钠离子电池的储能机制与性能提升策略

钠离子电池因丰富的原材料储量、低廉可控的成本和生产线转换优势而在储能方面有广阔前景。钠离子电池通过电能和化学能的相互转化完成充放电,电池单体的材料性能和制备技术需符合储能发展要求。目前,开发高能量密度、低成本、高安全性为一体的储能系统是新型储能建设重点。本文从钠离子电池储能机制入手,分析钠离子电池的正极、负极、电解质、隔膜等部件的作用机理,整理前沿相关研究和应用进展,提出电池储能性能提升方法,旨在优化钠离子电池储能应用的技术路线,积累电化学储能领域的全新经验。

过渡金属离子掺杂聚苯胺的合成及其储能机制的研究

采用化学氧化法制备了H^+分别与Co^(2+)、Fe^(3+)和Zn^(2+)共掺杂聚苯胺(PANI),即PHCo、PHFe和PHZn。结果表明:过渡金属离子可以促进PANI生成须状"触角"并伴有疏松的空隙结构。在0.2A/g下,PHCo、PHFe和PHZn的比电容分别可以达到354、355和333F/g,经1000次循环后,仍分别保留81.9%、83.5%和78.9%的初始比电容。3种过渡金属离子均可有效促进PANI体相发生苯式-醌式结构的交替转变,利用体相转变产生的氧化还原反应储存能量,其中,Co^(2+)的促进作用最显著。

MXenes系储能材料的先进制备手段与储能机制综述

二维层状过渡金属碳化物(氮化物)MXenes以其独特的物理和化学性能成为新型储能器件电极材料的重要候选材料,目前研究最广泛的MXenes材料为美国Drexel大学Gogotsi课题组于2011年以MAX相陶瓷材料Ti_(3)AlC_(2)为前驱体制备的Ti_(3)C_(2)T_(x)。结合本课题组对Ti_(3)C_(2)T_(x)/SnO_(2)复合材料储锂性能的探索,本文综述了近年来二维与三维MXenes作为储能材料的新型制备手段,分析了三维MXenes及复合体系的储能优势,然后总结了目前比较主流的MXenes能量存储机制。大量资料表明:目前主要以HF或者LiF+HCl作为刻蚀剂,制备手风琴结构或类黏土结构的二维MXenes,采用不同改性手段减少二维MXenes纳米片重复堆积、形成良好对齐的交替排列结构是提高其电化学性能的有效策略;而制备三维体系的MXenes及复合材料则主要使用模板法,此类结构除了可抑制纳米片叠合之外,还有丰富的通道,有利于电解质的快速扩散与载流子的快速传输,再加上MXenes优异的电导率(约10^(5) S/cm)、低的锂离子扩散能垒以及独特的金属离子吸附特性,使其能够成为理想的活性材料或电极。最后,本文对MXenes系储能材料的未来机遇和挑战进行了简要的展望。

三维花状MoS_2锌离子电池正极材料的设计构筑及其储能机制研究

采用水热法设计构筑三维花状二硫化钼，并利用XRD、SEM、RAMAN、TG等测试方法对产物的结构和形貌进行了表征，进而作为正极材料组装成锌离子电池并对其进行电化学测试分析，在充放电电压区间为0．2-1．2V、电流密度为1．0A／g条件下，首次放电比容量可达63．9mAh／g，100次循环后其放电比容量保持在53．6mAh／g，容量保持率为83．9％。较高的比容量和循环稳定性使MoS2成为有前景的锌离子电池正极材料之一。

石墨烯/二氧化锰复合材料的储能机制及其电化学性能

超级电容器因具有高功率密度、长使用寿命等优点备受关注,而电极材料是决定其电化学性能的主要因素。以氧化石墨烯(GO)为碳源,H_(2)O_(2)和KMnO_(4)为MnO_(2)的前驱体,通过一步水热法制备了石墨烯/二氧化锰复合材料(RGO/MnO_(2))。采用XRD、Raman和SEM对复合材料进行微观结构表征。结果表明,复合材料中球状MnO_(2)分布于RGO片层上。分析了RGO/MnO_(2)的储能机制,证明其储能过程主要是受表面电容控制。在5 mV·s^(−1)时,表面电容占总电容的86.2%,当扫速增加到200 mV·s^(−1)时,表面电容可以占到总电容的97.3%。为提高器件的能量密度,以RGO/MnO_(2)为正极、RGO为负极,组装了RGO/MnO_(2)//RGO非对称超级电容器(ASC)。在功率密度为100 W·kg^(−1)时,其能量密度高达72.8 W·h·kg^(−1)。

