钠离子电池锑基及铋基金属负极材料研究进展

钠离子电池技术因钠资源的储量优势和制造过程中的成本优势引起了广泛关注。以硬碳为代表的碳材料是目前最常用的负极材料,但其较低的理论容量限制了钠离子电池能量密度的提升。锑和铋可通过与钠离子发生可逆的合金化反应实现储钠,具有高理论容量、高稳定性和高电导率,是极具潜力的新型负极材料。但由于不同合金相间的体积差异,锑和铋的钠化/脱钠过程伴随较大的体积膨胀,表现出结构稳定性较差、电极界面膜破坏、电解液持续消耗等问题,限制了产业化应用进程。本文综述了锑基及铋基金属负极材料的储钠机理、改性策略及方法。目前锑基及铋基金属负极材料的改性策略主要有调控结构和构建复合材料两种:通过调控结构策略可以减小颗粒尺寸、调整颗粒形貌,利用纳米效应减小材料应变;通过构建复合材料策略,可以将合金型负极与碳基材料等复合,利用核壳等特殊结构缓冲体积变化。此外,本文以铋锑合金为例对二元合金负极进行了介绍。最后,对复合材料的设计、规模化制造方法的开发、界面特性的研究等未来的研究方向进行了展望。

(1-3x)NBT-2xKBT-xBT系无铅压电陶瓷性能研究R&D

通过XRD分析,发现该体系陶瓷都能形成单一的钙钛矿型固溶体,并在0.025≤x≤0.035范围内具有三方和四方共存结构,为该体系的准同型相界。当x=0.035时,陶瓷的压电常数d33达到150 pC/N,平面机电耦合系数kp达到0.297 7,均高于相应两元体系的压电性能。测定了该体系陶瓷材料的介电常数–温度曲线和电滞回线,发现该体系陶瓷的介电温谱都存在两个介电反常峰,分别对应于陶瓷材料的铁电–反铁电和反铁电–顺电相变。同时,该体系陶瓷具有弛豫铁电体性质。

纳米铋酸钠的合成及其结构表征

采用次氯酸钠浓溶液在强搅拌条件下和强碱性环境中氧化硝酸铋 ,得到纳米铋酸钠晶体 .研究结果表明 ,反应过程中的中间产物氢氧化铋的粒度及分散性能是影响铋酸钠制品的粒度及分散性能的关键因素 .研究了次氯酸钠浓度、硝酸铋浓度和反应时间对纳米铋酸钠制品的粒度和纯度的影响 ,得出了最佳的合成条件 .采用化学分析、TEM、IR、TG-DSC和 XRD等测试手段证实样品的化学组成为 Na Bi O3· 2 H2 O,是粒径为 3 0～ 5 0

Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3基无铅陶瓷的铁电相变和弛豫特性研究进展

综合介绍了Na_(0.5)Bi_(0.5)Ti O_3(sodiumbismuth titanate,NBT)基无铅铁电材料在铁电相变和弛豫特性方面近年来国内外的研究进展。介绍了温度变化对NBT铁电性能的影响以及产生弛豫相变的机理。此外,结合本课题的研究成果,介绍了不同含量BaTi O_3和K_(0.5)Bi_(0.5)Ti O_3及其它化合物取代后对NBT基铁电相变和弛豫特性的影响。指出了在提高压电性能的同时,大幅降低材料铁电反铁电相变,即材料的退极化温度,可能会影响到压电陶瓷材料的使用温度范围。

水热法制备纳米Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3粉体

采用Bi(NO3)3?5H2O、Ti(OC4H9)4为原料,在水热条件下研究了影响Na0.5Bi0.5TiO3(BNT)晶体生长和形成的各个影响因素,诸如:水热反应的温度、时间,NaOH浓度以及原料的种类等.实验结果表明,反应温度在160～180℃,保温时间在4～24 h,NaOH浓度为4～12 mol/L时,能制备出纯净的、立方形的纳米Na0.5Bi0.5TiO3晶体,其颗粒线度尺寸为15～55 nm.若温度低于160℃,Na0.5Bi0.5TiO3结晶程度低;若高于180℃,易形成Bi4Ti3O12.当NaOH浓度低于4 mol/L时,Na0.5Bi0.5TiO3晶相少,主要呈Bi4Ti3O12;当其高于12 mol/L时,产物主要是非晶态物质.

