生物质炭材料作为钠离子电池负极材料的研究进展

钠离子电池的问世使硬炭材料成为了当前研究的重点,但高成本和低循环寿命等不足限制了其作为负极材料在钠离子电池中的应用。生物质炭材料作为硬炭材料的一种,凭借其低成本、可再利用等优势,逐步在储钠材料中占据重要地位。为了更好的了解生物质炭材料,本文综述了近年来生物质炭作为钠离子电池负极材料的研究进展,并对其在储能领域的发展提出了展望。     

硬碳材料作为室温钠离子电池负极材料研究进展

室温钠离子电池以潜在的高性价比优势在大规模储能领域具有广阔发展空间。硬碳材料因其丰富的结构和优良电化学性能被认为是最有潜力的钠离子电池负极材料。但硬碳材料的储钠机理仍存在争论且电化学性能仍需进一步提高。本文在硬碳材料和其储钠机理两个方面综述了近年来硬碳材料储钠的研究进展,并对其发展前景进行了展望。     

钠离子电池硬炭负极研究进展

无定形结构的硬炭以其不同于石墨有序结构的结构优势，以及低成本和原材料来源广，被认为是钠离子电池(SIBs)最有前途的碳基负极材料，其复杂的微观结构与钠储存有着密切的关系。在硬炭微观结构中缺陷，层间和纳米孔隙是硬炭储钠的三个关键特征结构，深入研究这些特征结构有利于实现高容量钠离子电池碳基负极的有效构造，并有利于推进钠离子电池产业化进程。最后对高性能钠离子电池负极的结构设计进行了展望。     

面向实用化的钠离子电池碳负极：进展及挑战

随着电化学储能需求的不断攀升，加之锂资源储量不高、分布不均、成本高等因素影响，作为低成本二次储能电池的代表，钠离子电池迎来新的发展机遇，其研发和产业化迈入快车道。其中，原料丰富、性能优异的碳材料脱颖而出，成为钠离子电池负极的首要选择。本文面向实用化钠离子电池碳负极梳理了碳负极的研究进展，简要介绍了碳负极材料的储钠机制，重点论述了不同类型碳负极的设计思路及其实用化进展，最后分析探讨了实用化钠离子电池碳负极材料发展中面临的挑战及未来研究中需进一步重视的主要问题。     

硬碳负极材料的热稳定性及其钠离子电池安全性能评测

钠离子电池作为一种有应用前景的能量储存系统,技术发展日趋完善。钠离子电池由于钠资源丰富,在大规模储能及低速电动车应用等领域具有成本优势,引起学术及产业界的广泛关注。随着钠离子电池产业的推进,电池安全性是亟待研究及数据积累的重点问题之一。近年来,随着电动汽车数量的增加和动力电池能量密度的提高,汽车安全事故时有发生,究其原因多为电池单体热量耗散造成。本工作从负极硬碳材料热稳定性、电芯过放电、极端破坏(挤压针刺等)和热失控等方面对钠离子电池进行安全性评测。结果表明,电解液的存在会降低嵌钠态硬碳的稳定性,且随负极嵌钠量增加,放热峰的位置也随之前移且更明显;与无过放电芯比较,软包电芯过放电至0 V对电芯的长循环稳定性基本无影响,循环500周后的容量保持率基本一致,且电流密度大小(0.1和1 C)对电芯容量恢复和循环性能亦无明显影响;挤压针刺测试结果表明钠离子电池安全性能良好,绝热加速量热仪(ARC)测试发现电芯安全性能并未随着荷电状态(SOC)增加趋于不稳定,实验结果表明30% SOC状态下电芯安全性最好。     

黑磷基储钠负极材料的研究进展

钠离子电池被认为是商业化锂离子电池最有前景的替代品而受到了极大关注。然而,嵌入型碳基负极材料的固有低比容量导致相对低的能量密度,极大地限制了其未来的应用。研究新型电极材料是研制新一代钠离子电池的基础。目前磷资源丰富,理论比容量高,可用于电池负极材料。综述单一黑磷及黑磷基复合材料作为钠离子电池负极材料的最新研究成果,阐述近几年黑磷基复合材料作为负极在储钠领域的研究进展,分析复合材料的制备及结构形貌对电化学性能的影响等,并展望黑磷基储钠负极材料的未来发展方向。     

钠电硬碳负极材料的研究进展

由于低成本、高可逆容量和低工作电位,钠离子电池(SIB)被认为是众多储能系统中最有前途的锂电替代产品之一。SIBs的商业化应用依赖于先进的正负极材料的开发。硬碳内部具有精密的纹理(封闭的孔隙和缺陷)和大的微晶层间距,因具有稳定性高、应用广泛、成本低廉、性能优异等优点,成为最有前途的电池负极材料,但它的初始库伦效率(ICE)较低,因此本文详细介绍了提高硬碳ICE的有效策略。     

