有机介质体系锂离子电容器

锂离子电容器（lithium ion capacitor，LIC）是一种新型的电化学储能器件，可以填补锂离子电池和超级电容器两者之间的性能空白，是下一代高能量密度超级电容器的前进方向。本文首先介绍了锂离子电容器的储能原理分为电解液消耗机制、锂离子交换机制以及混合机制，并围绕高能量密度的有机介质体系锂离子电容器，着重阐述了各类电容及电池型正负极材料的性质特点、优化方向及其研究现状，指出不同材料的优缺点及改性方法。同时叙述了与产业应用相关的预嵌锂技术、隔膜、电解液以及体系匹配等方面的研究现状，总结归纳了这些部件的研究对于比能量、功率、安全、稳定性等性能的提升。在产业化应用方面，针对锂离子电容器不同于锂离子电池和传统超级电容器的性能指标，总结其在智能物流、起重机电源、机器人电源及轨道交通等方面独特的应用前景。最后展望了电极材料微观结构优化及功能集成、电解液专用化，预嵌锂成本进一步压缩、以及检测及原位表征方法的开发等锂离子电容器未来的发展方向。     

大连化物所开发新概念锂离子微电容器

正中科院大连化物所吴忠帅研究团队、包信和院士团队与清华大学深圳研究生院副教授贺艳兵合作,开发出一种具有高能量密度、良好柔性、优异高温稳定性及高度集成化的全固态平面锂离子微型电容器。传统锂离子电容器由于具有锂离子电池的高能量密度又具有超级电容器的高功率密度而备受关注。然而,其三明治堆叠结构的器件构型却限制了其机械柔性、高温性能以及模块化集成能力。该研究团队以高导电石墨烯为集流体,以高电压离子凝胶作为电解质,以纳米钛酸锂为负极和活化石墨烯为正极,     

二氧化锰基超级电容器研究进展

超级电容器又称电化学电容器,是一种比传统电容器能量密度高,比二次电池功率密度高的新型储能装置。目前被广泛应用于消费电子、交通工具、军事等多个领域。电极材料作为超级电容器的核心部件,决定着整个器件的电化学性能。文章综述了二氧化锰(Mn O2)基超级电容器的研究进展,指出了其未来发展方向。     

锂离子电池正极涂层孔隙结构优化的数值模拟

以磷酸铁锂(LFP)为正极材料的锂离子电池在电子产品、电动汽车等领域应用广泛,但其能量密度仍有待提升以进一步满足不同场景应用需求。锂离子在正极孔隙电解液中的扩散过程是LFP锂离子电池性能的控制因素之一,通过优化电极孔隙结构可以在一定程度上减小锂离子在电解质中的扩散阻力进而提升能量密度。采用准二维模型描述电池内部的传质电化学过程,考察了当锂离子电池正极孔隙存在梯度分布后对锂离子电池能量密度的影响及作用机理。通过对比孔隙率均匀分布和梯度分布的电池模拟结果,发现孔隙率的梯度分布能提高单位活性材料的利用率,提升电解质通量和电极活性材料的嵌锂量,从而增加电池能量密度。随着电极厚度的增加,孔隙率分布的梯度越大,对能量密度的提升效果越显著,研究结果对于厚电极涂层的制备工艺具有重要意义。     

MCMB在超级电容器中的研究进展

超级电容器作为一种新型储能器件，具有快速充放电，高功率密度，长循环寿命的优势，在混合电动汽车、机械设备、智能电网等领域具有广泛的应用，但是较低的能量密度限制了其进一步发展。电极材料是超级电容器重要的组成成分，而碳材料由于其储量丰富、结构多样、成本低廉，是目前超级电容器使用最多的电极材料。在众多碳材料中，中间相炭微球(MCMBs)作为锂离子电池常用的负极材料，在超级电容器中也具有广泛的应用。本文综述了MCMB的制备，改性方法及其在超级电容器中的应用进展。     

