生物质黏结剂在锂/钠离子电池中的研究进展

生物质材料是由生命体衍生得到的材料,具有可再生、可降解的特征,而且其结构中富含多种活性基团,能与电极活性材料产生氢键、离子-偶极和化学键等强相互作用。传统的油溶性黏结剂因活性基团缺乏、使用有机溶剂等特点,不利于电池综合性能和绿色发展,而采用生物质黏结剂是一种实现高循环性能、抗容量衰减的有效手段之一。该文综述了生物质黏结剂的分类及特点、与活性材料之间的作用机理,重点介绍和总结了生物质黏结剂在锂离子电池和钠离子电池中的应用,并展望生物质黏结剂在电化学领域的发展方向。未来的研究仍应集中于对天然生物质进行改性,使其兼具良好的黏附性、分散性、导电性和自愈性,以便更好地利用生物质材料的结构特性和功能特性。

基于特征选择的LightGBM算法预测钠离子电池剩余寿命

钠离子电池剩余使用寿命(RUL)的准确预测对于可再生能源系统中的大规模储能设备具有重要意义.提出了一种基于特征选择的LightGBM方法来预测钠离子电池的剩余使用寿命.通过结合Pearson相关系数和灰色关联度,选择了四个与电池寿命高度相关且不同特征之间自相关程度较低的最佳特征.采用LightGBM模型,并结合网格搜索(GridSearchCV)算法对其超参数进行优化,以达到最佳的预测性能.通过钠离子电池数据验证了预测模型的优越性,并与使用GridSearchCV算法的GBRD和RF模型在相同条件下进行比较.结果表明,该方法能够显著加快模型运算速度,并相比传统算法具有更高的可靠性和更好的预测性能,预测的最大MAE、MSE、RMSE分别不超过3.0、17.7、4.2.

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。

钠离子电池用生物质基硬碳的研究进展

生物质基硬碳具有原材料资源丰富、可持续、成本低和储钠容量高等特点,是钠离子电池的理想负极材料。生物质基硬碳材料的微结构是决定钠离子存储性能的关键。本综述回顾了硬碳负极对钠离子存储机理的研究现状。从生物质原料的角度,分类总结了高性能生物质基硬碳材料的制备方法。探讨了生物质基硬碳结构的调控与钠离子存储性能提升的关系,对钠离子电池用生物质基硬碳负极材料的研究方向进行了展望。

数据驱动的钠离子电池健康状态评估方法研究

钠离子电池健康状态估计是其安全高效应用的基础,也是钠电池规模化储能应用的关键。然而,钠离子电池即用即衰,衰退机理不明晰,老化过程受工况和场景影响,准确的健康状态估计极其困难。为此,提出了数据驱动的钠离子电池健康状态估计方法,探究了钠离子电池的充电数据与容量衰退的映射关系,提出了结合方差筛选、灰色关联分析和递归特征消除的特征选择方法,应用多元线性回归、支持向量机、高斯过程回归和误差反向传播神经网络4类机器学习方法估计钠离子电池的健康状态。验证结果表明,4类方法的健康状态估计均方根误差小于1.6%,其中高斯过程回归的误差小于0.8%,实现了钠离子电池健康状态精准估计。

提高硬碳材料钠离子电池首次库仑效率的研究进展

钠离子电池(SIBs),得益于钠资源的高丰度、分布均匀、较低的成本、优异的低温性能和快充特性等优势,被认为是潜力巨大的大规模储能技术。SIBs的电化学性能很大程度上由电极材料决定,在负极材料中,硬碳(HC)材料由于具有较低的氧化/还原电势、合适的比容量、对环境友好、制造方法简单以及来源广泛等优势,被认为是目前最为理想的SIBs负极材料。然而,HC作为负极材料的SIBs首次库仑效率(ICE)的不足导致在全电池中阴极的钠被过度消耗,因而严重限制了HC在SIBs的实际应用。因此,结合导致硬碳材料ICE较低的关键科学问题,本文总结、分析了提高SIBs硬碳负极材料ICE的研究进展,包括调节热解温度、减少缺陷、孔隙调控以及金属原子催化调控碳层这4种方式。并简要介绍了硬碳材料的碳层间距、缺陷以及孔隙这3个基本结构,以及不同的结构影响钠离子储存行为的最新研究进展,论述了不同类型HC负极材料的设计思路及其商业化进展,最后分析探讨了SIBs硬碳负极材料的发展方向。

