锂硫电池硫基复合正极材料发展综述

硫正极材料具有比容量高、资源丰富、环境友好等特点,由它与锂金属负极组成锂硫电池是一种极具应用前景的高能量密度的电池体系,在市场上有着极大的发展空间。硫基正极材料作为锂硫电池的重要组成部分,是提高电池性能的关键之一,也是目前的研究重点。然而锂硫电池还存在着一些比较严重的问题,如硫的导电性差、"穿梭效应"和锂晶枝等。本文综述了近几年国内外锂硫电池硫正极材料在单质硫、金属硫化物和有机硫化物三个方面的最新研究进展,并展望了锂硫电池硫正极材料的发展方向。     

锂硫电池正极材料NiO/CNT的制备及性能研究

锂硫电池在电动汽车、无人机等领域受到极大的关注,因其环境友好、材料成本低、理论容量高等特点而被广泛研究,但因硫的导电性能不佳、多硫化物的穿梭效应以及充放电过程中硫的体积变化等阻碍了锂硫电池的商业化。为改善硫不良的导电性及多硫化物的穿梭效应,基于碳材料优异的导电性与氧化物较强的吸附性,采用水合肼在CNT表面还原氯化镍,通过热处理后得到NiO/CNT复合物作为硫的载体,充当电池的正极。物理及电化学表征的结果表明,多孔结构的NiO/CNT比表面积达到48.49 m²·g^-1,在电流密度为1C下,NiO/CNT的首圈比容量达到825 mAh·g^-1,循环100圈后,比容量保持在617 mAh·g^-1且库伦效率在99.3%以上,说明两种材料的复合提高了电池库伦效率和循环性能。     

载硫纤维膜对锂硫电池储能性能影响研究

单质硫的低导电性是限制锂硫电池电化学性能及正极载硫量的重要原因。针对这个问题,本文通过引入负载有单质硫的玻璃纤维膜的方式在锂硫电池中引入与正极没有导电连接的单质硫。采用拉曼光谱分析电池循环后正极表面的生成物,发现玻璃纤维上的单质硫能转移到正极,并参与电化学反应为电池贡献容量。进一步研究了电池容量和隔膜硫含量与正极碳含量之间的关系,认为单质硫可以通过溶液路径转移到正极表面,而正极的电化学活性表面积对电池的容量有着重要影响。本研究为开发高载硫锂硫电池提供了新的思路。     

氢诱导二维硫族化合物PtX2的电磁特性研究

为了充分研究二维重过渡金属硫族化合物材料在磁性器件中的潜在应用,基于自旋极化密度泛函理论,文中研究了氢化单层PtX₂(X=S,Se,Te)的稳定性和电磁特性。研究结果表明,单层PtX₂在氢化后具有较高的稳定性,且稳定性随硫族原子序数的增加而下降;氢化使单层PtX₂出现了磁矩,使其从半导体变为铁磁性的金属,该磁矩主要来自于窄反键子能带自旋极化下的Pt 5d电子。此外,单层PtX₂的铁磁性也随着硫族原子序数的增加而出现了下降的趋势。因此,文中的研究成果为设计二维重过渡金属硫族化合物材料的铁磁性提供了参考。     

二维半导体光电性质与器件研究进展简述

二维半导体材料,如过渡金属硫族化合物,以其在光电器件方面展现出的独特性能与巨大潜力,成为后摩尔时代有极大发展前景的新半导体材料.二维材料具有独特的光电性质,如直接带隙的电子结构,谷自旋电子学特性,强激子效应等,而利用以上性质,此类材料可用于光探测器、场效应晶体管、高效微纳传感器、光电子电路等微纳光电器件中.因此,以过渡金属硫族化合物为代表的二维半导体材料无论在基础科学与未来应用方面,都是重要的备选材料.     

基于第一性原理的锰掺杂二维二硫族化物的电磁学特性研究

二维材料和自旋电子学已经成为当今电子学的研究热点之一。文中基于第一性原理计算方法,对Mn掺杂的单层MoS_2,MoSe_2,MoTe_2和单层WS_2的电磁学特性进行研究。结合态密度和自旋电荷密度的分析,发现由于局域Mn自旋和硫族原子的离域p自旋之间的反铁磁交换作用,Mn分别替位掺杂在Mo和W位置上会产生长程铁磁序。同时对其他过渡金属掺杂的二维硫化物的磁序进行了研究,发现过渡金属替位掺杂只存在铁磁交换作用,且无法产生长程的铁磁序。文中的研究成果预示了锰掺杂二维二硫族化物作为二维稀磁半导体的潜力,可以为相关研究提供理论支撑。     

