高镍三元层状锂离子电池正极材料:研究进展、挑战及改善策略

随着锂离子电池在新能源汽车领域应用逐步扩大,续航里程成为制约新能源汽车发展的关键因素,提高锂离子电池的能量密度是解决续航焦虑的有效途径,高镍三元层状材料具有比容量高、成本低及安全性相对较好等优点,被认为是最具前景的高比能锂离子电池正极材料之一。然而,随着三元层状材料中镍含量提高,其循环稳定性和热稳定性显著下降。本工作回顾了锂离子电池正极材料的发展历程,分析了三元层状材料向高镍方向发展的必要性;基于高镍三元层状正极材料的研究现状对当前高镍三元层状材料存在的挑战进行了总结,从阳离子混排、结构退化、微裂纹、表面副反应、热稳定性多个方面综合分析了材料的失效机制;针对高镍三元层状材料存在的问题,综述了表面涂层、元素掺杂、单晶结构以及浓度梯度设计等方面的改性策略,重点探讨了各种改善策略的研究进展以及对高镍三元层状材料电化学性能的影响机理;最后归纳了上述改善策略的特点,基于单一改善策略的优势和不同改善策略的耦合效应,展望了高镍三元层状材料改善策略的发展方向,并提出了多重改善策略协同应用的可行性方案。

电化学氧还原反应合成H_(2)O_(2)碳基催化剂研究进展

电化学氧还原反应(ORR)合成H_(2)O_(2)是一种低成本、无污染的绿色合成方法。但是,ORR动力学缓慢,存在四电子ORR生成H2O的竞争反应,因此需要使用催化剂提升ORR的反应活性以及二电子ORR的选择性。近年来,碳基材料因价格便宜、来源广泛、调控方法多样,被广泛应用于该领域。本文首先简要介绍了电催化ORR合成H_(2)O_(2)的机理,并根据机理分析了影响电化学合成H_(2)O_(2)催化性能的关键因素。接着阐述了提升碳基ORR催化剂活性与二电子选择性的策略,并着重介绍了非金属原子掺杂碳材料和过渡金属氮碳材料。最后,总结了碳基催化剂在电化学合成H_(2)O_(2)中存在的问题和面临的挑战,对碳基催化剂在电合成H_(2)O_(2)中应用的发展趋势进行了展望。

有机物衍生的锂硫电池正极材料研究进展

锂硫二次电池具有能量密度高、成本低和环境友好等优点备受科研工作者们的青睐。但是,单质硫和硫化锂固有的低电导率以及中间产物多硫化锂易溶于电解液产生“穿梭效应”,导致活性材料流失的同时,活性位点也发生严重的体积膨胀,最终造成循环过程中容量迅速衰减。近年来,将链状硫片段与具有活性自由基的聚合物在高温下环合形成稳定的有机硫共聚物,被认为是代替单质硫正极、解决传统C/S体系循环稳定性差的有效策略之一。本文回顾了传统碳载硫(C/S)锂硫电池的反应机理和现阶段存在的问题,综述了腈基、不饱和烃基、硫醇基和小分子有机硫电极的制备方法,储锂机制和近年来的研究进展,分别列举了作为锂硫电池正极的优/劣势,并从科学的角度提出了解决策略和发展方向。综合分析表明,有机物衍生锂硫电池正极利用其“主链导电,侧链储能”的特性,能有效地改善长链多硫化锂溶于电解液所产生的“穿梭效应”,利用高温下不饱和键断裂环硫的策略,将整个/部分活性硫片段整合到正极材料中,有望在实现高硫载量的同时获得高循环稳定性。

固态聚合物电解质导电锂盐的研究进展

固态聚合物电解质(solid polymerelectrolytes,SPEs)具有不易泄漏、易加工、抑制锂枝晶生长等优点,能提高固态金属锂电池(solid-state lithiummetalbatteries,SSLMBs)的循环寿命和安全性。导电锂盐作为SPEs的必要组分之一,不仅能够为其离子输运提供锂离子源,而且能够在电极表面发生化学或电化学反应,参与电极/SPE界面膜的构建。因此,导电锂盐的分子结构对于调控SPEs的基础物理和电化学性质及其与电极材料的界面性能有着重要的影响。结合本团队在SPEs导电锂盐领域的相关研究工作,本文主要介绍全氟代和部分氟代磺酰亚胺锂盐作为SPEs导电盐的研究进展,并探讨了SPEs导电锂盐的未来发展方向。

GO/ZIF⁃67模板制备rGO/NiCo2S4及高性能不对称超级电容器

以氧化石墨烯(GO)为基底,在GO表面原位生长ZIF-67并作为模板,经硝酸镍刻蚀、碳化、水热硫化制得rGO/NiCo2S4复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)表征复合材料的结构与形貌。随后将rGO/NiCo2S4复合材料制成正极材料,测试其电化学性能,测试结果显示:rGO/NiCo2S4-1.5 h电极材料在1 A·g^-1的电流密度下,其比电容值高达1577 F·g^-1,当电流密度达到10 A·g^-1时,倍率性能为86.4%,在10 A·g^-1的电流密度下循环2000次后,电容保持率为76.9%。另外,在6 mol·L-1 KOH电解液中,由AC//rGO/NiCo2S4-1.5 h组成的不对称电容器在功率密度为723 W·kg^-1时,能量密度为33 Wh·kg^-1;在高功率密度为7277 W·kg^-1时,能量密度仍保持为23 Wh·kg^-1。