镍锰酸锂正极材料及其适配性电解液研究最新进展

随着新能源汽车产业的蓬勃发展,对高能量密度动力电池的需求日益迫切。开发高电压正极材料及其适配性电解液,成为下一代高能量密度动力电池的主要研究方向。镍锰酸锂（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）材料以其高电压（4.7 V,vs.Li/Li ⁺）、高能量密度（达650 W·h/kg）、资源丰富且价格低廉而受到广泛关注。然而,镍锰酸锂材料在长期的充放电循环过程中,锰从电极材料中溶解,破坏了电极材料的结构,导致电池性能恶化。介绍了镍锰酸锂正极材料及其适配性电解液研究最新进展。指出离子掺杂、表面包覆、复合方法是改善镍锰酸锂电化学性能的有效途径。同时,通过引入成膜添加剂、改变锂盐的种类及浓度、调整主溶剂的种类及比例等方法,可以提高电解液的耐高压性能,提高镍锰酸锂电极与电解液的界面稳定性,也是提升镍锰酸锂电池性能的重要方法。最后提出,适用于锂离子电池的5 V高电压电解液的研发相对滞后,其是制约高电压电池体系应用的主要问题。     

Urea/LiTFSI深共融电解液在锂金属电池中的应用

锂金属电池由于具有高能量密度一直受到广泛的关注。然而,目前传统的电解液由于挥发性高,并且与锂金属负极反应产生锂枝晶等问题,使其不能很好的应用于锂金属电池。尿素基深共融体系具有高的离子电导率,良好的热稳定性以及不易燃等优异的特性,目前已经被应用于锂离子电池。基于此,本文尝试将尿素基电解液(Urea/LiTFSI)应用于锂金属电池,并取得了优异的电池循环性能。     

超级电容器结构及应用发展概述

超级电容器是一种介于普通电池和电容器之间的新型储能元件,本文简单介绍了超级电容器的原理和特点,并重点阐述了超级电容器电极材料和电解液的特点,包括：碳电极材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料以及水体系电解液、有机体系电解液和离子液体电解质等,并对其未来应用和发展方向提出了展望,认为其在混合动力汽车方面应用空间很大。     

锂离子电池异构建模及内部传质机理探究：粒径分布的影响

锂离子电池是目前应用较广的储能设备,具有能量密度高、使用寿命长等特点。随着锂离子电池正极材料实际能量密度接近理论值,电池组装工艺参数的优化成了提升其性能的重要途径,其中电极颗粒粒径及分布是十分重要的参数。因此,本文针对石墨-LiFePO₄体系锂离子电池,利用异构模型构建单粒径和双粒径电极的几何结构,再结合Newman模型模拟其放电过程,定量研究了正极材料粒径分布对锂离子电池性能的影响,探究了存在粒径分布的电极中不同粒径的颗粒在充放电过程的作用机制。模拟结果表明,粒径的减小可以减小固相扩散系数对电池性能的影响,但会增加液相扩散阻力;而粒径的分布可以促进锂离子在电解液中的扩散,提高小粒径颗粒的锂嵌入量,但会引起极化增大,导致大颗粒的锂嵌入量降低。粒径分布宽度越大,总体粒度越大,锂离子电池的能量密度越小。选择合适的粒径分布宽度,适当减小总体粒度的大小,能有效提升电极的能量密度。研究结果对于锂离子电池电极活性材料颗粒粒径分布的选择提供了有益的基础知识和指导。     

金属-有机框架在离子电容器中的应用与研究

离子电容器作为一种新型储能器件,其兼具了超级电容器的大功率密度与电池的高能量密度的特性,在便携式电子产品和混合动力电动汽车等储能领域中有着广泛的应用前景.作为离子电容器的核心组件,其电极材料的性能直接决定了整个器件的性能.因此,为进一步推动离子电容器的发展,开发出性能优异的电极材料势在必行.其中,金属-有机框架材料(M...     

