PAM基复合水凝胶电解质的制备及其在Zn-MnO_(2)电池中的应用

水系锌离子电池具有低成本、安全、环保等优点,在规模化储能和智能可穿戴方面极具应用前景.提高其循环稳定性以及循环寿命是实现水系锌离子电池进一步应用的关键问题之一.本工作采用二维层状蒙脱土(MMT)和丙烯酰胺单体,通过两步法合成了具有三维网状结构的蒙脱土-聚丙烯酰胺水凝胶电解质(Montmorillonite-polyacrylamide hydrogel,MMT-PAM).蒙脱土的加入为丙烯酰胺单体的原位聚合提供了吸附位点,并通过MMT和PAM高分子链之间的氢键作用显著提高了水凝胶的机械性能,抑制了锌枝晶生长(在0.5 mA·cm^(-1)电流密度下稳定循环250 h).此外,蒙脱土表面丰富的负电荷为Zn2+的快速传输提供更多离子传输通道,提高其离子电导率(室温下为34 mS·cm^(-1)),赋予MMT-PAM水凝胶电解质更好的倍率性能和循环稳定性.基于上述优点,组装的水系Zn-MnO_(2)电池在0.2 A·g^(-1)的电流密度下提供了289 mA·h·g^(-1)的比容量,且可稳定循环2000次.此外,使用MMT-PAM水凝胶作为电解质制备的柔性电池在经过不同外界条件冲击下依然可正常工作,表现出了其在柔性电子领域的应用可行性.

电流密度、温度、阴极孔隙率和N_(2)溶解度因子对Li-N_(2)电池放电性能的影响

Li-N_(2)电池是一种具有电化学固氮功能的新型储能系统,文章利用有限元软件COMSOL耦合多物理场建立的电化学模型能揭示各因素对其放电性能的影响。模拟结果表明:放电电流密度、温度、阴极孔隙率和电解液中的N_(2)溶解度因子对Li-N_(2)电池的放电性能均有影响;较大的放电电流密度会降低该电池的电压和容量;阴极孔隙率和电解液中的N_(2)溶解度因子是影响该电池电压和容量的关键性因素,提高阴极孔隙率和电解液中的N_(2)溶解度因子均能增加该电池的电压和容量;电池放电的平台电压随温度升高而升高,但放电容量几乎不受温度影响。

水系铵离子电池β-MnO_(2)正极材料的制备及性能研究

通过简单的水热法合成了隧道型β-MnO_(2)正极材料并应用于水系铵离子电池,并采用1 mol/L(NH4)2SO4水系电解液,在窗口电压为0~1.6 V范围内,测试其电化学性能。实验结果表明:β-MnO_(2)正极材料在0.1A/g电流密度下表现出109.8 mAh/g放电比容量,经过140次循环后,其放电比容量仍有101.9 mAh/g,容量保留率为92.8%,库伦效率接近100%,具有优异的循环稳定性能。同时还具有优异的倍率性能,β-MnO_(2)纳米棒正极材料即使在1.0 A/g大电流密度下仍有78.7 mAh/g。此外,通过非原位FTIR、XPS测试探索了其储铵机理,结果表明铵根离子具有良好的可逆性。

纳米FeSe_(2)正极材料制备与镁电池中性能表征

采用溶剂热法,利用表面活性剂的分散作用成功合成了FeSe_(2)纳米颗粒,将其作为正极材料组装可充镁电池,并进行电化学性能测试。结果显示,FeSe_(2)正极在100 mA/g电流密度下首次放电比容量为119 mAh/g,并在循环过程中展现出比容量的逐渐升高,在循环48次后获得最大放电比容量628 mAh/g,同时具有良好的循环稳定性,在100次循环后仍保持581 mAh/g的放电比容量。非原位TEM、XPS和同步辐射软X射线吸收谱分析表明,FeSe_(2)正极在循环过程中,铜集流体会参与正极电化学反应并形成含铜化合物,在正极材料中形成导电通路,这有利于电化学反应过程中电子的转移。因此,FeSe_(2)纳米颗粒充分参与正极转化反应,并展现出高容量和长循环稳定性,为镁电池中的集流体和硒族化合物的匹配性设计提供了新的思路。

