高熵电化学储能材料的研究进展与新机遇

能源革命中的新范式对电化学储能技术提出了更高的要求,而储能材料是电化学储能技术发展的关键。近年来,高熵作为一种新兴的材料设计策略,极大地扩展了电化学储能材料设计空间,有望用于突破当前电化学储能材料综合性能瓶颈,为电化学储能技术发展提供新动力。重点介绍了高熵电化学储能材料在锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器电极材料方面的研究进展;简述了高熵材料的基本概念,主要包括高熵的定义与相关效应。从高熵的视角,总结了相关效应对电化学储能材料结构特性及性能的影响规律。最后,总结了对未来高熵电化学储能材料发展所带来的新机遇与新挑战提出了个人理解。     

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。     

大规模低成本电化学储能技术及应用研究进展

简要介绍了电化学储能的原理及特点,着重分析了目前发展较为成熟的电化学储能技术,如铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池技术的研究进展及应用现状,并对目前处于前沿研究的先进的大规模电化学储能技术,如钠离子电池、钾离子电池、锂硫电池、铝离子电池、固态电池及新型液流电池研究现状进行了研究。最后对未来大规模低成本电化学储能技术发展趋势进行了展望。     

多孔炭材料设计合成及电化学储能应用

多孔炭材料具有导电性好、结构稳定、资源丰富、价格低廉的天然优势，既可直接作为电极材料，构建炭基电化学储能器件，又可与非炭电活性材料复合，起到传输电子、缓冲体积膨胀及调节界面反应的作用，在电化学储能器件中一直发挥着不可或缺的作用。结合本文作者课题组的研究工作，本文总结了多孔炭制备及孔结构和形貌的调控方法，分析了各方法的优缺点；并以超级电容器、锂离子/钠离子电池和锂硫电池为代表，阐述了多孔炭材料在电化学储能领域的作用及应用研究现状，讨论了电化学储能器件对多孔炭材料的结构与性能要求，指出了多孔炭在电化学储能应用中存在的局限性，并对多孔炭在这些储能领域的研究和发展趋势做出展望。     

一维纳米储能材料的合成与应用

近年来的能源危机和环境污染问题加速了储能领域的快速发展。一维纳米材料，尤其是纳米线材料所具有的高长径比特点使其具有独特的电子离子输运性质，在储能领域的应用中具有极大的潜能。本文以本课题组在纳米线储能材料与器件领域的研究成果为基础，结合国内外同行的前沿研究进展，从纳米线材料的结构设计与合成、纳米线材料在电池中的应用和纳米线微纳器件3个方面进行综述。最后，对于未来进一步探索和发展基于纳米线的电化学储能材料与器件的前景进行展望。     

生物质碳材料在钾离子电池负极材料中的应用

钾离子电池因其能量密度高、钾储量丰富、成本低等优势而成为当前储能器件领域一个新的研究热点。钾离子可以在商品化石墨负极材料中嵌入与脱出,这对于钾离子电池未来的产业化发展具有重要意义。但目前石墨负极存在体积膨胀率较大、容量衰减快、倍率性能低等问题。近年来,为寻找适宜嵌钾的材料与抑制膨胀的方法,越来越多的电极材料体系被开发出来。其中生物质碳材料因制备工艺简单、成本低廉和环保等优点被广泛研究。本文总结了钾离子电池生物质碳材料的最新研究进展;分析了存在于碳基材料的两种储钾机制及各自对电化学性能的影响,并对一些表现出优异电化学性能的生物质碳材料的制备方法及电化学性能做出扼要综述;在此基础上,对钾离子电池的下一步研究进行展望与总结。     

电化学流体电容器的研究进展

能源和环境是21世纪的两大主要问题.规模化储能技术和器件的研发日趋重要.电化学储能系统因其能量密度高且对地理条件没有特殊要求而受到广泛关注.电化学流体电容器结合了液流电池能量高和超级电容器功率密度高的优点,是该类储能系统的重要代表.半固态流体电极是该类器件的核心,但其微观结构比较复杂,通常涉及流变学、界面化学和电化学等交叉学科,是当前研究的重点.该文综述了目前关于电化学流体电容器电极微结构设计、器件设计以及表征和测试方法等方面的研究进展,并讨论了今后研究的关键科学问题与重点研究方向.     

石墨烯在电化学储能领域应用的研究进展

自2004年石墨烯首次被发现以来,石墨烯已经成为了材料科学界最热门的话题。这股"石墨烯热"对电化学储能领域影响深远。石墨烯在电化学储能领域应用中,既可作为活性材料,也可作为非活性材料。我们将从这两方面分别概述石墨烯在金属离子电池、金属空气电池及超级电容器中的最新应用。     

锂离子电池负极析锂检测方法的研究进展

锂离子电池作为目前应用最广泛的电化学储能器件,其安全性和循环稳定性问题备受关注.负极材料表面析锂是锂离子电池常见的失效原因,因此也是相关产业界的研究热点.然而,由于锂离子电池的封闭式外包装,许多常规的检测手段无法直接应用于电池内部,导致析锂检测成为了锂离子电池行业的难点问题.针对该问题,从构造特殊原位电池、外部特性推测...     