普鲁士蓝类钠离子电池正极材料导电性研究进展

发展具有快充性能(即超高倍率性能)的钠离子电池是目前储能领域研究的重点和热点。普鲁士蓝及其类似物(PBAs)具有有利于钠离子储存和扩散的开放式三维骨架结构,已经被证明作为钠离子电池正极材料具有巨大的潜力。然而,目前所制备的PBAs大多数存在结构缺陷和结晶水,以及其本身较差的电子电导率,导致其倍率性能不理想。本文针对PBAs导电性差的问题,从离子导电和电子导电两个方面进行讨论,首先分析了PBAs中结构缺陷以及结晶水的存在对离子导电的影响以及其本身价键结构对电子电导的影响。综述了近期对于提高PBAs导电性的相关研究:①改变晶体结构,通过减少PBAs晶体内部缺陷及结晶水,从而降低钠离子迁移距离及减少阻碍;②设计特殊的PBAs晶体结构,能有效减少钠离子传输路径;③采用复合导电材料,能构建新的电子运输途径。最后对提高PBAs导电性的三种策略进行了总结和展望,指出应该在优化PBAs结构的基础上,复合导电材料,同时增强离子电导和电子电导,以期达到最佳的倍率性能。

钠离子电池沥青基碳负极材料制备技术研究进展

当前钠离子电池作为新型储能技术在新能源领域被寄予厚望,其中碳负极作为钠离子电池关键组成之一,其材料制备、储钠机制研究和综合性能提升颇具挑战。沥青基前体具有低成本、高碳含量、高碳收率等优势,被认为是合成碳负极的潜在碳源。然而沥青基碳源直接高温热解碳化将产生高石墨化的碳,碳层间距小,致使其储钠容量相对较低。近年来,陆续提出了沥青改性、结构设计、表面修饰、碳复合等策略来解决碳化过程中易石墨化和重排的难题,所得碳负极储钠性能得到显著提升。本综述详细归纳总结了当前以沥青为碳源制备碳负极材料的相关技术研究进展,讨论了沥青衍生钠电碳负极未来面临的问题和研究重点,期望为高性能碳负极材料的制备提供参考。

Cu掺杂P2型Na_(0.67)Ni_(0.33)Mn_(0.67)O_(2)钠离子电池正极材料的制备与性能

通过溶胶-凝胶法制备了一系列形貌规则、表面光滑的Cu掺杂层状P2型Na_(0.67)Ni_(0.33-x)Cu_(x)Mn_(0.67)O_(2)(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25)。采用SEM、XRD、EDS、XPS对材料进行了形貌、结构和成分表征。将材料用作钠离子电池正极材料,采用循环伏安法、恒流充放电法研究了其电化学性能,获得了最佳掺杂比例。研究发现,掺杂未改变材料的层状结构和形貌,通过Cu掺杂引入了高电化学活性的Cu^(2+)作为取代基,增加材料的表面活性储钠位点,材料表现出良好的循环稳定性和倍率性能。在2.0~4.3 V的电压范围和0.1 C的倍率下,Cu掺杂比例x=0.15时Na_(0.67)Ni_(0.18)Cu_(0.15)Mn_(0.67)O_(2)的初始放电比容量为126.74 mAh/g,100次循环后容量保持率为79.10%,与未掺杂材料相比提高了50.92%。材料电化学性能的增强可归因于Cu^(2+)插入过渡金属层,由于Cu^(2+)(0.73A)的半径大于Ni^(2+)(0.69A),过渡金属层间距扩大,为Na+扩散提供了通道,进而提高了Na+扩散速率。当充电到高压时可抑制Na+脱/嵌过程中Na^(+)空位的产生,从而稳定材料的晶体结构并抑制材料发生P2-O2相变,提高了材料的循环稳定性。

哌啶基离子液体在钠离子电池中的高温性能研究

传统碳酸酯类电解液与钠离子电池硬碳负极相容性较差,选择合适的电解液添加剂是提升硬碳电极电化学性能行之有效的方法。研究合成了含烯丁基的哌啶离子液体(pp14),并以不同比例添加至基础电解液中,探究哌啶基离子液体在高温下对硬碳负极电化学性能的影响。结果表明,含15%体积比的pp14电解液可以有效提升HC电极的高温电化学稳定性及倍率性能,其优异的电化学性能归因于循环时形成了稳定的固体电解质界面(SEI)。

MOFs基固体电解质在钠离子电池中的应用进展

传统钠离子电池常使用液体有机电解质,存在热失控等安全问题。而固态电解质具有高安全性和高能量密度,因而成为下一代储能设备材料最有潜力的候选者。金属有机骨架(MOFs)由金属节点和有机连接器构成,具有高孔隙率、高比表面积和有序孔道,是设计快速离子导电材料的一个很有前途的结构平台。基于MOFs结构的多样性和可修饰性,介绍几种导钠离子MOFs基固体电解质的研究设计,包括引入掺杂相应阴离子钠盐的离子液体或有机溶剂、钠化处理、枝接与电解质离子相互作用的官能团和与聚合物复合的杂化材料。