基于有机电极材料的低温电池研究进展

基于无机嵌入化合物电极材料的锂离子电池在低温(<-20℃)下会失去大部分容量,限制了其在电动汽车、航空航天和国防等关键领域的应用。与传统的无机嵌入化合物电极材料相比,具有氧化还原活性基团的有机电极材料通常表现出较快的电极反应动力学、较强的载流子适应性和优异的低温性能。同时,有机电极材料具有结构可设计性强、资源丰富、环境友好等优点,近年来在二次电池研究领域中受到了广泛关注。本文主要介绍了基于有机电极材料的低温电池体系的研究进展,根据不同氧化还原反应机理对有机电极材料进行了分类,阐述了有机电极材料的储能机制及其特点,结合近几年国内外研究介绍了有机物金属(离子)、非金属离子电池,有机物双离子电池等几类典型的低温有机物电池体系,分析了不同工作机理的有机电极材料在低温下的电化学行为,最后总结了有机电极材料在低温电池中的应用前景和挑战,旨在为未来低温有机物电池中有机电极材料的设计及其与电解液的适配性提供指导。

原位透射电镜技术在电化学储能领域的研究进展

理解电极材料的微观电化学行为、微观结构演变和反应机理,对开发高性能电化学储能材料具有重要意义,并有望为优化高性能电化学储能器件的设计提供帮助。在透射电子显微镜(TEM)中构建微型电池,可以直接观察在电池工作状态下电极材料的形貌、成分和微观结构演变,从动力学角度理解电极材料转化和存储的过程和机制,构建电极材料微观结构-宏观性能的构效关系。综述了近年来利用原位TEM研究锂离子电池重要电极材料、锂硫电池和锂-空气电池的最新研究进展,讨论并展望了原位TEM技术在电化学储能领域的未来发展趋势。原位TEM技术对于研究理解在电池工作状态下电极材料的电化学反应行为和机理具有重要的价值,对于深入理解电池失效过程和设计高性能电池具有重要的指导意义。

新型过渡金属草酸盐储锂机制和性能改进研究进展

过渡金属草酸盐基于其高比容量、优异的倍率性能、简单的制备工艺和丰富的资源等优势,在高能量锂离子电池储能领域拥有巨大的应用潜力。然而由于其较低的电子电导率和Li+迁移速率,在循环过程中会形成大量电化学反应活性较低的金属纳米粒子和聚合物,引起更高的不可逆容量,并且不稳定的层状结构会造成颗粒的破裂,导致电池的循环寿命较差。此外,过渡金属草酸盐特殊的热力学特性,导致获得100%失结晶水材料更加困难。本文综述了过渡金属草酸盐材料的晶体结构特征,基于对储锂过程中材料转换过程的理解和界面特性等机理研究并结合材料面临的主要挑战,深入分析了近年来在形貌微纳结构调控和增强产物反应活性等方面的改性策略及其作用机理,为推动高能量密度过渡金属草酸盐基负极材料在锂离子电池方面的基础科学研究和商业化应用提供借鉴参考。

水系锌离子电池MnO_(2)正极的3D打印

为了解决MnO_(2)正极在水系锌离子电池中循环稳定性差及离子运输缓慢等问题,采用直写成型技术制备高精度定制的3D打印MnO_(2)正极。流变测试表明,打印墨水表现出剪切变稀行为,存储模量平台值高达10^(5) Pa。SEM图像显示,100次循环后该定制网-层状结构保持完整。具有良好力学强度的3D结构有利于降低电极内残余应力,同时提供更大的比表面积。所得的3D打印正极在50 m A/g的电流密度下循环110次后,比容量为对照传统2D电极的4倍。采用多种非原位技术系统研究了3D打印电池的可逆Mn^(2+)/Mn^(4+)双氧化还原储能机制。