MoS_(2)纳米片功能化PAN锂金属电池隔膜的制备及锂枝晶抑制作用

引导锂离子流的均匀分布可以有效抑制锂枝晶的形成-生长,推动锂金属电池的产业化应用.本文采用化学插层法制备出单层或少层、结构完整的MoS_(2)纳米片,将二维MoS_(2)纳米片喷涂到静电纺聚丙烯腈(PAN)纤维膜上,制得MoS_(2)@PAN复合隔膜.MoS_(2)涂层的引入不仅提高了离子电导率(1.02 mS/cm)、Li+迁移数(0.59)和电解液亲和性,而且降低了复合隔膜的孔径,使其孔径分布均一.这些特性协同作用,调控了通过MoS_(2)@PAN复合隔膜的Li+流分布,促进了Li+在锂金属表面的均匀沉积,抑制了锂枝晶的形成-生长.因此,MoS_(2)@PAN复合隔膜组装的Li/Li电池在1 mA/cm^(2)电流密度下以14 mV的超低过电位可稳定循环长达500 h,循环后的锂金属表面没有明显的枝晶生长.此外,MoS_(2)@PAN复合隔膜组装的LiFePO_(4)/Li电池在2C倍率下循环550次后保持92%的初始容量,表现出更稳定的循环性能.通过隔膜调节Li+通量实现了锂的均匀沉积,为抑制锂枝晶的形成-生长提供了一种可行的策略.

片层纤维V_(2)O_(5)·1.6H_(2)O干凝胶提升水系锌离子电池循环性能

水系锌离子电池凭借低成本和环境友好的特点具有极大的发展和应用前景.具有高比表面、分层、或快速离子导体结构的钒基材料是锌离子电池最具有前景的正极材料之一.如何改善钒基材料的长循环性能是亟待解决的问题之一.本文采用溶胶凝胶法并冷冻干燥成功制备了V_(2)O_(5)·1.6H_(2)O干凝胶,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对其物相和形貌进行了表征,发现制备的材料为V_(2)O_(5)·1.6H_(2)O,结晶相良好,且成片状纤维大孔结构.电化学测试表明,在0.1 A·g^(–1)电流密度下,首次放电比容量为388.4 mA·h·g^(–1),循环1000次后容量仍保持为129.7 mA·h·g^(–1),具有良好的长循环稳定性.在0.1、0.2、0.5、1、2和3 A·g^(-1)电流密度下,纤维状V2O5干凝胶表现出良好的倍率性能,放电比容量分别为388.4、338.5、282.9、239.1、194.4和165.9 mA·h·g^(–1),远高于商业化V2O5 (279.5、251.0、205.5、174.5、144.6和125.1 mA·h·g^(–1)).良好的电化学性能主要归功于结合水的支撑作用增大了层间距,在循环过程中材料具有良好的结构稳定性,避免了放电容量衰减;同时纤维片状结构缩短了锌离子的迁移路径.对充放电机理研究发现,在锌离子的嵌入脱出过程中伴随有碱式硫酸锌的生成与消失,且该过程可逆.

气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质用于近中性锌-空气电池

近中性锌-空气电池具有对锌负极良好的沉积/剥离相容性和对空气中二氧化碳的化学稳定性,在长循环方面展现出极高的应用前景。然而,液态电解质固有的水分挥发问题和可穿戴设备所需的柔性等需求,限制了这一体系的实际应用。本研究复合了具有高离子电导率和机械强度的聚丙烯酰胺聚合物骨架、具有丰富硅羟基的保水添加剂气相SiO_(2)和对二氧化碳稳定的近中性电解液,制备了气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质(SiO_(2)-HPE)。所合成的SiO_(2)-HPE聚合程度高,表面孔道丰富且元素分布均匀。SiO_(2)表面丰富的硅羟基通过改变HPE中的氢键网络,加强了对水分子的束缚,SiO_(2)-HPE因此展现出了良好的保水性、优异的机械性能和较高的离子电导率,是一种理想的柔性锌-空气电池电解质。基于SiO_(2)-HPE组装的近中性锌-空气电池,在相对湿度为30%的条件下,循环寿命可达200 h。此外,基于SiO_(2)-HPE的柔性近中性锌-空气电池器件在弯曲和剪切等特殊条件下都展现出优异的性能,并且可作为电源为不同的用电器供电,是一种极具潜力的下一代电化学储能器件。