高比能快充型钠离子电池炭负极:进展与挑战

钠离子电池具有优异的快充能力与低温特性,加之钠元素资源丰富、成本低廉的优势,已成为下一代非资源限制型高效储能体系的首选。无定形炭材料作为钠离子电池实用化进程的关键负极材料,具备较高首次库伦效率、低嵌钠平台及稳定性好等优点。然而,目前无定形炭负极存在平台储钠动力学差以及高平台容量与高平台电位无法兼得的问题,导致钠离子电池的快充性能、能量密度以及安全特性难以全面兼顾,严重阻碍了钠离子电池的产业化进程。本文聚焦制约钠离子电池碳负极发展的关键瓶颈,分析了无定形炭平台储钠各基元步骤的动力学行为,从电极-电解液界面和无定形炭微观结构调控两方面梳理了构建高比能快充型钠离子电池的工作进展,并探讨了影响平台储钠动力学与平台电位的关键要素,最后针对钠离子电池碳负极的发展方向与关键挑战进行了简要评述和展望,以期推动实用型钠离子电池碳负极材料的发展。

钠/钾离子电池用锑基负极研究进展:失效分析及解决方案

钠/钾离子电池因其丰富的资源储量被认为是后锂离子电池时代大规模储能应用中最有希望的选择。在众多的钠/钾离子电池负极材料中,锑(Antimony,Sb)基负极由于其高理论比容量受到关注。然而,Sb基材料在储能过程中存在的棘手问题阻碍了它的实际应用,比如:巨大的体积膨胀导致材料粉化脱离集流体,电池失效;欠佳的导电性,电化学动力缓慢;电极-电解液界面副反应,电池性能差等。为解决这些问题,研究者们从结构设计、掺杂催化改性和电解液界面调控等方面进行了探究,期望将Sb基材料高容量的优势发挥出来。因此,本文总结了近10年“钠/钾离子电池用Sb基负极”研究方面的亮点工作,详细讨论Sb基材料的失效机理,并系统地综述了相应的解决方案,为高性能Sb基及其他合金类负极材料的优化策略提供参考。

Ni^(3+)抑制具有阴离子氧化还原活性钠离子电池正极材料的电压衰减

由于钠资源丰富,钠离子电池在大规模储能方面显示出巨大的潜力。随着近年来研究的深入,在正极材料中引入适量的阴离子氧化还原可以有效地提升钠离子电池的能量密度,同时减少高成本过渡金属元素如V、Co和Ni等的用量。有研究表明,材料循环过程中不可逆的氧损失以及Mn^(4+)/Mn^(3+)氧化还原的激活,导致了层状氧化物正极材料持续的电压衰减。本工作通过在Na_(x)[Li,Ni,Mn]O_(2)基钠离子电池正极材料中引入Ni^(3+)作为Mn^(4+)/Mn^(3+)氧化还原屏障,利用Ni^(3+)/Ni^(2+)的氧化还原代替Mn^(4+)/Mn^(3+)的氧化还原,成功抑制了材料的电压衰减。电化学测试结果显示,改性材料在不损失容量的前提下,循环稳定性得到明显提升。X射线光电子能谱结果也验证了Ni3^(+)的引入有利于维持材料多周循环后Mn价态的稳定。

超分子聚合物衍生的新型Nb(PO_(4))O的制备及其在钠离子电池中的应用

由于资源有限和成本较高,锂电池的大规模应用受到影响。相比之下,钠资源储量丰富,作为锂的替代品逐渐得到重视。然而,由于钠离子较大的半径,在电极嵌入/脱出过程中会使材料发生较大的体积变化,导致结构坍塌。要实现钠电的高性能应用,必须研发具有长循环寿命和优良倍率性能的负极材料。通过植酸三聚氰胺超分子聚合物辅助,运用一步煅烧法合成了一种新型的聚阴离子化合物氧化磷酸铌Nb(PO 4)O。该材料具备稳定的大框架结构,保证了钠离子的快速传输;表面疏松的片状结构有利于电解液和电极之间进行传质,有效缩短扩散路径。当用作钠电负极组装钠离子电池时,在1000 mA·g^(-1)的电流密度下,3000次循环以后可逆放电比容量达到133.7 mA·h·g^(-1);在4000 mA·g^(-1)的高电流密度下,可逆比容量仍有117.9 mA·h·g^(-1),与Nb_(2)O_(5)相比,具有明显的倍率性能和超长的循环稳定性。

