实用大容量三电极方形锌空气电池

锌空气电池具有高安全、大容量、低成本和低自放电等特性,因此获得广泛关注.可充电式锌空气电池在商业化过程中最重要的问题在于难以找到合适的双功能催化剂同时长时间实现氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER),而三电极电池结构是一个有效解决此问题的方案.另外,大容量方形锌空气电池在商品化过程中的耐漏液性能极其重要.本文报道了一...     

无溶剂制备锌空气电极及电池性能

锌空气电池具有高安全、大容量、低成本和低自放电等特性,因此获得广泛关注,尤其被广泛用作助听器电池.目前商业化空气电极的制作过程中,催化粉料的处理往往涉及湿法工艺,制造过程复杂,且烘干溶剂过程能源消耗大.利用转速为3000 r/min的高速切割机器进行造粒处理,过程中不使用溶剂,然后经过12目筛网进行过筛处理即得可自由流动的无溶剂处理催化粉料,借助扫描电子显微技术(SEM)进一步观察到催化粉料中大量黏结剂完全纤维化的现象,这种纤维束有利于维持住粉料与粉料之间的紧密结合状态.用自制对辊机器将上述催化粉料压成卷对卷的催化层,再把集流体镍网、防水透气膜与之辊压复合一起,即得无溶剂处理的商业化锌空气电极.作为对比,使用了传统湿法方式制作催化粉料和空气电极,发现无溶剂处理空气电极制得的电池容量高于传统湿法的5％.另外,研究了不同空气极片压实密度和厚度、不同的防水透气膜等对锌空气电池性能的影响,分析表明低密度1.15 g/cm3的空气电极拥有更好的容量储存性能,厚度为0.52 mm空气电极所制电池拥有更高的功率密度,纯聚四氟乙烯(PTFE)膜作为防水透气膜可使锌空气电池拥有更好的防漏液性能.综上所述,这种无溶剂制备空气电极工艺简单方便、环保节能,更适合金属空气电池的商业化应用.     

锂离子电池快充策略技术研究进展北大核心CSCD

电动汽车的普及是锂离子电池的主要需求来源之一。而电动汽车的充电性能是影响普及进程的一个重要的考量参数。在材料体系不变的情况下,取代传统恒流恒压充电策略的新型充电策略近10年内也吸引了很多研究者的关注。另外,新一代电池管理系统也对充电策略提出了更高的要求。本文阐述了各种优化的充电方法及其特点和应用。研究结果表明,与传统的恒流恒压充电策略相比,优化的充电方法可以减少充电时间,改善充电性能并有效延长电池寿命。最后,本文还提出了对未来优化充电策略的展望,希望未来在线辨识和实时更新的模型参数的方法或者通过在线的方法辨识特征信号带来更加强大的充电策略。     

可充电锌离子电池电解质的研究进展北大核心CSCD

锌离子电池以其低价、安全、高可用性、生态友好、易于制备等特点而受到了广泛的研究。作为连通锌离子电池其他部分的纽带,电解质与电化学性能的发挥有着重要关系。为了进一步具备应用的可能性,增强电解质对电池电化学性能的释放具有深刻的意义。尽管在电解质方面已经进行了诸多探索并取得了很多优秀的成果,然而对于锌离子电池电解质的一些问题仍然需要引起足够的关注。本文首先阐述了锌离子电池的一般原理。然后分别从水溶液电解质、有机溶液电解质、凝胶电解质、全固态电解质等四个方面回顾了锌离子电池各种电解质的研究进展。其中,水溶液电解质部分重点介绍了对应电解质存在的溶剂化问题、相关的改性策略及添加剂对电极稳定性的提升机理。有机溶液电解质部分阐述了电池电化学性能的提升。凝胶电解质部分说明了相关电解质的形成原理和其在柔性储能领域的应用。全固态电解质部分则对相应电解质的无液特性和本质导电优势进行了简要说明。最后,对各种电解质的发展近况进行了总结,并对未来可能进行的研究方向进行了展望。     