钠离子电池碳基负极材料的研究进展

电极材料的研究开发是钠离子电池技术发展和应用的关键之一,碳基负极材料具有原料丰富、成本低廉、可逆容量较大及倍率性能良好等优点,备受国内外专家、学者的关注。本文系统综述了钠离子电池碳基负极材料的最新研究进展,就石墨类和非石墨类碳基负极材料的分类和掺杂改性研究进行了详细介绍。石墨类材料有石墨和石墨烯,非石墨类材料有软碳和硬碳;元素掺杂改性主要是以N和S为主,并分别阐述了各种碳基负极材料的电化学性能及可能的充放电机理。分析了目前碳基负极材料面临着首次库仑效率较低、电压滞后现象严重、循环稳定性能不佳等问题,未来的发展方向主要是增大碳基负极材料的碳层间距、结构的纳米化以及优化制备工艺,以确保循环稳定性及倍率性能的优异性。     

室温钠离子电池用高性能碳材料研究进展

随着大规模储能领域对性价比要求的日益提升,室温钠离子电池有望成为新一代能源存储器件。在多种备选材料中,出于综合性能、成本和安全性考虑,碳基材料是最具实用潜力的钠离子电池负极材料之一。值得注意的是,体相扩散型碳和表面吸附型碳在储钠位点、电化学行为和设计思路上有很大区别。综述了两类碳材料近年来的研究进展,探讨了储钠机理、电解液匹配以及关键性能提升等问题。最后,对钠离子电池碳基负极材料研究面临的挑战及未来发展方向进行了展望。     

钠离子电池负极材料的储钠机制及性能研究进展

绿色能源的应用,促使着电化学储能与转换技术的飞速发展。锂离子电池作为储能领域最成功的二次离子电池之一,已被应用于各种电子产品中,但是由于锂资源短缺造成锂离子电池的成本增加,限制了其在大规模储能设备领域的应用。因此,寻找价格低廉、性能优异的二次离子电池是当下的研究热门之一。钠离子电池不仅拥有和锂离子电池相似的工作原理,而且还具有成本低、资源丰度大和可逆容量高的特点,有望成功地代替锂离子电池而应用于商业化生产。本工作主要综述了钠离子电池负极材料的性能研究进展,首先根据钠离子在负极材料存储方式不同,分析归纳了负极材料的插层反应、合金化反应和转换反应三种储钠机制,然后介绍了负极材料的结构修改、元素掺杂和材料复合三种改性方式,随后重点介绍了碳基材料、钛基材料、合金类材料、转换类材料和有机材料等几种关键的钠离子电池负极材料的电化学性能和所面临的问题,最后,以实际生产和工业应用为基础,展望了钠离子电池负极材料的研究方向。     

植物生物质构建钠离子电池负极材料研究进展

以废弃植物生物质为基材制备的高值化钠离子电池负极纳米复合碳材料,工艺简单、成本低廉,有望成为传统石墨负极材料的替代品。本文系统梳理了废弃植物生物质应用于钠离子电池负极材料的最新研究现状,具体归纳了木质纤维素类废弃植物生物质(乔木类、秸秆类、干质果壳类)和多糖淀粉类废弃植物生物质(种子类)的生物模板法制备过程,深入阐释了其诸多电化学性能和独特形态结构形成的钠离子存储机理及构效关系,客观探讨了植物生物质基钠离子电池负极材料目前存在的一些问题,简要分析与非植物基钠离子电池负极材料的性能对比优势及未来发展方向,为植物生物质固废物这一大自然中储量巨大的可再生能源的高值化利用提供了新思路和新方法。     

钠离子电池研究进展

钠离子电池具有比能量高、安全性能好、价格低廉等优点,在储能领域有望成为锂离子电池的替代品。本文阐述了钠离子电池的研究现状,对钠离子电池研究的正负极材料、电解质的制备以及其电化学性能作了概述性讨论。正极材料有氧化物型、聚阴离子型;负极材料有碳基材料、钛基材料和合金负极材料等;电解液有有机溶剂电解液和凝胶聚合物电解液,并分别阐明了各种材料的优势和局限性。最后指出了这类高效钠二次电池体系有可能逐渐替代锂离子电池,并指明了现阶段发展钠离子的主要问题是不同体系材料的相互匹配。     

基于电化学反应机理的钠离子电池负极材料研究进展

钠离子电池作为一种新型的储能体系,与比较成熟的锂离子电池体系相比,不仅是元素的变化,更重要的是电化学反应机理的变化。简要分析了钠离子电池的优点,以负极材料的电化学反应机理为基础,归纳概括了近期钠离子负极材料的研究进展,主要分为碳材料、合金类材料、过渡金属氧化物和硫化物及有机化合物四类,并介绍了相应材料的电化学性能,为开发综合性能优异的钠离子负极材料提供理论基础。     