碳修饰的HMCS@ReS2的合成及其储钠性能研究

二硫化铼(ReS₂)作为过渡金属二硫化物的一员，由于极弱的层间范德华相互作用、较弱的层间耦合能量和较大的层间距，在钠离子电池领域有着良好的应用前景。但是ReS₂自身较低的本征电导率和充放电过程中较大的体积膨胀严重限制了其电化学储钠能力。在空心介孔碳球(HMCS)上原位生长ReS₂纳米片(HMCS@ReS₂),将HMCS@ReS₂复合材料作为高性能钠离子电池负极。碳基材料的复合弥补了ReS₂电导率不足的缺陷，促进了电子的快速转移；空心介孔碳球为ReS₂的体积变化提供了足够的缓冲空间，维持了电极材料的结构稳定性。HMCS@ReS₂作为钠离子电池负极材料时有着优异的倍率性能和循环性能。结果表明，HMCS@ReS₂电极在0.2,0.5,1.0,2.0,5.0 A·g^-1的电流密度下分别表现出388.5,343.4,305.3,262.4,180.1 mAh·g^-1     

金属/氮化物肖特基势垒和欧姆接触研究进展

金属 /氮化物肖特基势垒和欧姆接触是蓝紫光光学器件及高温大功率电子器件中的关键工艺。氮化物半导体是一种极性材料 ,表面态密度较低 ,费米能级钉扎效应较弱 ,表面处理能显著影响接触特性。样品表面的沾污和氧化层也会使接触特性显著退化。宽禁带材料的杂质离化能高 ,重掺杂比较困难。深能级陷阱对载流子的俘获效应很强。这些因素都增加了接触的制作难度 ,促使人们寻求新的方案来改进接触特性。文中从金属 /半导体接触的物理模型出发来综述肖特基势垒和欧姆接触的研究进展 ,希望能给器件研究者提供新的思路。     

V_2O_5(TiO_2)/S复合材料作锂电池正极的性能研究

为了改善锂硫电池的循环性能,将单质硫分别与纳米金属氧化物(V2O5,TiO2)机械混合。用XRD对材料的晶体结构进行了表征。通过循环伏安、交流阻抗和电池性能的对比,对材料的电化学性能进行了分析。结果表明:采用V2O5改性的硫材料,首次放电比容量达844.68 mAh.g–1,样品循环容量衰减明显改善,30次后比容量保持在696.71 mAh.g–1。而TiO2/S复合材料,初始放电比容量为578.21 mAh.g–1,30次循环后比容量为347.71 mAh.g–1。     

硫钝化GaP(001)表面的结构及电学性质研究

基于第一性原理的密度泛函理论,分析了覆盖度为1 ML(monolayer)的硫吸附在磷截止和镓截止的GAP(001)(1×2)表面的结构和电学属性.能量计算表明,最稳定的吸附模型均是SHB ST4,镓和磷二聚物都被断开,周期单元由(1×2)变成(1×1),硫原子吸附在桥位置,Ga-S键比P-S键更稳定.电学性质分析可知,硫吸附在镓截止GaP表面后能隙中的表面态大幅度减少,而吸附在磷截止的表面时表面态并没有减少且在0.74 eV处多了一个新峰,硫吸附在镓截止表面后的态密度分布与实验结果吻合很好.因此,1 ML的硫吸附在GAP(001)面时表面上最主要形成Ga-S键.     

CNT/α-MnO_2复合正极对锂空气电池性能的影响研究

作为锂空气电池的关键组成部分之一,正极材料性质对锂空气电池的性能起到重要影响。以CNT为碳载体,以α-MnO_2为催化剂,制备CNT/α-MnO_2复合电极作为电池正极。通过恒流定容充放电测试、深度充放电测试、循环伏安测试、电化学阻抗谱测试和扫描电镜测试,研究CNT/α-MnO_2复合正极材料对锂空气电池性能的影响,并获得最优电极材料配比。研究表明:制备的CNT/α-MnO_2复合电极表现出高循环稳定性和高催化活性,显著提升了锂空气电池的性能;当正极材料中CNT与α-MnO_2的质量比为3∶6时,装备CNT/α-MnO_2复合正极的锂空气电池表现出最佳性能,其循环次数高达170次。     

GaN异质结的二维表面态

提出了氮化物表面强极化电荷产生薄吸附层形成的二维表面态新模型. 从薛定谔方程和泊松方程的自洽计算中得到了新的二维表面态. 计算了不同吸附层能带带阶、厚度和表面势下的表面状态,研究了表面态与异质结构间的关联. 算得的表面能级同实验测量数据相吻合. 用该态模型解释了氮化物产生高密度表面态的原因和深表面能级与较浅的瞬态电流激活能间的矛盾.     

GaN异质结的二维表面态

提出了氮化物表面强极化电荷产生薄吸附层形成的二维表面态新模型.从薛定谔方程和泊松方程的自洽计算中得到了新的二维表面态.计算了不同吸附层能带带阶、厚度和表面势下的表面状态,研究了表面态与异质结构间的关联.算得的表面能级同实验测量数据相吻合.用该态模型解释了氮化物产生高密度表面态的原因和深表面能级与较浅的瞬态电流激活能间的矛盾.     