电解液添加剂稳定水系电池锌负极界面的研究进展北大核心CSCD

水系锌金属电池(AZMBs)由于价格低廉、安全性高,在大规模储能领域极具潜力。然而,锌金属在常规水系电解液中并不稳定,界面处容易产生锌枝晶、析氢和腐蚀等副反应,导致AZMBs循环寿命较短。其中,电解液添加剂可以有效调控锌负极界面的化学特性和反应过程,显著提升其界面稳定性,大幅延长AZMBs的循环寿命。因此,对电解液添加剂稳定锌负极的相关研究进行总结,并对目前存在的关键问题提出新的解决思路非常必要。本文通过对近期相关文献进行探讨,简要介绍了锌负极目前面临的主要挑战及其相关机理,重点阐述了电解液添加剂对锌负极界面的主要调控机制,包括设计静电屏蔽层、贫水双电层(EDL)、原位固体电解质界面(SEI)层以及调控锌离子溶剂化鞘层。此外,还对不同添加剂类型进行了分类讨论,包括阳离子型、阴离子型、有机小分子型、有机聚合物型和其他类型,并分析了其各自的调控机理和对电化学性能的影响。最后,本文还对电解液添加剂策略稳定锌负极的未来发展方向提出了展望。     

水系锌离子电池金属负极的挑战与优化策略北大核心CSCD

水系锌离子电池(ZIBs)由于其安全性好,成本低和环境友好等特点,被认为是非常有潜力的储能系统,得到了广泛的研究。目前尽管在高性能正极材料的研究方面取得了快速进展,但关于锌负极的研究还有不足。为了解决锌负极的固有缺点,在提高锌负极性能和负极保护方面提出了很多策略。本文通过对相关文献的探讨,总结了库仑效率(CE)低和循环性能差是锌负极现阶段面临的挑战,进一步分析了这主要是由于锌负极枝晶生长和腐蚀现象引起。通过回顾近期锌负极自身设计和电解液优化改变锌负极界面特性的研究,分别从锌负极合金化处理,锌负极表面结构改造,锌负极界面保护,电解液锌盐对比,电解液添加剂,凝胶电解液共六个方面详细分析并对比了改善锌负极性能的具体方式。最后概括了锌离子电池的研究必要性,展望了未来稳定锌负极界面的策略。     

沸石咪唑基金属有机框架及其衍生材料用作锌-空气电池高效阴极催化剂的最新进展北大核心CSCD

清洁和可持续能源的大量应用和电动汽车行业的快速发展,为先进的储能/转换技术和设备带来了前所未有的机遇。可充电式锌-空气电池(ZAB)拥有的能量密度高、环境友好、安全性能高、成本低等优势,被广泛认为是最有前景的金属-空气电池之一。更重要的是,锌-空气电池所使用的锌资源丰富、价格便宜、能量密度适中以及还原潜力高。但由于在充电过程中空气阴极上氧还原反应的动力学过程十分缓慢,使得空气电池产生了相对大的超电势,也导致了ZAB无法实现商品化应用。沸石咪唑基金属有机框架(ZIFs)衍生的催化剂具有显著促进氧反应的能力。本文回顾了ZIFs衍生材料的最新进展,该材料可用作ZAB中的阴极催化剂。本文总结了一些主要的ZIFS衍生物材料在ZAB中的应用,包括了ZIFS衍生物的金属氮化物催化剂、ZIFs衍生物的金属氧化物催化剂、ZIFs衍生物的S/P/B掺杂催化剂和ZIFs衍生物的非金属碳催化剂等,还论述了这些ZIFs衍生物催化剂的结构特点。最后,阐明了研发用于ZAB的先进ZIFs衍生催化剂面临的挑战和一些观点。     

