钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)2O2F的控制合成与电化学性能优化

采用简单的水热合成法制备氟磷酸钒氧钠(Na_3V_2(PO_4)_2O_2F,简写为NVPOF),通过调节水热反应溶液的pH值和反应温度等关键参数,有效调节NVPOF的颗粒尺寸和均匀性,优化其电化学性能。研究结果显示,性能最优的NVPOF的合成条件是:pH值为7.00±0.05,水热反应温度为170℃。在该条件下合成的NVPOF正极材料具有优异的电化学性能,表现为0.1C(1C=130 mA·g^(-1))的倍率下放电比容量可达123.2 mAh·g^(-1),且在20C的高倍率下仍可实现85.9 mAh·g^(-1)的比容量,在1C下循环200圈后其容量保持率为96.2%,表明该材料具有高容量、优异的倍率和循环性能。所制备的NVPOF颗粒为纳米尺度且具有很高的均匀性,可缩短Na^+的传输路径从而缩短其传输时间,且NVPOF晶体结构具有高稳定性,是一类具有高性能的钠离子电池正极材料。

钠离子电池用铁基正极材料的研究进展

气候变化和化石燃料枯竭等问题将促进新型绿色能源的开发和利用。因此,高效率、低成本、安全的储能系统,得到了越来越多的关注和研究。在各类储能系统中,二次电池是存储电能、为电子设备供电的最理想选择。目前,锂离子电池(LIBs)的应用最广泛。然而,地球上锂资源的短缺和分布不均造成的成本较高,急需研究和开发其他高性能的新型二次电池。钠元素具有地壳中储量丰富、均匀且与锂具有相似化学性质等优势,使得钠离子电池(SIBs)成为了取代LIBs最有前景的备选二次电池之一。然而,钠离子的体积较大、离子传导动力学更缓慢、导电性更差等问题,限制了SIBs高性能的实现,这是目前研究的难点和重点。此外,铁具有储量丰富、环境友好的特点,其在SIBs中的应用引起了电池领域科研工作者的广泛关注。因此,寻找良好的铁基正极材料成为SIBs高性能电极材料开发的一个重要研究方向。本综述对近年来SIBs铁基正极材料方面的研究进展进行了总结,并按照聚阴离子型化合物、过渡金属氧化物、普鲁士蓝及类似物和氟化物分类,进行了系统的阐述和分析。

NASICON结构正极材料用于钠离子电池的研究进展

随着二次电池技术的迅速发展,锂离子电池(LIBs)已经成为了当今社会一种重要的储能装置。然而,地壳中锂资源有限、含锂化合物价格昂贵,因此科研工作者正在积极寻找LIBs的替代品。钠离子电池(SIBs)具有与LIBs相似的工作原理,且钠元素在地球上储量更丰富更均匀、价格更低廉,使得SIBs成为了最有希望替代LIBs的新型二次电池体系之一。不过,钠离子半径较大、充放电过程中电极材料的不可逆性更明显等缺点,明显地增加了开发高性能SIBs的难度。因此,寻找具有优异性能的电极材料,成为了当前SIBs研究的难点和重点。钠超离子导体(NASICON)结构材料是一类具有超快钠离子传导能力的化合物,在脱/嵌钠过程中具有离子传导率高、结构稳定等优点,表现出明显的应用潜力。本文将在介绍NASICON材料晶体结构的基础上,重点从过渡金属种类与个数,以及阴离子调控的角度,总结其研究进展,并分析了该类材料面临的主要问题和挑战。

一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能

将聚乙二醇单甲醚(MPEG)接枝在聚(异丁烯-alt-马来酸酐)(PIAMA)上合成梳状锂单离子导体PIAMA-g-MPEG,并与双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)复合制成双锂盐梳状聚合物电解质薄膜.用核磁共振波谱(^(1)H NMR)、热重分析(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、电化学阻抗(EIS)和电池充放电测试等方法对聚合物基体和电解质的物化性质和电化学性能进行了研究.结果表明,设计的双锂盐梳状聚合物电解质能够有效解离并传输锂离子,70℃下离子迁移数(tLi^(+))为0.32,离子电导率(σ)为1.5×10^(−4) S/cm,电化学稳定窗口为0~4.9 V(vs.Li/Li^(+)).组装Li|PIAMA-g-MPEG|Li电池并进行70℃恒电流充放电电压极化测试,结果表明,电解质与金属锂负极兼容性较好,能够有效抑制锂枝晶的生长.组装LiFePO_(4)|PIAMA-g-MPEG|Li电池进行70℃长循环及倍率性能测试,电解质表现出了优异的高温性能.