基于FeS_(2)及其复合材料的钠离子电池负极材料的研究进展

二硫化亚铁(FeS_(2))具有高理论比容量、高电导率、价格低廉以及环境友好的优势,被视为是一种非常具有发展前景的钠离子电池负极材料。然而,FeS_(2)作为钠离子电池负极材料在其充放电过程中体积变化较大,反应动力学较迟缓,进而展现为电化学性能不佳,这严重制约了其在钠离子电池中的大规模应用。因此,总结FeS_(2)材料在钠离子电池循环过程中的反应机理,归纳既有研究对FeS_(2)负极材料瓶颈问题的解决方式,探讨了未来提升FeS_(2)负极材料性能可行的工作方向,对设计高容量的钠离子电池至关重要。本文首先阐述了FeS_(2)负极材料的结构特性与储钠机制;其次,根据FeS_(2)的反应机制及物理特性,总结了FeS_(2)作为钠离子电池负极材料的瓶颈问题;然后,从FeS_(2)的结构调控、FeS_(2)/碳基复合材料、FeS_(2)/高分子化合物复合材料及FeS_(2)/金属化合物复合材料四个方面归纳了近年来既有研究瓶颈问题的解决方案;最后,基于上述分析,从强化电解质特性、调控电极结构、降低材料成本、改变电极基底及优化电池工作环境的角度提出未来提升FeS_(2)负极材料钠离子电池性能的可行性工作方向。

钠离子电池Mo-Nb2O5/C负极材料的制备及性能研究

采用水热法合成了Mo-Nb2O5/C纳米片复合材料,对该材料进行形貌、结构表征和电化学性能测试。结果表明,通过钼掺杂碳复合提高了Nb2O5纳米片材料的电子电导率,从而改善了Nb2O5材料的电化学性能。3% Mo-Nb2O5/C-8复合材料具有最佳的电化学性能,表现出优异的循环稳定性及倍率性能。在电流密度为100 mA g−1、电压范围在0.01~3.0 V的条件下,100周循环后,放电比容量为172.8 mAh g−1,容量保持率为84.9%;在500 mA g−1的高电流密度下,500周循环后,仍有119.2 mAh g−1的放电比容量,容量保持率为76.0%。

全黄铜矿CuGaSe_(2)/CuInSe_(2)两端叠层太阳能电池的顶端设计与优化

近年来单结太阳能电池的光电转换效率逐步提高,但其最高效率受到Shockley-Queisser (SQ)极限的限制.为了超越SQ极限,学者们提出了叠层太阳能电池.本工作结合第一性原理计算和SCAPS-1D器件模拟对黄铜矿化合物CuGaSe_(2)/CuInSe_(2)叠层太阳能电池进行了系统的理论研究.首先通过第一性原理计算获取了CuGaSe_(2) (CGS)的微观电子结构、缺陷特性及对应的宏观性能参数,作为后续器件模拟CGS太阳能电池的输入参数.随后采用SCAPS-1D软件分别对单结CGS与CuInSe_(2) (CIS)太阳能电池进行了仿真模拟.单结CIS太阳能电池的模拟结果与实验值具有良好的一致性.对单结CGS电池而言,在短路电流(J_(sc))最高的生长环境下进一步模拟发现,将电子传输层(ETL)换为ZnSe后可提高CGS太阳能电池的开路电压(V_(oc))和PCE.最后,将优化后的CGS与CIS太阳能电池进行了两端(2T)单片串联的器件模拟,结果显示在生长环境为富Cu、富Ga、贫Se,生长温度为700 K时,2T单片CGS/CIS叠层太阳能电池的PCE最高为28.91%,高于当前最高的单结太阳能电池效率,展现出良好的应用前景.

