硅包覆碳点基柔性发光太阳能聚光器的制备与性能研究

碳点由于环境友好、经济适用、合成方法简单及光学性能优异而在发光太阳能聚光器领域受到越来越多的关注。然而,碳点与亲水性聚合物波导材料相容作为发光基质时,多数碳点在聚合物中的相容性差,以及亲水聚合物的易脆性等问题严重限制发光太阳能聚光器的实际应用。为了解决这些问题,本文利用3-氨丙基三乙氧基硅烷的水解缩合,与邻苯二甲酸、邻苯二胺共同合成了一种斯托克斯位移为150 nm、量子产率为10.94%,且具有良好分散性和相容性的亮黄色发射硅包覆碳点;同时,以具有良好相容性、高柔韧性的聚二甲基硅氧烷为波导材料,二者结合制备出一系列尺寸为3 cm×3 cm×0.1 cm,不同质量百分比的硅包覆碳点柔性发光太阳能聚光器,其中,性能最佳的太阳能聚光器能量转换效率可达1.05%。这项工作将硅包覆碳点与聚二甲基硅氧烷的优势相结合,对发光太阳能聚光器实际应用有潜在价值。

球型Si基碳包覆锂离子电池负极材料研究进展

硅基材料包括单质硅及其氧化物SiO_(x)(0≤x≤2),具有理论容量高、工作电位低、对环境友好、储量丰富等特点,有望取代石墨成为新一代锂离子电池负极材料。然而,硅基材料在充放电过程中的体积膨胀效应始终不能避免,硅氧化物的低电导率也限制了硅基材料的发展。为解决上述问题,研究人员提出了各种各样的解决方法,其中,在硅基材料表面进行碳包覆的方法具有很广阔的应用前景并被广泛研究。本文先简要介绍了各硅基材料的储锂机理和失效问题,再从最典型的球型结构设计的角度切入,详细介绍了不同的球型碳包覆结构,如核壳结构、蛋黄壳结构、多孔结构等,并讨论了Si基碳包覆负极材料未来商业化的发展趋势和要面对的挑战。

碳包覆空心硅氧化物负极材料的制备及性能研究

以正硅酸四乙酯为硅源、十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂及造孔剂,采用改进的stöber法及碳热还原法制备了碳包覆的介孔空心硅氧化物负极材料。结果表明:乙醇与水体积比变化对SiO_(x)纳米球粒度、形貌及性能有重要影响;乙醇与水体积比小,材料球形度差,呈椭圆形;乙醇与水体积比增大,纳米材料尺寸增加;乙醇与水体积比0.45时所得SiO_(x)纳米球粒径300 nm左右,以该纳米球组装的扣式电池在电流密度100 mA/g下循环200次后可逆比容量为813 mAh/g,在500 mA/g下循环1200次后可逆比容量为704 mAh/g,容量保持率为82%,每次容量衰减率仅0.015%。

碳包覆硅/碳复合材料的制备与性能研究

为提高锂离子电池高容量Si/C复合负极材料的电化学性能,采用喷雾干燥法制备了核壳结构的碳包覆Si/C复合材料。碳包覆Si/C复合材料为近球形颗粒,形貌规整,粒度分布均匀,呈正态分布,其物相结构和嵌脱锂的电化学反应与Si/C复合材料保持一致。碳包覆后,减小了充放电过程中复合材料电极的极化,电压滞后现象得到了显著的改善。碳包覆Si/C复合材料的最大放电比容量为512mAh/g,略低于包覆前的材料,但循环稳定性大大提高,50次循环后的容量保持率为96%。

二次包覆对Si/C复合材料的性能影响

通过液相固化-高温热解法制备硅/碳(Si/C)复合材料,并对其进行二次碳包覆改性。采用XRD、SEM和HRTEM等手段研究材料的物理化学性能。Si/C复合材料由硅、鳞片石墨和酚醛树脂热解碳构成,并采用酚醛树脂作为无定型碳碳源对其进行二次包覆。二次包覆后,复合材料的结构并没有改变,纳米硅和鳞片石墨的衍射峰强度有所减弱,酚醛树脂热解碳的衍射宽峰稍有增强,复合材料表面更加致密均匀。电化学测试结果表明二次包覆后复合材料的首次充放电容量有所下降,但是循环稳定性得到增强。