锂离子电池新型负极材料的研究进展

锂离子电池作为一种电源应用很广泛,但是在应用中存在一些不足,选取电化学性能良好的正负极材料是提高和改善锂离子电池电化学性能最重要的因素。从新型碳材料、硅基负极材料、锡基负极材料三方面介绍了目前锂离子电池的研究状况,并展望了锂离子电池负极材料的发展趋势。     

高性能钠离子电池负极材料的研究进展

负极材料的研究是钠离子电池实现商业化生产的关键要素之一，近年来已经取得了突破性进展。但是较大半径的钠离子在嵌/脱过程中对负极材料结构的影响非常大，进而导致可逆容量迅速降低。本文系统综述了钠离子电池负极材料的最新研究成果，阐述了碳基材料、钛基化合物、合金材料、金属化合物和有机化合物5类负极材料的制备工艺，并分析了这些材料的性能特点：碳基材料的研发技术成熟，但比容量和倍率性能有待提高；钛基化合物的结构性能良好，倍率性能出色，但存在比容量较低的缺点；合金材料和金属化合物都具有较高的理论比容量，但循环性能较差；有机化合物的研发尚处于起步阶段，有待深入研究。基于现有的研究基础，总结了材料的改性方法和取得的效果，并展望了钠离子电池负极材料的研究方向，分析指出表面碳包覆可以提升材料的电子传导性，纳米结构可以缩短钠离子的传输途径，多孔形貌有利于电解质对材料的浸润，而元素掺杂可以提升材料的反应活性，最终获得高性能钠离子电池负极材料。     

锂离子电池硅负极表面改性的研究进展

硅由于具有高的理论比容量、低的脱嵌锂电位、储量丰富等优势已成为当前高能量密度锂离子电池重要开发的高性能负极材料，但硅负极较大的体膨胀效应和较低的电导率等问题限制硅负极在商业中进一步的应用。针对硅负极材料发展所面临的问题，本文着重从硅的表面改性包括表面包覆、表面功能化、人造固相电解质膜等技术展开综述，分析了这些改性策略及电化学性能改进机理，并对硅表面改性技术进一步发展做了简单展望，旨在开发出高能量密度动力锂电池用关键硅负极材料。     

熔融盐法制备煤基多孔碳纳米片用于钠离子电池负极

低成本、高性能钠离子电池负极材料的开发是其走向商业化应用的关键。以富含芳香结构单元的煤液化固体残渣为碳源,结合KCl/CaCl₂熔融盐的结构导向作用,可控制备了二维多孔碳纳米片（carbon nanosheets, CTx）,并探究其用于钠离子电池负极材料的电化学性能。研究发现,通过调控碳化温度可对煤基多孔碳纳米片的微观结构进行优化,在1000℃下制备的二维碳纳米片样品（CT1000）具有相对高的比表面积和丰富的缺陷结构。作为钠离子电池的负极材料,在0.1 A·g^-1 的电流密度下,其可逆比容量为221.4 mAh·g^-1,当电流密度增加至10 A·g^-1时,比容量可以保持在124.4 mAh·g^-1,倍率性能优异。此外,在1 A·g^-1 的电流密度下经2000次循环后,比容量保持率高达94.2%,展现出较大的应用潜力。     

熔融盐法制备煤基多孔碳纳米片用于钠离子电池负极

低成本、高性能钠离子电池负极材料的开发是其走向商业化应用的关键。以富含芳香结构单元的煤液化固体残渣为碳源,结合KCl/CaCl₂熔融盐的结构导向作用,可控制备了二维多孔碳纳米片（carbon nanosheets, CTx）,并探究其用于钠离子电池负极材料的电化学性能。研究发现,通过调控碳化温度可对煤基多孔碳纳米片的微观结构进行优化,在1000℃下制备的二维碳纳米片样品（CT1000）具有相对高的比表面积和丰富的缺陷结构。作为钠离子电池的负极材料,在0.1 A·g^-1 的电流密度下,其可逆比容量为221.4 mAh·g^-1,当电流密度增加至10 A·g^-1时,比容量可以保持在124.4 mAh·g^-1,倍率性能优异。此外,在1 A·g^-1 的电流密度下经2000次循环后,比容量保持率高达94.2%,展现出较大的应用潜力。     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。     

花状SnSe0.5S0.5@N-C复合材料的制备及其在钠离子电池中的应用

为了设计具有高容量和循环稳定性的钠离子电池负极材料,合成了有序花状SnSe,在其表面进行氮碳掺杂,并进一步硫化,得到有序花状SnSe0.5S0.5@N-C复合材料.采用SEM、TEM、XRD、XPS对复合材料的结构和形貌进行了表征,并将其作为钠离子电池负极进行了性能测试.结果表明,当SnSe0.5S0.5@N-C作为钠离子电池负极时,表现出较高的可逆容量和优异的循环性能.在0.2 A/g电流密度下,复合材料在循环100圈后的可逆比容量仍可高达430.7 mA·h/g.