表面化学反应控制制备多级结构电极材料及性能

超级电容器和锂离子电池等储能设备的研究和开发日益受到人们的关注。对于超级电容器和锂离子电池等储能设备,其电化学性能主要取决于电极材料,因此高效储能材料的制备成为开发高效储能设备的关键。本文主要介绍了多级结构过渡金属氧化物基电极材料的制备及性能,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器和锂离子电池方面的相关工作:基于表面化学反应控制制备多级结构金属氧化物、金属氢氧化物/碳嵌入式纳米杂化物以及多种三维结构的多元复合电极材料,表现出优异的电化学性能。     

半固态储能电池的研究进展

半固态储能电池结合了可充电电池的高能量密度和液流电池设计灵活的优点,是一种新型电化学储能技术,近年来受到人们的广泛关注。通过综述半固态电池在锂离子电池、锂硫电池、锌电池、空气电池、有机电池及其他不同类型的储能电池领域的研究进展,并探究了半固态电极中的活性材料、导电剂、电解液及电池结构对半固态电池性能的影响,进而对半固态电极发展中存在的问题进行了分析和总结,发现通过开发新材料与新化学体系,可有效提高半固态电池的性能。最后提出展望,今后半固态电池的研究重点为提高电池能量密度、循环稳定性以及降低浆料黏度等。     

炭基非对称型超级电容器的研究进展

基于碳材料的超级电容器因其高功率密度、快速充放电能力而在电化学储能技术领域发挥着重要的作用，但是较低的能量密度严重限制其发展应用。相较于常规对称型超级电容器，非对称型超级电容器可以充分利用理论工作电压窗口，大幅拓宽工作电压进而提升整体能量密度。本文简单介绍了非对称型超级电容器的优势与分类，以及在电极电位拓宽策略方面的最新研究进展，为未来开发新型超级电容器提供参考方向。     

计算机模拟在不同类型离子电池电极材料中的研究进展

高能量密度储能装置的锂硫电池和钠离子电池等新型电池体系正在迅速发展。简要概述了锂离子电池、锂硫电池和钠离子电池的正负极材料,着重就第一性原理、分子动力学、蒙特卡罗及有限元方法在电极材料中的研究进展,以及在材料的晶体结构、电子结构、离子的输运过程、材料中的温度和应力分布以及掺杂改性等方面的应用进行了综述,对计算模拟技术在电极材料中的应用前景进行了展望。这些理论研究成果将有助于加深对材料和电池性能之间关系的理解,并对新电池体系材料的设计和研发具有理论指导意义。     

二氧化锰基纳米复合材料电极在超级电容器应用中的研究进展

超级电容器是一种具有高的功率密度、良好的循环稳定性和快的充放电速率的储能器件。与传统的电容器相比,由于受到较高的成本和较低能量密度的限制,超级电容器目前仍很难替代传统能源。在此前提条件下,寻求一种电化学储能能力更强、成本更低的电极材料是目前超级电容器电极材料的研究重点。二氧化锰由于其价格低廉、来源广泛和能量密度高的优点成为当前研究最为广泛的电极材料之一。该文以二氧化锰基的纳米复合材料为研究对象,从二氧化锰的制备与改性方法的角度出发,总结了当前二氧化锰基的纳米复合材料在超级电容器方面的应用研究进展,并对未来的发展趋势提出了展望。     

锂离子电容器碳正极材料的研究进展

锂离子电容器是一种采用电容型正极材料、电池型负极材料进行组装的储能器件，结合了锂离子电池与超级电容器两者的优点，兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命。但是由于锂离子电容器还存在正负极动力学过程以及容量不匹配的问题，大大影响了锂离子电容器的电化学性能。通常锂离子电容器的功率密度取决于负极材料，而能量密度取决于正极材料，因此为提高锂离子电容器的能量密度，还需发展具有高比容量和高导电性的正极材料。目前，碳材料因具有低成本、来源广泛、高比表面积和丰富的孔道结构等特点，是一种极具应用潜力的电极材料。综述并分析了各种碳材料(包括活性炭、模板炭、石墨烯和生物炭等)作为锂离子电容器正极材料的电化学性能与优缺点，最后对锂离子电容器正极材料的研究提出了建议与展望。     