SiO2掺杂介孔碳纳米球及其锂硫电池的特性

为了增加对锂硫电池在循环期间产生的多硫化物的吸附能力,用软模板法在溶液中通过自组装得到了SiO2掺杂介孔碳球,其中极性SiO2可以很好地吸附多硫化物,提高锂硫电池的循环性能。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征结果表明合成的介孔碳球分散性良好,粒径约为250 nm,具有封闭在内部的孔径约为20 nm的球形孔,封闭的孔结构可以为防止多硫化物流失提供良好的物理屏障。同时氮气吸附和脱附测试结果表明介孔碳球具有很高的比表面积(523 m2/g)和孔体积(0.67 cm3/g),热重分析仪(TGA)数据表明SiO2的质量分数为9.4%,灌硫后硫的质量分数为60%。电化学测试结果表明,在167.5 mA/g的电流密度下,SiO2掺杂介孔碳球的首次循环比容量为1173 mA·h/g,100次循环后比容量仍可达到770 mA·h/g,库仑效率保持在99%。在1675 mA/g的大电流密度下循环了500次后比容量从660 mA·h/g下降到550 mA·h/g,平均每次循环的比容量衰减率仅为0.036%。     

化学所研制出新型高比能室温钠-硫电池

正最近,在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的研究人员,在新型高比能室温钠-硫电池研究方面又取得新进展。研究结果发表在近期出版的Adv.Mater.(2014,26,1261-1265)上,并被选为当期背封面(Back Cover)论文。钠-硫电池是以单质硫为正极,金属钠为负极,通过硫与钠间的电化学反应实现化学能和电能相互转换的一类金属二次电池。同锂-硫电池类似,钠-硫电池的正极(S)和负极(Na)也具有很高的理论比容量,使其     

基于第一性原理的单层SnSe2二维薄膜的气敏效应

为探索SnSe2二维薄膜材料的气敏特性,采用分子力场方法系统地研究了SnSe2二维单层材料对H2,CO,NH3及NO2等4种典型气体分子的最优吸附位置和吸附能力,并基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法计算了吸附前后的键长键角变化率、能带结构、态密度及电荷差分密度等参数,分析了吸附前后的电子结构变化与气敏效应之间的内在关联。计算结果发现,吸附H2和CO未能对SnSe2单层的能带结构和电子结构产生改变,而NO2和NH3却在导带底(CBM)和价带顶(VBM)之间分别产生了新的杂质能级,并使费米能级发生位移,从而改变SnSe2单层电子结构。电荷差分密度分析进一步表明SnSe2二维单层未能对H2和CO产生响应,而对NH3和NO2却有明显的气敏效应,其中对NO2有良好的敏感性能和选择性。     

In0.53Ga0.47As表面氮化和硫钝化对其Al/Al2O3/InGaAs MOS电容特性的影响

本文通过对比频散特性和滞回特性,计算界面态密度D_it和有效边界缺陷密度ΔN_bt,分析界面缺陷和漏电流等方法,系统的研究了In_0.53Ga_0.47As表面氮化和硫钝化对其Al/Al₂O₃/InGaAs结构MOS电容特性的影响。实验结果表明,这两种方法都能够在InGaAs表明形成一层界面钝化层。相比较于未处理的样品,经过氮气等离子体处理的样品表现出较好的界面特性,得到了最小的积累区频散、滞回电压,以及良好的I-V性能。经过(NH₄)₂S_x处理的样品则获得了最小的平带电压区频散以及最低的界面态密度Dit=2.6E11cm_-2eV_-1.     

AlGaN/GaN异质结辐射感生界面态电荷对二维电子气输运的影响

根据荷电中心与自由载流子间的库仑散射作用,给出了异质结辐射感生界面态电荷对二维电子气(2DEG)迁移率的散射模型.计算了在不同沟道电子面密度下,界面态电荷密度与其所限制的迁移率之间的关系.运用马德森定则分析了辐射感生界面态电荷散射对总迁移率的影响.分析表明,辐射感生界面态电荷在累积到一定量后,会显著影响迁移率,一定程度上提高2DEG密度能抑制界面态电荷散射的作用     

AlGaN/GaN异质结辐射感生界面态电荷对二维电子气输运的影响

根据荷电中心与自由载流子间的库仑散射作用,给出了异质结辐射感生界面态电荷对二维电子气(2DEG)迁移率的散射模型.计算了在不同沟道电子面密度下,界面态电荷密度与其所限制的迁移率之间的关系.运用马德森定则分析了辐射感生界面态电荷散射对总迁移率的影响.分析表明,辐射感生界面态电荷在累积到一定量后,会显著影响迁移率,一定程度上提高2DEG密度能抑制界面态电荷散射的作用.     

用于大功率锂电池组的电池管理设计

基于锂的电池化学材料在大功率工业和交通运输系统中正在迅速取代铅酸和镍氢金属(NiMH)材料.不过,锂化学材料在能量和功率密度方面的优点被电池管理电路更高的复杂性抵消了.在这些"下一代"电池管理系统(BMS)中,开发人员需要应对非常具有挑战性的设计限制.他们必须在严酷的噪声环境中,在宽温度范围内和存在几百伏共模电压的情况下,以非常高的精确度测量每节电池的电压.