包覆结构Si/C复合负极材料研究进展

以包覆结构Si/C复合材料作为负极的锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、自放电效率低、循环寿命长等特点。然而,锂在硅中插入/脱出过程的体积膨胀和固体电解质界面膜(SEI)的不稳定性,阻碍了硅的商业化应用。本文通过对近年来新型包覆结构Si/C复合负极材料的构筑方法、电化学性能、比容量和循环性能进行分析和研究,发现包覆结构Si/C复合负极材料不仅可以缓解硅在锂化过程中的体积膨胀和炭层破裂,而且可以有效提高LIBs循环稳定性。因此,Si/C复合材料有望取代石墨成为高容量LIBs的主要负极材料。

米粉作为碳源包覆改性氧化亚硅材料的研究

针对氧化亚硅(SiO)负极材料充放电过程中体积膨胀较大、容量衰减较快的问题,采用米粉作为碳源对SiO进行包覆改性。XRD测试结果表明,SiO和糯米粉包覆改性材料SiO-NM均没有显著的特征峰,为非晶体结构。SiO的首次放电比容量为1980.6 mA·h/g,首次充电比容量为891.2 mA·h/g,首次充放电效率为45.0%;糯米粉包覆改性材料SiO-NM的首次放电比容量为942.9 mA·h/g,首次充电比容量为490.4 mA·h/g,首次充放电效率为52.0%,首次充放电效率显著提升。交流阻抗测试结果表明,SiO-NM的电荷转移阻抗R_(ct)为213.7Ω,显著小于Si的465.4Ω,表明材料的导电性能得到提高。

碳包覆磁性材料Fe_3O_4/C/Pd(0)的合成及其催化性能研究

以单分散的Fe3O4微球(粒径为200 nm)为核,通过水热碳化和原位还原,合成了核壳结构的碳包覆复合材料Fe3O4/C/Pd(0),研究了其催化Suzuki反应的活性及磁分离回收特性。实验结果表明:Fe3O4/C/Pd(0)热稳定性好,可在空气氛围下高效地催化碘代、溴代芳烃与苯硼酸的Suzuki偶联反应。该催化剂还表现了非常好的可循环性,连续使用五次依然能保持很高的催化活性,为进一步拓展碳包覆磁性材料在催化领域的应用积累了经验。

溶剂对硅包覆碳量子点发光的影响研究

以柠檬酸、硫脲和3-氨丙基三乙氧基硅烷为原料,水和乙醇为混合溶剂,通过热解反应合成了一种发光性能优异的固态碳点复合材料。通过调节混合溶剂中水和乙醇的体积比,发现所制备复合材料的形貌和结构大相径庭,这从根本上决定了材料的发光性能。当水和乙醇体积比为3∶7时,固态复合物发光性能最佳,发射出541nm绿光和51%的荧光量子产率。将该固态发光材料用于构建白光发光二极管,获得了CIE坐标(0.34,0.33)、显色指数94和色温5039K的优异光度学指标参数,为该材料应用于照明领域奠定了坚实的基础。

MoO2/C共包覆Si/石墨复合锂离子电池负极材料的研究

采用溶胶-凝胶法,用二氧化钼(MoO2)和C共同包覆Si/石墨粒子制备了Si/石墨/MoO2/C锂离子电池负极材料.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)等分析了材料的形貌和性质.结果表明,MoO2/C的共包覆在缓解材料体积膨胀的同时提高了材料的电子和离子电导率,进而提高了材料的电化学性能.复合材料的首次充电比容量为2494mA·h/g,首次库仑效率为72%,经过100次循环后比容量为636.6mA·h/g.

应力对锂离子电池中空碳包覆硅负极电化学性能的影响

针对锂离子电池硅及其复合电极材料,采用Cahn-Hilliard型扩散方程与有限变形理论全耦合的电化学-力模型来描述其在循环锂化过程中的扩散和力学相关性问题,构造高效的数值算法,在商用有限元软件平台上实现对该理论的数值求解.在此基础上,研究了硅电极恒流锂化和脱锂过程,基于界面反应动力学,得到电压响应曲线,计算结果整体趋势与实验结果吻合较好,同时预测的应力响应也与实验结果一致,验证了本方法的有效性.其次,研究了中空碳包覆硅负极锂化过程中的电化学与力学行为,计算结果表明,锂化期间中空碳包覆硅负极应力水平明显低于实心硅负极,随锂化的进行,应力差值越来越大,锂化结束时应力值降低约27%,这种应力的缓解提高了整个电极内化学势水平,使得锂离子浓度水平显著提高,更易达到完全锂化状态.同时,数值研究表明应力水平的缓解延缓了中空碳包覆硅负极的容量衰减(容量提升74%),充分显示出该电极良好的电化学性能.本研究揭示了应力对硅复合电极容量影响的作用机制,为将连续介质电化学-力耦合理论应用于实验预测提供了途径并为电极材料设计提供了理论依据.