双钙钛矿Sr_(2)CoFeO_(5+δ)阴极材料的制备及其中温固体氧化物燃料电池性能研究

随着操作温度降低,中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)需要更高催化活性的阴极材料来提升电池性能。为此,本研究采用溶胶-凝胶法合成了双钙钛矿Sr_(2)CoFeO_(5+δ)(SCF)阴极材料,并探讨了SCF阴极与摩尔分数20%Sm_(2)O_(3)掺杂的CeO_(2)(SDC)进行不同比例的复合对电极性能的影响,优化了电极的化学膨胀和面积比电阻(ASR),进而提升了SOFC单电池的电化学性能。结果表明,SCF作为SOFC阴极,经950℃退火10 h后与普通电解质具有良好的化学相容性;其中,SCF与SDC按照质量比1:1复合的样品可以将纯SCF样品的平均热膨胀系数(TEC)从2.44×10^(−5)K^(−1)显著降到15.4×10^(−5)K^(−1)。此外,SCF-xSDC(x=20,30,40,50,x为SDC的质量分数)复合阴极的ASR在800℃下分别低至0.036、0.034、0.028和0.092Ω·cm^(2),SCF-40SDC在所有温度范围内都表现出更小的ASR。复合SDC可以优化SCF的三相界面且进一步提高SCF阴极的催化活性,以0.3mm厚La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)为电解质的SCF-40SDC单电池(757 mW·cm^(−2))比SCF单电池(684 mW·cm^(−2))的最大功率密度更优,且超过目前大部分的文献报道。本研究制备的SCF−40SDC是一种性能优异的复合阴极材料,有望应用于中温固体氧化物燃料电池。

1,1’-磺酰基双(2-甲基-1H-咪唑)对宽带隙钙钛矿太阳电池性能的影响

对倒置结构,带隙为1.68 eV的钙钛矿太阳电池光吸收层掺杂1,1’-磺酰基双(2-甲基-1H-咪唑),以改善钙钛矿薄膜质量,提高太阳电池性能。空间电荷限制电流(SCLC)测试结果表明,掺杂后的钙钛矿薄膜的缺陷密度明显降低;稳态光致发光光谱(PL)结果表明,掺杂后的钙钛矿薄膜的非辐射复合被显著抑制;最终太阳电池的开路电压达到1.17 V,光电转换效率达到21.42%,在氮气环境下储存1000 h后,未封装的太阳电池仍能保持初始效率的96%,稳定性显著提高。

Pt掺杂CeO_(2)对磷酸铁锂电池热失控特征气体CO的吸附与传感机理研究

近年来,磷酸铁锂储能电池热失控现象引发的安全问题备受关注,热失控气体特征量的有效检测对评估其运行状态具有重要意义,其中一氧化碳(CO)是磷酸铁锂储能电池过充热失控的重要特征气体。基于第一性原理建立了本征二氧化铈(CeO_(2))、铂(Pt)掺杂改性CeO_(2)模型及CO吸附模型,从吸附能、电荷转移、能带、态密度等方面分析了CeO_(2)基气敏材料的改性机理和气体吸附机理。结果表明本征二氧化铈吸附一氧化碳(CO—CeO_(2))的吸附能仅为-0.2028 eV,表现出较弱的物理吸附能力,而铂掺杂二氧化铈(Pt—CeO_(2))对CO的吸附能达到-0.8020 eV,表现出优异的化学吸附性能,对应的电荷转移值为0.0290 e,掺杂Pt后CeO_(2)的能带从1.933 eV降低到1.259 eV,对CO的吸附距离从3.183A缩短为2.021A。因此,Pt掺杂改性CeO_(2)可作为磷酸铁锂电池热失控特征气体CO检测传感器的候选者,为开发高灵敏、低功耗的磷酸铁锂储能电池热失控特征气体检测传感器提供理论支撑。

基于MobileNetV2的干电池底盖缺陷检测研究

干电池是用于小型电子产品的电源,在移动电源市场上有一定的市场份额,具有一定的经济价值。然而,在干电池的生产中,底盖缺陷问题很常见,而且用肉眼进行人工分拣效率较低。为了快速准确地分拣底盖缺陷产品,采集了1568张干电池底盖图像,共分为4种类别,并将其随机划分为训练集、验证集和测试集,比例分别为70%、10%和20%。通过将CBAM注意力机制嵌入MobileNetV2网络模型的倒残差结构中,成功构建了CBAM_MobileNetV2模型。实验结果表明,CBAM_MobileNetV2模型的准确率达到了95.78%,相较于MobileNetV2提高了1.19%,优化效果较为明显。