水系锌离子电容器正极材料的研究进展

随着智能电子产品和电动汽车的普及,人们对高效率储能装置的需求日益迫切。锌离子电容器(ZICs)结合超级电容器和锌离子电池的储能机制,可以在兼顾功率密度的同时提供理想的能量密度,成为当前最具有发展前景的电化学储能装置之一。与锂离子电池相比,ZICs具有低成本、高安全性和高理论容量等优势。但是它的发展尚且处于初期阶段,低电容量和容量衰减等问题严重阻碍其工业化进程,因此对于电极材料的开发和储能机制的探究仍旧是当前研究的热点。正极材料作为该装置的核心部件之一,其组织形貌和性能对器件综合电化学性能有着至关重要的作用。本文阐述了多孔碳材料、结构碳材料、过渡金属氧化物和MXenes作为正极材料当前的研究进展,介绍了材料的制备方法和结构设计,着重分析储能机制和电化学行为,以及对性能衰减的原因进行了讨论。最后,对正极材料当前所面临的挑战及未来的发展进行了展望。

冲击荷载作用下滤波混凝土的动态响应与层裂损伤数值研究

借鉴局域共振材料的工作机制,通过在混凝土基体中嵌入滤波单元,设计出具有应力波衰减特性的滤波混凝土。通过将滤波混凝土结构简化为质量弹簧力学系统来分析滤波混凝土对应力波的衰减机制。采用数值模拟方法,对比研究了冲击荷载作用下普通混凝土模型和滤波混凝土模型中应力波的传播特性和层裂破坏模式。通过参数分析,研究了滤波单元的材料和几何属性对其储能效果的影响。研究结果表明:滤波单元有效降低了混凝土基体中应力波的传播速度和应力峰值;滤波单元的储能机制有效降低了混凝土基体中的能量;金属球的质量越大,滤波单元的储能效果越好,但弹性层的弹性模量和厚度需要通过适当分析进行设计以实现滤波单元的储能最大化;滤波混凝土基体的局部损伤耗散了荷载中的大量能量,有效降低了结构自由面附近的破坏程度。

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼具锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景,但其产业化仍存在一系列的器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等基础及工艺方面的问题.本文结合作者课题组的研究工作,介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,并提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.

水系锌离子电池研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)因其良好的电化学性能以及安全、实用等优点,在未来大规模储能技术领域具有良好发展前景。综述了AZIBs材料方面的研究与发展现状,介绍了AZIBs的储能机制,重点对MnO_(2)、VO_(2)、V_(2)O_(5)阴极材料和锌金属阳极材料进行论述分析;同时对AZIBs结构中的缺陷进行总结讨论,并提出相应的改进策略;最后,提出AZIBs未来发展方向,期望能够激发更多的创新研究以推动其发展与实际应用。

水系锌离子电池用钒基正极材料的研究进展

水系锌离子电池(aqueous zinc-ion batteries,AZIBs)具有高安全性、低生产成本、锌资源丰富和环境友好等优点,被认为是未来大规模储能系统中极具发展前景的储能装置。目前,AZIBs的研究关键之一在于开发具有稳定结构和高容量的锌离子可脱嵌正极材料。钒基化合物用作AZIBs正极时,表现出可逆容量高和结构丰富可变等特点,受到了广泛的关注和研究。然而,钒基化合物的储锌机理较复杂,不同材料通常表现出各异的电化学性能和储能机理。在本综述中,我们全面地阐述了钒基化合物的储能机制,并探讨了钒基材料在水系锌离子电池中的应用和发展近况,以及它们的性能优化策略。在此基础上,也进一步地展望了水系锌离子电池及其钒基正极材料的发展方向。

聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及其在超级电容器电极材料中的应用进展

简要介绍了超级电容器的分类和储能机制,重点介绍了聚苯胺/石墨烯复合材料的制备方法和特点,以及其在超级电容器电极材料中的应用进展,展望了聚苯胺/石墨烯复合材料的未来发展方向,指出其具有极大的发展潜力。