激光拉曼光谱对LiFePO_4/C正极材料包覆碳结构的研究

利用激光拉曼光谱对LiFePO4/C锂离子正极材料碳外壳的石墨化程度进行了研究,对不同碳源合成的样品进行激光拉曼光谱比较,并结合X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、选区电子衍射、电阻率测试等多种检测手段,对材料的性质结构和形貌进行了研究。结果发现,相比对应sp3杂化峰和sp2杂化峰的峰面积比,对应非等向性sp2杂化峰和对应规则sp2杂化峰的ID/IG分布更加均匀,其显示的石墨化程度与材料导电性在一定程度上有相似规律,但同一材料的拉曼光谱信号因受碳包覆均匀性的影响出现较大差别,且相对于单独用柠檬酸或蔗糖做碳源的样品,利用两者混合物做碳源的样品的ID/IG值和sp3杂化峰和sp2杂化峰的峰面积比值均较高。在扫描电镜和透射电镜图中,可以观察到二次和一次颗粒包覆不均匀的现象,这有可能是导致同个样品中不同点数据不均匀的原因。但是较大的离散性还是影响了拉曼光谱在此类检测中的客观准确性。

LiFePO_4/C复合材料制备过程中碳源及碳包覆方法的研究进展

LiFePO4以其价格低廉、稳定性好、循环性能好和无毒等优点,有望成为下一代锂离子电池的正极材料,但是LiFePO4电导率低和锂离子扩散系数小限制了它的实用化。碳包覆作为一种非常有效的导电改性方法,受到极大关注。在碳包覆中采用不同的碳源和不同的碳包覆方法,对LiFePO4的电化学性能影响不同。结合国内外的研究现状,综述了LiFePO4/C复合材料制备过程中不同碳源以及不同的碳包覆方法对其电化学性能影响的研究进展。

MOF衍生碳包覆硅纳米颗粒限制于石墨烯复合负极材料的制备及性能研究

采用原位生长法设计并合成了MOF衍生碳包覆硅纳米颗粒限制于石墨烯的复合材料(Si/C@G),并应用于锂离子电池负极材料,该材料结构有效缓解硅基负极材料充放电过程的体积变化,促进了稳定的固态电解质中间相层的形成,提高了电极材料的电导率。Si/C@G负极材料在电流密度500 mA/g时经100次循环可逆比容量仍有1081.2 mAh/g;在电流密度5.0 A/g时其可逆容量达到949.6 mAh/g。Si/C@G负极在1.0 A/g的恒电流密度下循环500次后可逆比容量可保持在677.2 mAh/g左右,库仑效率可达99.84%,表现出良好的循环稳定性。

双层碳包覆SiO_(x)负极材料及其电化学性能研究

为了解决氧化亚硅负极材料导电率低及循环性能差的问题,以聚丙烯酰胺(PAM)为液相碳源进行一次碳包覆,再通过化学气相沉积以甲烷混乙炔为气相碳源进行二次包覆,制备了具有含氮碳层的双层包覆氧化亚硅负极材料(SiO_(x)@DC-N)。与纯气相包覆(SiO_(x)@GC)以及纯液相包覆(SiO_(x)@LC)的氧化亚硅负极材料相比,SiO_(x)@DC-N展现出优异的倍率性能与循环性能,在4C(1C=1500 mA/g)的电流密度下比容量达850.1 mAh/g,以5∶95混合石墨后制成18650圆柱电池,其在电流密度1C充放电700圈循环后容量保持率仍有92.70%。

氮掺杂碳包覆多孔硅微球的制备及电化学性能

以铝硅合金(AlSi)粉末为原料,采用脱合金法获得多孔硅(porous silicon,P-Si)微球。再采用原位化学聚合法在P-Si微球表面包覆聚吡咯(PPy),得到PPy包覆的P-Si微球(P-Si@PPy),最后将P-Si@PPy置于Ar气氛中在800℃下煅烧3 h得到氮掺杂碳包覆多孔硅(nitrogen-doped carbon-coated porous silicon,P-Si@NC)微球。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)以及电化学测试等手段对材料的形貌、结构及电化学性能进行表征。结果表明,多孔硅微球直径在1μm左右,氮掺杂碳层的厚度约为18 nm。将P-Si@NC复合材料应用于锂离子电池负极,在0.1 A/g电流密度下首次放电比容量高达2609.2 mAh/g,首次库伦效率达87.52%,充放电循环50次后放电比容量仍能达到1574.8 mAh/g,展示出优异的电化学性能。P-Si@NC微球的多孔结构为嵌/脱锂过程中硅的膨胀/收缩提供了缓冲空间,氮掺杂碳层既作为保护层维持颗粒的完整性,又加速了锂离子和电子转移。