锂氧电池Ti_(2)CT_(x)MXene基催化剂的表面调控

为了提高二维材料Ti_(2)CT_(x)MXene的催化活性,通过碱处理和热处理等表面处理技术对MXene进行调控,扩大MXene层间距,减少电化学活性差的-F端基,形成以丰富-O端基构成的t-Ti_(2)CT_(x)材料,并将其用作锂氧电池氧电极催化剂,研究其对电池性能的影响。结果表明:在100 mA/g电流密度下,t-Ti_(2)CT_(x)锂氧电池放电比容量为13150.2 mA·h/g,放电/充电过电位为0.17/0.65 V,均优于未处理的Ti_(2)CT_(x)电池性能。在电流密度为1000 mA/g、限容为500 mA·h/g条件下,t-Ti_(2)CT_(x)电池可稳定循环125次;限容1000 mA·h/g时可循环105次,且循环过程中放电电压均高于2.5 V,由此说明t-Ti_(2)CT_(x)锂氧电池实现了较好的电化学性能。

钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT的制备及电化学性能研究

为改善钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)的导电性,提高其充放电性能,采用Cr^(3+)掺杂提高正极材料本征导电性,采用包覆碳和复合碳纳米管(CNT)构筑高效导电网络以加快纳米活性物颗粒间的电子传导,制备并探究了Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT复合材料的结构与电化学性能。结果表明,当Cr^(3+)掺杂量x为0.075、CNT添加质量分数为3%时,所制备材料表现出较小的电荷传递阻抗和优异的高倍率充放电性能。其0.1 C和20 C倍率下的放电比容量分别达到120.64 mAh/g和87.11 mAh/g,10 C倍率下循环500次后容量保持率高达92.37%。

Bi掺杂O3型NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)钠离子电池层状正极材料的制备与储钠性能

O3型NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)拥有高理论比容量且易于制备,是商业钠离子(Na+)电池的首选正极材料之一,但其循环稳定性仍面临挑战。利用Bi对NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)进行改性。研究发现,Bi的引入可以在晶粒生长过程中通过调节表面能实现晶粒细化,并且Bi的掺杂增加了层状正极材料的晶胞参数,为Na+提供了宽的扩散通道,提高了Na+的扩散能力,优化了Na^(+)在脱嵌过程中的可逆性。改性后的NaNi_(0.495)Mn_(0.5)Bi_(0.005)O_(2)实现了在2.0~4.0 V的电势区间内0.2 C倍率下的可逆容量为138.1 mAh/g,在5 C倍率下循环100圈后容量保持率可以达到97%。

基于V2G与XGBoost技术的锂电池SOH估计与RUL预测分析

阐述针对锂离子电池特征提取困难导致SOH预测精确度较低的问题,提出一种基于V2G技术的充放电过程与XGBoost的锂电池SOH预测及RUL预测方法。通过从充电曲线中提取的滤波后曲线峰值与峰值对应点电压作为充电过程中的健康因子,以及放电过程中的周期放电电压达到最低点的时间和平均电压衰减,作为放电过程中的健康因子XGBoost模型的输入,进行电池SOH预测,结合SOH估计值和估算模型实现RUL的长期预测。实验结果表明,改进后的模型具有更高的估算精度,SOH估计和RUI预测精度较高。

锐钛矿相TiO_(2)纳米棒阵列的制备及其在钙钛矿太阳电池中的应用

在钙钛矿太阳电池中,定向生长的TiO_(2)纳米棒阵列具有可控的排列结构,能够为电子的传输提供有序的径向传输通道,从而改善电子在界面间的分离与传输。本文通过水热法成功制备了长度为400 nm、直径为65 nm、面密度为160μ·m^(-2)的锐钛矿相TiO_(2)纳米棒阵列,使用摩尔比n(CH_(3)NH_(3)I):n(CH_(3)NH_(3)Br)=85:15的CH_(3)NH_(3)PbI_(3-x)Br_(x)薄膜作为钙钛矿光吸收层,spiro-OMeTAD作为空穴传输层组装了基于锐钛矿相TiO_(2)纳米棒阵列的钙钛矿太阳电池,研究了不同纳米棒阵列对钙钛矿太阳电池光伏性能的影响,结果表明,基于锐钛矿相TiO_(2)纳米棒阵列钙钛矿太阳电池在相对湿度为54%的空气环境下取得了14.35%的光电转换效率。

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。