液流电池储能技术研究进展北大核心CSCD

储能技术是构建以新能源为主体的新型电力系统,实现双碳目标的关键支撑技术。液流电池储能技术具有安全可靠、寿命长、环境友好等优势,成为规模储能的首选技术之一。本文通过对传统液流电池储能技术包括铁铬液流电池储能技术、全钒液流电池储能技术、锌溴液流电池储能技术和液流电池新体系包括基于溴基氧化还原电对的液流电池新体系、醌基液流电池体系、吩嗪基液流电池体系、TEMPO类液流电池体系、紫精类液流电池体系的研究进展进行探讨,综述了各类液流电池储能技术的发展历程及其技术成熟度,着重介绍了各类液流电池储能技术的特点和进一步发展所面临的关键科学问题,重点分析了不同种类的液流电池储能技术实用化进程中的关键技术瓶颈。通过总结分析国内外液流电池储能技术的发展态势,对液流电池储能技术未来发展方向进行了展望。     

一种敞口式锌空固定电源

阻碍各类便携式锌空电池商用的主要原因是电池制造的密封技术和使用过程的漏液问题。介绍一种方形敞口式的锌空电池，其新颖的空气极结构使得电池的制作安装工艺大大简化，既可以用作水激活式一次性固定电源，也可以用作机械可再充式锌空电池。20℃单电池1V放电性能表明，空气极局部电流密度达到528mA／cm^2，平均电流密度120mA／cm^2。     

碳电极浆料作为阴极材料的快速充放电铝离子电池北大核心CSCD

[EMIM]Cl基铝离子电池是一种具有前景的储能器件。由于其能量密度高、价格低廉、安全性高等特点有望成为下一代储能体系。本工作介绍了一种原本用于钙钛矿太阳能电池丝网印刷技术的可高倍率充放电的低温导电碳电极浆料,可在1000 mA/g的电流密度下,实现快速充放电,比容量保持在75 mAh/g左右,其充电倍率可达12 C。通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及比表面积分析等表征手段,对低温导电碳电极浆料、天然石墨片以及石墨烯作为阴极材料所组装的铝离子电池的性能进行了比较和分析,发现快速充放电主要是由于其特殊的表面形貌以及较大的比表面积所导致的。通过X射线衍射等测试也可证明低温导电碳电极浆料作为阴极材料的比容量高于其他阴极材料。实现了高充放电电流密度的铝离子电池。     

锂离子电池电极微结构的分形建模及热-化耦合北大核心CSCD

锂离子电池电极是决定电池性能优劣的关键因素,在多孔电极理论基础上引入分形理论,重构电极的微结构,考虑结构参数以及温度对有效扩散系数的影响,推导出锂离子在固、液相中有效扩散系数的理论模型,对其影响因素进行分析;建立热-化耦合模型,分析热模型与电化学模型之间的关系;模拟放电过程,探究不同固、液相有效扩散系数对放电性能的影响。结果表明,液相中锂离子的有效扩散系数随面积分形维数、孔隙度以及温度增大而增大,随迂曲分形维数增大而减小;固相有效扩散系数随面积分形维数增大而减小;在相对高倍率放电的情况下,改变负极颗粒粒径大小及分布,使得电极微观结构发生变化,从而使锂离子在固、液相中有效扩散系数发生变化,进一步影响了电池的最大放电容量。本工作为锂离子电池电极的制造提供了基础理论参考。     

生物质衍生碳材料在全钒液流电池电极方面的应用北大核心CSCD

电极是全钒液流电池的重要组成部分,是电解液中不同价态钒离子发生电化学反应的场所。理想的液流电池电极需要同时具备电导率高、比表面积大、润湿性好、耐腐蚀、成本低廉的特性,而目前的材料往往不能兼顾。生物质衍生碳材料具有独特的多孔结构,且含有丰富的氧官能团和氮、磷、硫等元素,可以为电化学反应提供更多的活性位点,被广泛应用于电极材料中。本文回顾了生物质衍生碳材料作为电极或电极催化剂,在全钒液流电池中的应用和研究进展,重点讨论了材料的制备方法、结构组成及其电化学性能,有利于加深人们对电极“构-效关系”的理解,以期设计出更好的电极材料,提高全钒液流电池的性能,降低成本,推进全钒液流电池产业化的发展。     