用于提升全水解性能的超低含量Ru掺杂NiMoO_(4)@Ni_(3)(PO_(4))_(2)核壳纳米结构

随着全球能源危机和环境污染日益加剧,开发可持续的绿色能源技术已经成为当务之急.其中,水分解制氢作为一种清洁能源的生产方式,因其零排放和高能量密度的特点,而受到广泛的研究和关注.析氢反应(HER)和析氧反应(OER)是水分解过程的关键步骤,它们的反应效率直接影响整个制氢过程的能量转换效率.因此,开发高效的双功能电催化剂对于推动水分解技术的发展具有重要意义.本文制备了一种超低Ru掺杂的新型核壳纳米结构电催化剂,该催化剂生长在泡沫镍(NF)上,简称Ru-NiMoO_(4)@Ni_(3)(PO_(4))_(2)/NF.首先,通过水热法在NF上均匀生长了水合NiMoO_(4)纳米柱,并通过共价相互作用,确保其在垂直方向上有序排列.随后,采用超低浓度的RuCl_(3)对NiMoO_(4)纳米柱进行蚀刻,并通过磷酸化反应引入(PO_(4))^(3+)离子形成了Ni_(3)(PO_(4))_(2)壳层.这种设计克服了以往Ru易团聚的难题,保障了Ru的均匀分布,从而合成Ru-NiMoO_(4)@Ni_(3)(PO_(4))_(2)/NF催化剂.通过X-射线衍射、X-射线光电子能谱及透射电子显微镜等对催化剂的化学组分和微观结构进行了分析,证实其成功制备.元素分析结果表明,催化剂中Ru的含量仅为1.94 wt%,显著降低了其制备成本.电化学测试结果表明,该催化剂在HER和OER中均表现出较好的催化活性.在10和100 mA cm^(−2)电流密度下,HER的过电位分别为−14.8和−57.1 mV,Tafel斜率为35.8 mV dec^(-1),优于商业Pt/C催化剂;在100 mA cm^(−2)电流密度下,OER过电位为259.7 mV,Tafel斜率为21.6 mV dec^(−1),优于商业RuO_(2)催化剂.在全水解测试中,该催化剂在10和100 mA cm^(−2)时所需的电池电压分别为1.43和1.68 V,与其他自支撑材料相比表现出良好的性能.此外,该催化剂在150 h性能测试过程中表现出较好的稳定性.采用密度泛函理论计算研究了催化剂具有较好活性的内在机制.结果表明,其具有低水离解能垒(ΔGb=0.46 eV),接近零的HER自由吸附能(∆G*H=0.02 eV),低的OER自由吸附能量(ΔG*OOH−ΔG*OH=2.74 eV)和接近费米能级的高密度态.这些特性共同促进了电解水反应的高效进行.综上,本文研究开发的Ru-NiMoO_(4)@Ni_(3)(PO_(4))_(2)/NF双功能催化剂具有较好的催化活性、低电位需求和长期稳定性,为氢气生产开辟了新途径,也为优化双功能水分解催化剂提供了新视角,并为未来可持续能源应用发展提供一定的参考.

高亲锂性的Ti_(3)C_(2)T_(x)-MXene锚定在柔性炭泡沫骨架上用于无枝晶锂金属负极

不理想的枝晶生长、不稳定的固体电解质界面以及循环过程中锂金属体积的无限变化等问题极大地限制了锂金属电池的实际应用。作者设计了亲锂Ti_(3)C_(2)T_(x)-MXene修饰的炭泡沫(Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX@CF)来调节锂的成核行为,有效缓解锂金属负极的体积变化,获得了高稳定的锂金属电池。其中,三维的CF骨架具有较高的比表面积,不仅降低了局部电流密度来避免浓度极化,而且为缓解循环过程中的体积膨胀提供了足够的空间。更重要的是,丰富的官能团赋予了Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX优异的亲锂性,能够有效的降低锂成核过电位,引导锂均匀沉积而不形成锂枝晶,并使负极表面的界面保持稳定。因此,组装的Li-Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX@CF对称电池在电流密度为4 mA cm^(-2),容量为1 mAh cm^(-2)时,表现出超过2400 h的良好循环稳定性,过电位低至9 mV。此外,Li-Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX@CF||NCM111全电池在1 C下循环330圈后仍能提供129.6 mAh g^(-1)的容量,表明Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX对构建稳定的锂金属负极具有重要意义。

钠离子电池工作原理及关键电极材料研究进展

由于钠资源价格低廉、分布广泛等优点,钠离子电池及其关键电极材料的研究近年来引起了广泛的关注.然而,与锂相比,钠的离子半径大得多,使其在储钠材料中的迁移速度过慢而严重地限制了钠离子电池倍率性能的提升和储钠容量的表达,而且钠元素具有更高的相对原子质量,也在理论上限制了钠离子电池的能量密度.因此,开发先进的、利于钠离子脱嵌的电极材料是开发高性能钠离子电池的关键.本文在钠离子电池工作原理的基础上,着重介绍了几类典型的关键电极材料,并对它们的研究进展进行了简要综述.