序:能源存储材料和器件驱动低碳发展

一次能源的过渡消耗和城市交通的大量排放是环境污染尤其是城市雾霾的主要污染源。发展新能源和电动汽车是解决环境污染和能源枯竭的根本途径，成为我国优化能源结构、振兴能源产业的重要组成部分，也是世界各国竞相发展的新兴产业。当前，在国家一系列政策的推动下，太阳能、风能等新能源和电动汽车虽然已经取得了一定的发展，但是规模化发展难以进行，最主要原因是新能源存储和电动汽车用储能和动力电池在能量密度、功率密度和循环寿命等方面仍然不能满足理想需求。因此，发展高性能储能器件及其关键材料对推动新能源和电动汽车的发展具有重要意义。 储能器件主要包括锂离子电池和超级电容器，已经得到规模化应用，学术界和产业界重点通过开发高能量密度、高功率密度和长循环寿命电极材料来提高锂离子电池和超级电容器的综合性能。为了提高锂离子电池的安全性，固态电池及其固态电解质成为锂电池的重要研究方向；为了提高锂电池的能量密度，锂金属、硅碳、氧化物和硫化物等负极材料，富锂锰基固溶体和高镍三元正极材料也是研究重点。此外，新型储能器件如锂硫电池、钾离子电池、钠离子电池燃料电池也得到大量的研究，但主要集中在高性能电池材料开发，还未实现产业化。因此，未来需要进一步开发可实用化的电池材料，加强新型储能器件的产业化技术研究。 为了集中地报道能源存储材料和器件方面的最新研究进展，我们组织了本期专辑，内容涵盖了当前能源存储材料和器件的热点研究方向和领域，主要包括锂离子电池固态聚合物电解质、富锂锰基正极材料、三维锂金属负极、锂硫电池正极材料、超级电容器电极材料、钾离子电池炭负极材料、WS₂纳米电极材料、燃料电池催化剂等方面的研究。专辑内容系统、深入、全面，涵盖了上述领域的重要研究成果和进展，尤其包括专辑论文作者对该研究方向的理解和解读。本专辑对科研工作者及时了解该领域的发展动态和推动我国在该领域的发展将有很大帮助。 本人非常荣幸受邀作为特邀编辑组织这期专刊，诚挚感谢本期文章的所有作者，感谢他们高水平的研究论文和专题评述，感谢他们将能源存储材料和器件研究成果、研究心得和理解撰写成文贡献给本专辑，使本专辑高效率完成并与读者分享其中的精彩内容；同时感谢本专辑所引用高水平研究成果的所有作者。希望本专辑能够为我国储能材料和器件的发展和人才培养贡献力量。     

超级电容器电极材料研究进展

作为一种介于传统电容器和锂离子电池之间的新型环境友好型储能体系,超级电容器具有许多其它储能器件无法比拟的优异特性,可为化石能源枯竭和环境恶化等问题提供绿色解决方案。在介绍超级电容器工作原理、应用前景、发展状况及特点的基础上,概述了超级电容器电极材料,特别是碳基电极材料的研究进展。     

物理所等高体积和重量能量密度锂-硫电池研究获进展

正锂硫电池被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一,受到全世界科研界和产业界的高度关注,是未来各国布局的重点研究方向之一。但随着研究的不断深入,锂硫电池也面临日益严峻的挑战。目前存在的主要问题是锂硫电池的体积能量密度较低,导致其在很多重要的市场应用中失去竞争力,同时高电解液用量也成为其重量能量密度提高的瓶颈。主要原因在于硫是离子和电子绝缘体,因此正极中的硫需要大量     

动力电池正极材料LiFePO_4的产业化应用展望

磷酸铁锂正极材料兼具安全性好、容量高且对环境友好等优点,成为目前最具潜力的动力电池正极材料之一。但其较低的电子导电率及离子电导率等缺点也十分明显。主要从磷酸铁锂正极材料本身的性能,包括倍率性能、能量密度、循环寿命和高低温性能方面分析了其实际应用于动力电池的潜力,以及结合国内外锂离子电池正极材料供应商情况简述了目前国内外磷酸铁锂产业化现状和趋势。