金属-有机框架在二次电池中的储能机制研究进展

金属-有机框架（MOFs）具有多孔、大比表面积和结构与功能可调控等特点,已被广泛用作二次电池电极材料。本文重点介绍了MOFs作为二次电池电极材料的储能机制研究进展,主要分为转化储能机制、脱嵌储能机制、物理吸脱附储能机制等,并分析了各类储能机理的储能特点及对电化学性能的影响,探究了MOFs在较大离子半径的钠、钾离子电池中的应用特点及发展潜力。最后简要讨论了MOFs作为电极材料的设计思路为兼顾各类储能机制的优点,即选用较多储能位点的结构及较稳定的金属离子作为有机配体的连接点。     

R&D considerations for the performance and application of electrochemical capacitors

Research and development (R&D) of electrochemical capacitors is discussed in terms of material characteristics and device performance and testing. Various chemistries and technologies being developed are identified and the status of and problems associated with each of the technologies are discussed. The technologies considered include those using various types of carbon and pseudo-capacitive materials such as metal oxides. What is needed to make the various electrochemical capacitor technologies cost competitive with batteries for different applications and markets is also considered.Electrochemical capacitors (especially double-layer capacitors) are intrinsically high power devices of limited energy storage capability and long cycle life; batteries are basically energy storage devices, which can be designed and used as relatively high power devices with a sacrifice in useable energy storage capacity. Both electrochemical capacitors and high power batteries are designed with thin electrodes, materials having nano-scale characteristics, and a minimum resistance. Much of the research on electrochemical capacitors is concerned with increasing their energy density with the minimum sacrifice in power capability and cycle life for deep discharges. Of special interest has been the development of advanced carbons with specific capacitance (F/g) significantly greater than the present values of 150-200 F/g in aqueous electrolytes and 80-120 F/g in organic electrolytes. Cost continues to be a major obstacle to the development of large markets for electrochemical capacitors particularly for vehicle applications. The development of lower cost carbons appropriate for use in electrochemical capacitors is underway by several speciality carbon suppliers. The goal is to reduce the cost of the carbon to $10-15/kg.     

Radiation-grafted materials for energy conversion and energy storage applications

Polymer electrolyte membranes are key components in electrochemical power sources that are receiving ever-growing demand for the development of more efficient, reliable and environmentally friendly energy systems. Ongoing research is focusing on materials with high ionic conductivity and stability, at low cost. Among different methods, radiation-induced grafting is a universal attractive method for preparation of polymer electrolyte materials with tunable properties for various energy conversion and energy storage applications. This review addresses recent advances in the application of radiation-induced grafting techniques for the preparation of polymer electrolyte membranes/separators for emerging electrochemical devices such as fuel cells, batteries and supercapacitors. The challenges associated with the current state-of-the-art materials are highlighted, together with new directions that should be considered for future research.     

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。     

A review of spinel lithium titanate (Li4Ti5O12) as electrode material for advanced energy storage devices

With the increasing demand for light, small and high power rechargeable lithium ion batteries in the application of mobile phones, laptop computers, electric vehicles, electrochemical energy storage, and smart grids, the development of electrode materials with high-safety, high-power, long-life, low-cost, and environment benefit is in fast developing recently. The spinel lithium titanate Li₄Ti₅O₁₂ has attracted more and more attention as electrode materials applied in advanced energy storage devices due to its appealing features such as “zero-strain” structure characteristic, excellent cycle stability, low cost and high safety feature. The review focuses on recent studies on spinel lithium titanate (Li₄Ti₅O₁₂) for the energy storage devices, especially on the structure the reversibility of electrode redox, as well as the synthesis methods and strategies for improvement in the electrochemical performances.     

低温等离子体在电化学储能器件表面修饰的应用

面对日益严峻的能源危机和环境污染，人类社会需减少化石燃料使用，发展新能源。以锂离子电池为代表的二次电池作为新能源存储设备在生活中得到了广泛应用。然而，在充放电过程中，以电极材料为代表的电化学储能器件面临体积膨胀、活性物质溶解等问题，影响二次电池的电容量和安全性。对电化学储能器件进行合理的表面修饰是改善上述问题的关键。等离子体具有高活性，可以有效抑制电极材料表面活性物质溶解、避免副反应的发生，提高二次电池的循环寿命和放电容量。本工作对等离子体技术，特别是低温等离子体进行了介绍，并总结了低温等离子体技术在电化学储能器件表面修饰中的最新进展，重点介绍了其在先进电极材料表面的应用，最后讨论了等离子体方法优点，并对其未来面临的挑战和应用进行了展望。     

超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是一种介于电池和传统电容器的一种新的储能器件,也叫电化学超级电容器。介绍了目前国内外的超级电容器电极材料的研究现状以及展望,如碳材料、金属氧化物、导电聚合物。     

钾离子电池研究进展

阐述了钾离子电池关键材料和电池技术的研究现状,特别是对普鲁士蓝类和P2、P3相层状氧化物材料作为正极材料的电化学性能及存在的问题、碳基负极材料（石墨、硬碳、软碳等）的电化学性能及钾离子脱嵌机理、当前所用电解液的优缺点等方面都进行了较为全面的讨论和分析。分析表明普鲁士蓝和非石墨材料等材料已经同时展示出较高的比容量和循环性能,而对于层状氧化物材料和石墨材料,钾离子的电化学嵌入/脱出伴随显著的体积变化和复杂的相变,同时与正负极材料具有高度相容性的电解液尚未获得。指出钾离子电池需要进一步发展其电极材料和电解液。     

石墨烯基自支撑夹层材料在锂硫电池中的研究进展

近年来,高比能锂-硫电池作为最具前景的新能源储存装置之一引起了人们的广泛关注。然而,在该电池体系中,中间产物聚硫化物的溶解造成的穿梭效应会明显降低电池的循环性能和硫利用率,严重阻碍锂-硫电池的推广应用。综述了近年来石墨烯和石墨烯基复合自支撑中间层材料在锂-硫电池中的应用,例如,通过物理或化学限域的方法减缓多硫化物的穿梭并改善锂-硫电池电化学性能等,并对石墨烯基复合自支撑中间层材料未来在锂硫电池中的实际应用进行了展望。