锂硫电池正极材料研究进展

总结了近几年来锂硫电池正极材料的研究进展,简要阐释了锂硫电池正极材料的研究现状、存在的问题及其面临的挑战.通过碳材料的引入,导电聚合物的复合,金属氧化物的添加均不同程度地提高了硫电极材料的电导率,有效抑制了多硫化物的溶解,为体积膨胀提供了空间,从而改善了锂硫电池的活性物质利用率和循环稳定性.简化工艺,降低成本,提高硫的负载量,这将是下一阶段锂硫电池研究的重点.

锂离子电池自修复聚合物电解质的研究进展

自修复材料可以修复其在外界环境因素作用下产生的局部创伤或微裂纹,大大延长材料的使用寿命.将自修复聚合物作为固态聚合物电解质应用于锂离子电池,可以显著提高锂离子电池的循环稳定性和安全性,延长使用寿命.本文首先概述了自修复聚合物材料的发展历程和修复机理,然后按超分子相互作用和动态共价键分类总结了本征型自修复聚合物电解质应用于锂离子电池的研究进展,最后对自修复聚合物电解质存在的问题和未来的发展方向做出了展望,为下一代高安全性、高性能和长使用寿命的锂离子电池的研究提供借鉴.

基于石墨修饰型锂负极的锂-氧气电池

采用简单易操作的物理涂层方法制备了基于石墨保护层的金属锂负极(Li@graphite复合电极),并研究了该复合电极在锂-氧气电池中的电化学性能.该保护层可以物理性隔绝锂金属与有机电解质的直接接触,降低副反应发生的可能性,其独特的结构和高电导性可成功诱导Li^(+)的均匀沉积,继而抑制锂枝晶生长.实验结果表明,保护层厚度为10μm时锂负极表面光滑均匀,含Li@graphite复合电极的锂-氧气电池可以循环176次(含纯Li负极的电池仅能循环5次),电池的稳定性得到提高.

固态聚合物电解质的锂离子传导机理与研究进展

锂离子电池(lithiumionbatteries,LIBs)在储能领域已取得了巨大的成功.然而,商用LIBs含有高挥发性易燃有机电解液,使其存在严重的安全隐患.固态聚合物电解质具有解决相应安全性问题的潜力,有望成为下一代高安全性全固态LIBs的电解质材料.然而,固态聚合物电解质存在离子电导率不高等问题,限制了其在固态LIBs中的实际应用.研究者们为了提高该类电解质的离子电导率、锂离子迁移数等综合电化学性能,已在寻找新锂盐、对聚合物进行改性以及向聚合物电解质中添加填料等方面进行了较多的研究.本文简要概述了固态聚合物电解质的锂离子传导机理以及在提高固态聚合物电解质综合电化学性能方面的研究进展.

基于碳点调控氧化锌纳米阵列构建三维集流体用于高效锂金属负极

本文结合原位生长和热处理法成功制备出了ZnO@CD@CC材料,并将其应用于锂金属负极基底材料,用于诱导锂金属均匀沉积.本工作使用旧实验服棉布和常温合成方法降低了实验成本;引入碳点能够有效调控ZnO纳米阵列形貌,负载形貌均一的亲锂ZnO使整个碳纤维上亲锂位点更均匀,有助于降低锂的成核过电势,诱导Li+均匀沉积.电化学性能测试结果显示,ZnO@CD@CC在面积容量为1mAh·cm^(-2)和电流密度为3mA·cm^(-2)的条件下能够稳定循环超过500h(电压滞后仅为50.8mV).

ZnO/CoO/CDs Z型异质结光催化剂的制备及其在光催化产氢中的应用

Z型异质结由于具有促进载流子分离能力和保持较高氧化还原能力的优点成为近几年光催化领域的研究热点之一.本文通过水热法制备了ZnO/CoO/CDs(碳点)的Z型异质结复合材料,有效的电荷传输促进了复合材料光催化产氢能力.同时CDs的引入调节了复合材料的形貌,提供更多的反应活性位点.产氢测试结果表明,ZnO/CoO/CDs Z型异质结复合材料的产氢量是ZnO/CDs单一光催化剂的2倍多,说明该材料在光催化分解水领域具有潜在应用前景.该工作思路为基于CDs的Z型异质结光催化剂材料的设计合成提供一定理论指导.

一种高容量茴香状硫化铜柔性电极的制备及其在超级电容器中的应用

柔性电极由于在可穿戴电子设备领域具有重要应用而备受关注,然而其制备工艺繁琐、价格昂贵、负载量低和比容量低等问题限制了其发展.为解决这些问题,迫切需要开发负载量大、比容量高的柔性电极材料.本文利用简单的化学电镀和低温固相反应方法,制备了茴香状的CuS@CPCC-24柔性电极材料.这种紧密堆砌的薄片具有大量的孔隙,能够提供足够的活性位点,进而有效增加存储电荷的能力.结果表明,CuS@CPCC-24柔性电极不仅在电流密度为2 mA·cm^(-2)时可达到1150.2 mF·cm^(-2)的最大电容,而且循环稳定性较好,展现了其在柔性储能器件领域具有潜在应用.