比电容为194 F/g,电流密度增至20 A/g时比电容仍有147 F/g;在5 A/g电流密度下经5000次充放电循环后,比电容保有率91.2%;在759 W/kg功率密度下的能量密度高达50.63 Wh/kg,功率密度提至17.3 kW/kg仍能实现41.94 Wh/kg高能量密度。

高载量锂硫电池正极设计优化

高载量硫正极是研发高能量密度锂硫电池的必要先决条件。然而,硫载量的提高不可避免地会引起正极导电性不良、多硫化物转化动力学缓慢,穿梭效应加剧等问题。本文从化学工程的角度出发,重点关注高载量硫正极中的传质和反应过程,综述了性能优良的高载量锂硫电池正极设计思路。具体而言,从增强电子传导、改善锂离子传质、优化反应动力学、抑制多硫化物穿梭这四种研究思路出发,对比了不同优化策略之间的优劣性,并提出下一代高硫载量硫正极设计的探索方向。分析表明,基于吸附-催化双重功能的三维高导电正极具有巨大发展前景。从应用层面考虑,本文还关注了高载量正极设计中常被忽视的安全性问题,探讨了削弱正极诱导并从源头降低热失效风险的可行性,旨在为研究人员优化高载量(≥4mg/cm^(2))正极设计方案时提供实用指导。

锂离子电池硅碳复合负极结构的研究进展

锂离子电池具有能量密度高、倍率性能好、循环寿命长、自放电率低等优点,是目前主要的电化学储能设备。商用锂离子电池负极材料为石墨,但石墨的低理论容量限制了锂离子电池性能的进一步提升。硅储量丰富,具有高理论容量和稳定工作电压等特点,是新一代锂离子电池最有前景的负极材料。硅基负极存在体积膨胀效应大、首次库仑效率低、电导率低和固体电解质界面膜不稳定等缺点,导致硅基负极循环稳定性较差,严重阻碍了其实际应用。通过具有良好稳定性和高电导率的碳修饰硅基负极制备硅碳负极能够有效克服上述问题,硅碳负极作为一种高理论容量的材料更有规模化商业前景。本文根据硅碳负极的结构设计,将近年来研究的硅/碳负极材料分为零维-纳米颗粒、一维-纳米线和纳米管、二维-层状结构和三维-微米级球体材料,并对不同结构的硅碳复合负极材料的结构和电化学性能进行了对比讨论。此外,本文还总结了现有硅/碳复合负极设计的进展和局限性,并展望了该领域的工业化前景。

沸石/聚乙烯醇涂覆改性聚丙烯隔膜及其性能研究

为了改善商业聚丙烯(PP)隔膜与电解液浸润性差和热尺寸稳定性不佳的问题,采用浸涂法制备了沸石/聚乙烯醇涂覆PP隔膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、电池测试系统和电化学工作站等表征手段研究了改性隔膜的表面形貌、孔隙率、吸液率、热稳定性以及电化学性能,并与PP隔膜进行了性能对比。结果表明,改性后的PP隔膜孔隙率从38.4%提升到41.2%,吸液率从108.4%增加到181.1%,170℃下的热收缩率从58%降至23%。与PP隔膜相比,改性隔膜的循环性和稳定性得到了提高。界面阻抗从88Ω降为61Ω,离子电导率从0.58 mS/cm增加到0.75 mS/cm。沸石/聚乙烯醇涂层是改善PP隔膜电化学性能和热稳定性的有效方法,能够提高锂电池的循环性和安全性。

基于过期葡萄糖酸亚铁和废锂箔制备高性能LiFePO_(4)/C正极的研究

近几年,锂离子电池的市场需求剧增,导致原材料价格暴涨。为此,分别将过期葡萄糖酸亚铁和废锂箔与H_(3)PO_(4)反应生成Fe_(3)(PO_(4))2/葡萄糖酸钠磷酸酯和Li_(3)PO_(4)粉末,然后采用磷酸铁工艺制备LiFePO_(4)/C纳米颗粒,并研究其储锂性能。研究结果表明,LiFePO_(4)/C正极在1.0C循环300圈后的可逆容量和容量保持率分别高达129.3mAh/g和97.0%,与商业LiFePO_(4)正极材料性能相当,这可能归功于纳米颗粒及碳层之间的协同效应。该研究降低了LiFePO_(4)的制备成本和环境排放。

碳纳米管/聚苯胺复合电极的制备及其性能表征

采用柔性碳布作为复合电极的集流体,将高导电性的碳纳米管(CNTs)通过静电植绒的方式嵌入聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂中,得到具有更大电化学活性表面积的复合结构。然后将所得的材料通过电化学沉积的方式将具有赝电容特性的聚苯胺(PANI)镀在CNTs表面,得到了具有碳纳米管/聚苯胺(CNTs/PANI)两种活性物质的二元复合电极。采用扫描电子显微镜(SEM)对电极材料的结构进行表征。并将其与含有硫酸的聚乙烯醇(PVA)水凝胶电解质组装成具有对称结构的柔性固态超级电容器(SSC),并利用电化学工作站对其电性能进行测试,结果表明:在1 mA/cm^(2)的电流下,具有517 mF/cm^(2)的比容量;经过2500次的循环后,具有79.8%的容量保持率,库伦效率超过97%。该研究表明静电植绒技术可以作为制备高性能电极材料的一种有效途径。