锂离子电池无损析锂检测研究进展北大核心CSCD

人们对新能源汽车快速充电的需求与现有纯电动汽车的充电效率之间的矛盾将会越来越突出。锂离子电池在正常充电速率下,锂离子嵌入石墨负极;当充电倍率逐渐增大时,金属锂来不及嵌入石墨层状结构时便会沉积在石墨颗粒表面,出现“析锂”现象。当析锂现象随时间慢慢累积后,电池容量渐渐降低,严重时甚至会发生热失控事件。在锂电池早期发展阶段,检测析锂非常具有挑战性,且主要基于拆解电池后的形貌检测,这类检测方法对电芯造成了不可逆的损坏,无论是在后期研究还是实际应用中都是非常不友好的方式。近年来,研究人员已经提出了许多无损(即非拆解的方式)析锂检测方法,本文综述了无损析锂检测的方法,将其分为四类:(1)基于锂引起电芯老化的检测方法;(2)基于锂引起阻抗变化的检测方法;(3)基于锂引起电化学反应的检测方法;(4)基于锂引起电芯物理化学特性变化的检测方法。本文系统地对现有的无损析锂检测方法的原理、优缺点进行了概述,并对目前无损析锂检测方法进行了总结与展望,以提出这一不断发展的研究领域的技术现状和当前的研究空白。     

钠离子电池磷基负极材料研究进展北大核心CSCD

钠离子电池作为一种新型的能源储存技术得到越来越多的关注,尤其是在大规模储能领域具有明显的优势,有望部分取代锂离子电池。钠离子电池磷基负极材料具有高的理论容量和合适的储钠电位,因而受到广泛关注。但部分磷基材料导电性差和循环过程中体积变化大,使得其在产业化应用方面仍面临着严峻的挑战。本文针对磷基钠离子电池负极材料的研究进展,对红磷、黑磷、磷烯、金属磷化物的储钠机理、研究现状、改进策略进行了总结。目前,钠离子电池磷基负极材料的研究主要集中在导电材料复合和限域结构设计。另外,保护性/导电性涂层包覆、元素取代/掺杂改性、新型电解液的使用以及测试电化学窗口的调控也可改善磷基钠离子电池负极材料的电化学性能。富磷相的制备、储钠机理的确定、先进的检测技术和计算模拟的运用、电池配套组分和全电池的研究是未来金属磷化物钠离子电池负极材料的研究方向。     

钠离子电池黑磷基负极材料研究进展北大核心CSCD

钠离子电池被认为是一种极具潜力的二次电池体系,得到了国内外的广泛关注。硬碳是主要的钠离子电池的负极材料,但是,由于硬碳材料固有比容量较低,极大地限制了其全电池能量密度的提升。相比之下,磷资源丰富,且作为活性材料具备理论比容量高的优点,可用于发展磷基高比容量和长寿命的钠离子电池负极材料。本文通过对近期相关文献的探讨,综述了提高结构稳定性和电化学性能的一些有效策略。黑磷能够较为容易地通过机械的方法制备,并与石墨烯、多壁碳纳米管、科琴黑等碳材料复合,但是微观化学键的构建需要额外考虑,碳材料表面与黑磷化学键结合能够显著增强结构和储钠可逆性。此外,也可以引入导电高分子材料和部分典型的二维材料与黑磷复合,实现材料和电极微观结构优化,提供了提升电化学性能的重要方法,最后展望了黑磷作为钠离子电池负极材料的发展前景。     