锂/钠离子电池硬碳负极材料的研究进展

随着锂离子电池的发展和钠离子电池的兴起,硬碳材料作为一种新型负极材料,受到了广泛关注。硬碳来源丰富,价格便宜,具有比锂离子电池石墨负极更高的储锂容量和优异的倍率性能,并且是最有商业化潜质的钠离子电池负极材料。然而,硬碳普遍存在电池首周库仑效率低的问题,且对于硬碳的储锂/钠机制仍存在争论,其比容量仍有较大的提升空间。近年来,研究人员围绕硬碳负极材料的电化学机理展开了各种研究和模型假设,针对硬碳负极存在的问题,提出了各种解决策略。本文介绍了硬碳的基本结构和常用的制备方法,并结合硬碳的优势,梳理了硬碳在锂离子电池和钠离子电池中的应用情况,重点介绍了其在快充、包覆等细分领域的应用进展,并分别针对硬碳提升比容量和改善首周库仑效率的需求,归纳了孔结构设计、元素掺杂、优化材料与电解液界面等不同改性策略。

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。

基于高熵氧化物(FeCoNiCuMn)_(3)O_(4)/CNT钠离子电池负极材料的储钠性能研究

【目的】探索具有优异电化学性能的负极材料对于提高钠离子电池的性能至关重要。高熵氧化物(HEO)因具有高结构稳定性和高的本征电导率,成为一种非常有前景的二次电池电极材料。然而,HEO直接作为电极材料,其电化学性能往往受制于电极材料的团聚。而碳纳米管(CNT)因其所具有的高导电性、良好的机械稳定性常常被用来优化电池性能。【方法】通过水热法将碳纳米管和尖晶石型高熵氧化物耦合,制备了(FeCoNiCuMn)_(3)O_(4)/CNT复合材料(HEO/CNT),并将其应用于钠离子电池负极。【结果】电化学测试表明,HEO/CNT展现出优异的储钠性能:高可逆比容量和长循环稳定性(在0.5A/g电流密度下,循环200圈后的可逆容量为231 mAh/g,具有67%的容量保持率);优异的倍率性能(在电流密度为2A/g时,提供了290.2mAh/g的可逆容量,当电流密度回到0.1A/g时,容量恢复到了440mAh/g).同时,原位XRD测试表明HEO/CNT的储钠过程是插层和转换反应的结果。【结论】HEO/CNT优异的电化学性能归因于纳米尺寸的高熵氧化物(FeCoNiCuMn)_(3)O_(4)具有较大的比表面积和较高的表面活性,增加了电解液的接触面积,缩短了离子扩散路径;其次碳纳米管缓冲了高熵氧化物在充放电过程中的体积变化,这种思路将为设计高倍率和长寿命的电极材料提供思路,也为高熵材料应用于电化学领域提供了一种新的发展策略。

高倍率钠离子电池炭包覆纳米铋负极材料

铋作为新型钠离子电池负极材料,因其出色的离子动力学特性和长循环寿命而备受瞩目。铋基材料在能量密度和充放电效率方面展现出巨大潜力,但在应用中也面临体积膨胀和固态电解质层稳定性方面的挑战,需要通过纳米结构设计、界面工程以及碳包覆等方法来改善其导电性和结构稳定性。在这项工作中,以金属铋有机骨架材料为前体,通过一步炭化法得到了炭包覆铋纳米复合材料。铋颗粒通过C—O—Bi界面交互作用牢固锚定在石墨烯表面,在高电流密度下展现出优异的容量保持能力和稳定的循环性能。结果显示,由赝电容控制的钠离子存储过程有助于构建稳定的固态电解质界面膜并加速离子扩散,从而提高电池的循环稳定性和充放电效率。而铋与石墨烯界面较强的化学键结合有助于维持金属颗粒的结构稳定,缓冲体积膨胀,并加速二者之间的电子扩散,提高材料的电化学活性。这些发现不仅提供了改善电池负极材料的高效方法,还为理解和优化负极材料提供了新视角,对于设计和开发高性能钠离子电池负极材料具有重要的参考意义。

钠离子电池用O3型层状金属氧化物研究进展

O3型层状金属氧化物具有理论容量高、制备简单等优势,是有前景实现商业化应用的钠离子电池正极材料之一。固有的缺点严重限制了层状金属氧化物正极的商业化进程,迫切需要解决。系统总结不可逆相变、表面侵蚀、产气等问题,分析比较固相法、共沉淀法和溶胶凝胶法等3种常用合成方法的优缺点,对O3型层状金属氧化物相关改性策略进行归纳,包括元素掺杂、表面包覆、混相设计和高熵设计等。