一种分散在多孔碳上的碳包覆硅负极的制备及应用

硅负极具有高比容量的显著优势,其理论比容量(4200 mA·h/g)达到传统石墨负极的10倍以上,被认为是锂离子电池最有潜力的负极之一。然而,硅负极存在导电性较差、充放电过程中体积膨胀巨大等诸多问题,导致其循环性能较差,限制了大规模实际应用。本文提供了一种高性能硅负极的制备方法及应用,通过将硅负极分散在多级孔碳中,连同黏结剂聚丙烯腈涂覆在集流体上,再对极片进行热处理实现聚丙烯腈碳包覆,有效提高电极的整体导电性并能为巨大的体积变化提供空间,从而提升硅负极的大倍率性能和循环稳定性。

氮掺杂碳包覆rGO-纳米硅的制备及电化学性能

通过静电自组装法,将自带负电的石墨烯与用正电荷修饰过的纳米硅进行自组装,再利用多巴胺的黏接特性对复合材料进行氮掺杂碳包覆得到复合材料Si/rGO@CN.通过改变多巴胺的浓度和聚合时间,研究了不同厚度的氮掺杂碳层对复合材料电化学性能的影响.结果显示,当氮掺杂碳的含量(质量分数)为23.6%时,复合材料表现出优异的电化学性能.在0.2 A/g电流密度下循环200次后容量为943.4 mA·h/g;在1.0 A/g电流密度下的长循环性能测试中,发现其经300次循环后容量仍然保持在753.8 mA·h/g.氮掺杂碳层的均匀连续包覆不仅可以避免硅与电解液的直接接触,还可以缓冲硅纳米材料在脱嵌锂时产生的体积膨胀,维持材料结构的稳定性,而石墨烯的存在提高了复合材料的导电性.

碳包覆硅/石墨复合材料的制备及其电化学性能

本文以工业硅粉(600目)为原料,通过高能球磨和热解包碳方法制备了碳包覆纳米硅,在此基础上采用简单的机械球磨方法制备了碳包覆/石墨复合材料,并系统研究了碳包覆量及硅/石墨比例对碳包覆硅/石墨复合材料电化学性能的影响.与商业纳米硅粉/石墨复合材料相比,工业硅粉/石墨复合材料的循环性能及倍率性能均得到改善.通过高能球磨和热处理法得到的碳包覆材料为无定形碳和晶态硅材料的复合,所获碳包覆硅材料一次颗粒的粒径在100～200 nm左右.碳包覆量对材料的电化学性能有着重要影响,Si/C-2-1复合材料表现出高的可逆比容量、良好的倍率性能和循环稳定性,在0.1C倍率下,可逆比容量高达492.6 mA h·g^(-1),循环100周后容量保持率达85.8%,1C电流密度下放电比容量达369.7 mAh·g^(-1),为0.1C的73.9%.提高碳包覆硅/石墨复合材料中硅含量的比例可以提升其比容量,当硅含量达到20%时,Si/C-2-3复合材料在0.1C倍率下可逆比容量达到600.4 mAh·g^(-1),但材料循环性能有所下降,说明石墨在稳定硅/碳复合材料循环性能方面发挥着非常重要的作用.

PVP包覆对SiC复合材料结构及电化学性能影响

以PVP为有机包覆碳源,采用超声液相分散法制备具有高容量、高首效SiC复合材料。重点研究了PVP包覆比例对SiC复合材料结构及电化学性能影响。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对复合材料物相组成和结构形貌进行表征。结果表明PVP包覆比例为3%时,得到的SiC复合材料具有最优电化学性能。以100 mA/g进行充放电,比容量达529 mAh/g,首次充放电效率88.5%,循环50周容量保持率92%。搭配三元正极材料(NCM)组装2 Ah软包全电池性能测试,电池容量发挥为1.94 Ah,0.5 C下循环100周容量保持率为94.6%,表现出优异的循环稳定性。