钾离子电池聚阴离子正极材料的研究进展北大核心CSCD

钾离子电池(PIBs)由于钾金属资源丰富、成本低廉、环境友好及能量密度高等优点,已成为替代锂离子电池(LIBs)的理想新型储能体系。尽管近年来PIBs在负极领域的研究已经取得了显著进展,但正极材料的研究缓慢,其设计和应用面临可逆比容量低、循环稳定性差、能量密度不理想等问题。因此,发现和设计正极材料对构建用于实际应用的钾离子(K^(+))电池至关重要。由于聚阴离子材料在LIBs和钠离子电池(NIBs)中的成功应用,近年来,人们也将研究集中于PIBs的聚阴离子材料。聚阴离子材料具有氧化还原电位高、发生有利的感应效应、安全性高、热稳定性和结构稳定性良好等优点,可以实现较为稳定的容量存储,但是其可逆容量低、导电性差等问题仍需解决。本篇综述针对钾离子电池聚阴离子正极材料的研究进行了综述和讨论,以探究聚阴离子正极材料发展设计潜力和研究空间为目的,集中讨论了磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐类材料的机理和结构的发展现状,总结了当前聚阴离子类正极材料设计的主要理念,并对聚阴离子正极材料的改性研究提出了一些建议和前景。     

固态锂空气电池研究进展

锂空气电池的理论能量密度高达3505 W•h/kg,能够实现的能量密度预计可达到600 W•h/kg,是实现续航里程达到500～800 km的电动汽车的重要动力电源体系。锂空气电池面临稳定性、效率、实用性和安全性等挑战,特别是需要具备在空气环境下工作的能力。发展固态锂空气电池能够从根本上解决实用性问题,有效解决安全性问题,同时也是提高锂空气电池稳定性的重要途径。本文对固态锂空气电池在电池结构、电极/电解液界面调控、电池成型方法以及电池性能与机理等方面的研究进展进行总结,在每一部分都围绕其对于解决锂空气电池目前所面临的SEAS主要问题的贡献和仍然存在的问题进行评述,并试图提出下一阶段的研究思路,明确固态锂空气电池的发展前景。     

基于氧化物固态电解质的储能钠电池的研究进展北大核心CSCD

规模储能是碳中和多能互补生态系统中的关键一环,是连接清洁能源和智能电网的桥梁,是保障国家能源安全的重要举措,其中先进的二次电池是关键的核心技术。由于兼顾高功率密度、资源丰富等优势,基于氧化物固态电解质的钠电池(OSSBs),尤其是以液态金属钠为负极的体系,已成为最有发展潜力和应用价值的规模储能技术之一。但是,目前的OSSBs在长循环稳定性、安全性和成本方面仍存在不足,阻碍其实际广泛应用。重要的是,如何在降低成本的同时,实现OSSBs中表界面电化学行为的有效调控及对储能性能的提升已经成为目前研究的重点。本文重点介绍了近年来OSSBs的研究进展,主要针对钠-硫电池和钠-金属氯化物电池等在内的典型体系,从OSSBs成本控制、运行温度降低以及应用可靠性优化等几个关键方面分析了国内外的发展,进而提出了对储能钠电池的未来展望。     

高能量锂离子电池硅基负极黏结剂研究进展北大核心CSCD

硅材料具有较高的理论容量,被视为发展高能量锂离子电池的重要材料之一。但是硅在充放电循环中体积变化较大,会导致负极材料粉化,严重影响电池的电化学性能。黏结剂作为电极的重要组成部分,对于稳定负极结构,改善电池性能具有重要作用。总结归纳了合成类聚合物、生物类聚合物等硅基负极黏结剂的研究进展,合成类聚合物主要包括聚丙烯酸类、聚偏二氟乙烯类以及导电类黏结剂,生物类聚合物主要包括羧甲基纤维素类、海藻酸钠类以及其他生物类黏结剂。分析了选择硅基负极黏结剂的条件,包括要有极性官能团、具有一定的弹性和机械强度、化学稳定性高、最好具有一定的导电性等。极性基团可以与硅表面的羟基形成氢键,增强材料之间的黏结性能,为了更好地制约硅的体积膨胀,可以对其进行改性,使其具有一定的弹性和自愈能力;也可以选择一些导电物质,使黏结剂本身具有导电性能,可以提高电极内部导电网络的稳定性并提高活性物质的含量等。本文也为黏结剂的选择和发展提供了思路。