(0.98-x)BNT-xBKT-0.02BZN无铅压电陶瓷的制备及性能研究

采用传统固相烧结法制备(0.98-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xBi1/2K1/2TiO3-0.02Bi(Zn2/3Nb1/3)O3(简称(0.98-x)BNT-xBKT-0.02BZN,其中x=0.1、0.15、0.20、0.25)无铅压电陶瓷,系统研究了不同烧结温度对(0.98-x)BNT-xBKT-0.02BZN陶瓷压电及介电性能的影响。结果表明,压电常数和机电耦合系数都随烧结温度的升高而增大,得出1140℃为最佳烧结温度,其最佳性能如下:d33=43pC/N,Kp=0.2731,ε3T3/ε0=1289.8,tanδ=0.038。

(Zn1／3Nb2／3)^4＋取代的BNT系无铅压电陶瓷性能

采用两步合成工艺,制备了新型Bi1/2Na1/2Ti1–x(Zn1/3Nb2/3)xO3(简称BNTZN—100x)系无铅压电陶瓷。研究了B位复合离子(Zn1/3Nb2/3)4+取代量对BNT陶瓷介电及压电性能的影响。结果表明:当0.005≤x≤0.020时,该体系陶瓷具有三方、四方共存的准同型相界(MPB)结构。在MPB附近,具有较佳的压电性能:当x为0.020时,d33为97pC/N,kt为0.47。εr-t曲线显示该体系材料具有明显的弥散相变特征。具有高kt值,低kp值;kt/kp较大,具有较大的各向异性,是一种适合高频下使用的优良超声换能材料。

[(Na_(0.97-x)K_xLi_(0.03))_(0.5)Bi_(0.5)]TiO_3无铅压电陶瓷的性能研究

采用传统电子陶瓷工艺,制备了多重离子A位复合的、具有钙钛矿结构的新型压电陶瓷材料[(Na0.97-xkxLi0.03)0.5Bi0.5]TiO3(其中x为0.10,0.15,0.20和0.25),研究了该陶瓷的相结构与介电铁电性能。结果表明,随着K+含量的增加,材料的晶粒尺寸明显细化,εr也随之增加,tanδ先降低后增加,其弥散性指数均介于1.7～1.9。在x为0.25时,材料为两相共存结构,其εr峰值达到2353.22,tanδ仅为0.058,d33达到80pC/N,Ec为1.71×103V/mm,表现出优异的介电和压电性能。

Bi基BNT-BKT-BiFeO_3陶瓷的准同型相界和电性能

采用固相反应法,制备了Bi基(1–x–y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3-yBiFeO3(x=0.12～0.24,y=0～0.07)钙钛矿型三元系无铅压电陶瓷,研究了该陶瓷组分与其晶相结构、电性能的关系。结果表明:除x=0.24,y=0.03的组分析出第二相外,其他组分均能形成纯钙钛矿固溶体,陶瓷三方、四方相共存的准同型相界(MPB)组分范围为x=0.18～0.21,y=0～0.05。在MPB附近陶瓷具有较好的压电性能,其d33和kp在x=0.18,y=0.03达到最大值:d33=171pC/N,kp=0.366。

BNT无铅压电陶瓷体系的设计及制备工艺研究

本文采用传统陶瓷工艺,制备得到Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO(3简称BNKLT)无铅压电陶瓷,运用X射线衍射、扫描电子显微镜对其进行了分析表征;通过压电、介电性能的对比,讨论了烧结温度对BNKLT陶瓷的影响;运用热分析及X射线衍射等手段,确定了粉体的热处理温度,并讨论了烧结温度对BNKLT陶瓷性能的影响;通过最终所得陶瓷的性能对比,确定制备的较优工艺参数。

压电陶瓷的应用研究

为适应人们对环保压电陶瓷的迫切需求,分析综合各类压电材料的结构和性能为研究和应用提供理论依据。重点介绍了已引起人们关注的钛酸钡基、铋层状结构、钛酸铋钠基、铌酸盐基无铅压电陶瓷体系的研究现状和应用。在性能方面,这些材料和传统的PZT基压电陶瓷都有各自的特点。目前的无铅压电陶瓷虽然不能完全取代PZT基压电陶瓷,但对其的研究已取得很大进展。

钛酸铋钠基铁电陶瓷的热释电性能研究进展

红外探测技术现已普及多种领域,受到了世界各国的重视。热释电材料作为其核心灵敏元材料之一,已成为近年来电介质物理与材料研究的热点。作为一种典型的铁电材料,钛酸铋钠基陶瓷因其较高的退极化温度与较大的热释电系数受到了广泛的重视。总结了钛酸铋钠基热释电陶瓷的研究现状,归纳了在不同组元中增强热释电效应的手段,并进行了性能比较。结果表明,通过单组元受主掺杂可以获得兼具较高退极化温度与较大热释电系数的无铅陶瓷材料。最后对目前存在的一些问题进行了讨论。

Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-Ba(Al_(0.5)Sb_(0.5))O_3陶瓷的压电、铁电特性及场致应变效应

用普通陶瓷工艺制备了(1–x)Bi_(0.5)Na_(0.5)Ti O_3-x Ba(Al_(0.5)Sb_(0.5))O_3(x=0.03~0.05)压电陶瓷,研究了Ba(Al_(0.5)Sb_(0.5))O_3含量对Bi_(0.5)Na_(0.5)Ti O_3(BNT)压电陶瓷的介电、压电、铁电和场致应变效应的影响。研究表明,随着第二组元Ba(Al_(0.5)Sb_(0.5))O_3含量的增加,该陶瓷经历了从极性态的铁电相向非极性态的非铁电相的转变。在x=0.035组分处,多相共存导致样品具有最大的压电常数d_(33)=99 p C/N,最大的应变S_(max)=0.27%,机电耦合系数k_p=20.1%,k_t=30.4%,等效压电常数d~*_(33)=386 pm/V。

BNT-NiCuZn复合陶瓷磁电性能研究

采用传统电子陶瓷工艺,制备了xBi0.5Na0.5TiO3+(1-x)Ni0.2Cu0.2Zn0.62O(Fe2O3)0.98(BNT-NiCuZn)+3%Bi2O3(0≤x≤60%)复合陶瓷,研究了不同含量BNT对陶瓷微观结构、介电性能和磁性能的影响.X射线衍射结果表明:所有样品只有两相(BNT相和NiCuZn相)未发生明显的化学反应.随BNT含量的增加,介电常数增大,磁导率减小,40%BNT+60%NiCuZn+3%Bi2O3表现出优良的整体性能(εr=86.85,tanδε|1MHz=0.023,μr=33.8,tanδ|1MHz=0.18).预示这一材料可被广泛用于电感、电阻电容.

Bi@C复合材料的合成及储钠性能研究

铋具有较高的容量和适中的工作电压,被认为是一种很有前途的钠离子电池负极材料。然而,在合金/脱合金过程中,其体积变化较大从而导致循环性能较差。铋nanoparticle@carbon(Bi@C)复合材料是通过使用均苯三酸和五水硝酸铋球磨混合后再进行热处理制备得到。该复合材料具有均匀的结构,Bi纳米颗粒嵌入碳框架内。纳米结构保证了快速动力学并且有效缓解了由体积变化引起的应力变化,同时弹性导电碳基质提供了相互连接的电子传输途径。Bi@C复合材料具有出色的钠存储性能,在电流密度为2 A/g,经过1868次循环,获得了303.94 mA·h/g的可逆容量。通过与商业前驱体的进行简单复合,Bi@C表现出优异的性能,这使得该材料在实际大规模应用中非常有前景。

铋基钠离子电池负极材料研究进展

近年来,由于钠与锂相比,有着丰富的储量且成本低的优势,因此在电网储能和分布式储能领域应用广泛。钠离子电池负极材料是钠离子电池的关键组成部分,受到了广泛关注。铋基材料,包含铋金属和含铋化合物负极材料,具有对环境友好、容量高、成本低的优点,是公认具有应用前景的钠离子电池负极材料。然而铋金属负极材料在嵌钠过程中巨大的应变导致的材料粉碎,以及铋化合物低导电性是阻碍其应用的主要障碍。将从铋基负极材料分类、纳米结构构筑、复合策略和电化学性能入手,总结铋基负极材料的研究进展,并详细讨论其电化学性能的改善方法,并对铋基钠离子电池负极材料的发展提出展望。

金属有机框架衍生的Bi/C复合材料作为钠离子电池负极材料的研究

金属铋(Bi)用作钠离子电池的负极材料具有较高的理论比容量和较低的嵌钠电位,但是在钠离子嵌入和脱出的过程中容易发生较为严重的体积膨胀,从而导致循环性能较差。为改善金属Bi负极的循环性能,将其与具有多孔结构的碳复合是一种有效的改善手段。在过去几年中,金属有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)作为一种合成前驱体被广泛应用于各种金属氧化物及多孔碳材料的合成中。合成了一种含铋的金属有机框架材料,并以其为前驱体,再经高温煅烧合成了多孔碳包覆的金属铋复合材料,该复合材料中的碳骨架及其丰富的孔结构能有效缓解Bi在钠离子脱嵌过程中的体积膨胀,从而提高其循环稳定性。