炭基锂离子电容器负极预嵌锂技术研究进展

锂离子电容器属于非对称型超级电容器,通常由电池型负极和电容型正极共同置于有机锂盐溶液中组装而成,兼具超级电容器的高功率特性和锂离子电池的高能量密度,在智能电网、轨道交通、新能源汽车等多个领域具有广阔的应用前景。炭材料由于来源广泛、价格低廉、性能稳定,是锂离子电容器的首选电极材料。因此,炭基锂离子电容器具有竞争性的产业化前景。负极预嵌锂技术对于炭基锂离子电容器的电化学性能具有决定性影响。本文从锂源引入位置的角度,系统回顾了锂离子电容器负极预嵌锂技术的进展情况,并就负极预嵌锂过程中的关键控制因素做了梳理,有助于全面了解负极预嵌锂技术的研究现状,为锂离子电容器的进一步发展提供科学参考。

关于水系锌离子电池中无氧钒基正极材料的综述

水系锌离子电池具有功率密度高、环境友好、安全性高、低成本和锌资源丰富等优点,被认为具有潜力成为下一代电化学储能系统。然而,正极材料较差的电化学性能制约了水系锌离子电池的未来发展。尽管氧化锰、氧化钒、普鲁士蓝类似物、有机材料等多种材料已被广泛研究,设计具有高性能的理想正极材料仍面临着巨大挑战。无氧钒基化合物由于具有高的电导率、大的层间距、低的离子扩散势垒和高的理论比容量,受到越来越多的关注。本文总结了无氧钒基化合物的研究进展,包括电极材料的设计、改善其电化学性能的有效途径以及复杂的储能机制,提出了无氧钒基化合物目前面临的挑战和未来的发展前景,为进一步制备新型高性能钒基正极材料提供指导。

面向统一能源系统的氢能规划框架

统一能源系统该如何考虑新能源随机性对供能可靠性的影响,利用多能互补与季节性储能技术,提高能源利用率,确保中长时间尺度上电/热/气/油化产品的可靠供应。首先,提出氢能系统的基本结构(电制氢–储氢–氢转X)及其支撑统一能源系统的运行模式。其次,提出季节性氢储能规划框架,根据季节性氢储能的关键特征,建立其运行分析与能量调控模型;考虑统一能源系统对储能功能的不同需求,建立储能互补机制,以短时储能调节时间的上限作为季节性储能能量调节的时间分辨率,基于此提出季节性氢储能的配置方法,确保季节性氢储能配置后系统无长时能量缺失;再对季节性氢储能规划方案进行综合评估。最后,在统一能源系统背景下,验证所提氢能规划框架的有效性。

超级电容器电解液的离子调控

与二次电池相比,超级电容器具有充/放电速度快、功率密度高和循环寿命长的特点,但实际应用受限于较低的能量密度.电解液作为超级电容器的重要组成部分,对其进行设计开发有助于推动超级电容器以性能和功能为导向的应用.本文从电解液离子调控的角度出发,讨论了超级电容器的储能机制阐释、电化学性能提升和新颖功能开发.首先讨论了电解液离子对双电层电容材料和赝电容材料电化学行为的影响.接着从工作电压和比容量角度讨论了提升超级电容器能量密度的策略,包括拓宽电解液的电化学稳定窗口、充分利用有效电压范围、合理匹配离子尺寸与材料结构、引入额外法拉第贡献,以及促进溶剂化离子的体相传输和界面去溶剂化动力学等.然后,介绍了功能型超级电容器,重点讨论了超级电容器二极管的研究进展.最后,提出了我们对该领域当前挑战和未来方向的看法.

赝电容的起源和本体相赝电容的实现

因兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命,赝电容材料引领了近年来超级电容器的发展。然而,赝电容材料仍面临着储能机制认知不足、未来发展方向模糊等挑战。本文基于国家自然科学基金重点项目“高能量/高功率电池型超级电容器-离子插层储能的电极材料构筑”的部分研究成果以及最新的文献报道,以典型赝电容材料为纲,简要回顾赝电容材料发展历史、重点讨论赝电容材料的储能机制、指出其储能机制中亟待厘清的问题。并在此基础上,提出赝电容材料未来发展的新思路-本体相赝电容,讨论了实现本体相赝电容的关键着力点和初步策略。