高性能锂-空气电池材料的研究

以锂为负极,空气为正极的锂-空气二次电池,由于其较高的理论能量密度(5 210 Wh.kg-1)而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系。通过近几年的研究和开发,人们对这一体系的了解不断深入。虽然对其电化学过程中的复杂反应机理尚没有完整系统的理论描述,但是在氧还原催化剂、空气电极材料及电解质材料等方面已开展了一些研究工作。本文综述了锂-空气电池的最新研究进展,对电池的正极材料、电解质和负极材料三个方面的研究进行了介绍,分析了该体系的缺陷及存在的问题,并展望了锂-空气电池的发展方向和前景。     

非水体系锂-空气电池研究进展

锂-空气电池是目前已知具有最高能量密度的二次电池,有望成为未来电动汽车的动力电源。由于其能量密度高、环境友好以及成本较低,成为广大科研工作者研究的热点,在过去二十年间与之有关的研究已经在反应机理、电极结构、催化剂及电解液等各方面都取得了很大进展,但受诸多因素限制,其实用化仍然任重道远。本文总结了近几年来非水体系锂-空气电池在反应机理、正极材料、催化剂、电解液以及锂负极等方面的最新研究进展,并在此基础上展望其未来的发展方向。     

锂空气电池研究述评

由于锂空气电池具有很高的理论能量密度因而引起了广泛关注和研究。本文较为全面地论述了各种电解质体系中的锂空气电池的进展,包括:有机体系、水体系、离子液体体系、有机-水双电解质体系和全固态体系的锂空气电池;详细阐述和归纳了它们的工作原理和最新研究现状。对最新提出的锂-空气-超级电容电池的原理和特点进行了较详细的论述。结合氧气在有机电解质中的电化学还原行为指出单一有机电解质锂空气电池存在的问题以及可能的解决办法;同时展示了这类电池中空气电极催化剂的发展现状。结合双电解质锂空气电池、固态电解质锂空气电池、锂-空气-超级电容电池的结构阐述了它们各自的优缺点。本文还展示了一些可望用于单一有机电解质锂空电池、有机-水双电解质体系锂空电池的新型碳材料。最后对锂空气电池的研究发展进行了总结与展望,提出新型电解液、催化剂以及改进锂空气电池构造将会成为今后的发展趋势。     

电动汽车的希望:锂空气电池

以高中化学电化学知识为基础,介绍一种学界预期将对电动汽车储能领域产生革命性影响的可逆电池-锂-空气电池的基础知识,涉及这种电池的基本结构、工作原理、电极反应、研究现状、发展前景等内容。     

非水溶剂锂-空气电池中的氧气电极反应

基于锂-氧气反应的锂-空气电池在所有的锂电池体系中具有最大的理论容量和能量密度,认识锂-空气电池中的氧气电极反应对锂-空气电池的研发具有指导意义.本文以金电极/乙腈电解液为模型体系,介绍了锂-空气电池在放电和充电过程中的氧气电极反应机理.电池放电时,氧气还原成超氧自由基,超氧自由基与锂离子结合生成不稳定的超氧化锂;通过歧化反应,超氧化锂生成放电反应最终产物过氧化锂.电池充电时,过氧化锂通过一步两电子直接氧化生成氧气,不经过超氧化锂中间态.在阐述氧气电极反应机理的同时,还对研究氧气反应的各种电化学方法作了介绍.     

静电纺丝技术在锂-空气电池上的应用

近年来,锂-空气电池由于具有极高的理论容量和对环境友好等优势,作为“终极电池”引起了广大科研工作者和电动汽车公司的极大兴趣和广泛关注. 但目前锂-空气电池还存在着充放电过电位大、循环性能差等局限性,寻找高效的锂-空气电池催化剂成为该领域发展的研究热点之一. 锂-空气电池阴极催化剂主要有贵金属、非贵金属、碳材料以及金属氧化物等,可通过多种方法合成制备,如水热(溶剂热)法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、静电纺丝法等等. 其中,静电纺丝技术由于具有制备方法简易、高效且产量高等优点,近年来得到了长足的发展,可以用来大量制备锂-空气电池阴极催化剂,甚至制备自支撑结构的锂-空气电池阴极催化剂材料. 本文综述了静电纺丝技术在锂-空气电池上的应用,主要包括利用静电纺丝技术制备非贵金属催化剂、碳材料催化剂、金属氧化物催化剂和复合催化剂等,以及将制备的催化剂组装成锂-空气电池后表现出的优异的电池性能.     

锂-空气电池性能的影响因素及研究进展

锂-空气电池理论比能量高达3622 Wh·kg^-1(设阴极还原产物为Li₂O₂), 远超过目前已有的任何电池, 有希望成为新一代的二次电池. 然而, 目前其实用化研究还处于探索阶段, 在其商用之前还有许多工作要做. 对影响锂-空气电池性能的因素以及近期的研究进展进行综述, 总结了阴极材料的组成和微观结构、电解质的种类及组成、阴极疏水膜、电池结构设计、电池的组装及充、放电的工艺过程等对电池比能量、比容量以及循环性能等的影响, 概述了锂-空气电池的表征手段, 并对锂-空气电池的应用前景进行了展望.     

基于有机和组合电解液的锂空气电池研究进展

发展纯电动汽车与混合动力汽车是解决能源危机与环境问题的有效途径,这对新能源材料及储能设备提出了更高的要求. 其中以金属锂作为负极、以空气中的氧气作为正极活性物质组成的锂-空气二次电池具有很高的理论比能量,因在纯电动汽车、混合动力汽车方面有很好的应用前景而受到人们的广泛关注. 根据工作环境及介质条件,目前研究最多的锂-空气电池主要包括有机电解液、有机-水组合电解液及全固态电解质三种类型. 由于锂-空气电池的发展历史较短,目前仍处于起步阶段,在电池的正极、负极、电解液（质）及综合性能等方面均存在诸多的困难与挑战. 本文从作者课题组对有机电解液及组合电解液型锂-空气电池方面的研究出发,旨在向读者简单介绍锂-空气电池的发展历史,研究现状及未来努力的方向.     

基于有机电解液的锂空气电池研究进展

随着化石燃料的逐渐消耗和城市环境污染的日益严重,纯电动和混合动力汽车的开发使用越来越受到人们的重视. 受到锂离子电池能量密度的限制,目前电动汽车的连续行驶距离仍远低于内燃机动力汽车. 作为新一代电动车供能设备,基于有机电解液的锂空气电池由于结构相对简单,理论能量密度极高,成本低廉,已成为学术界的研究热点. 本文从反应机理、电解液、空气电极以及金属锂负极等四个方面入手,详细介绍了近年来锂空气电池的重要研究进展以及在基础研究方面存在的科学问题,指出了该体系面临的挑战和今后的重要研究方向.     

锂空气电池空气电极LiCoO2电催化性能研究

自设计建立锂空气电池实验装置,研究以掺入LiCoO2作为电催化剂的空气正极的电化学性能及其放电前后催化剂结构的变化.循环伏安、XRD及充放电测试等表明,LiCoO2能够很大程度地改善空气电极的放电性能.尤其是在放电前,将掺有LiCoO2的空气正极充电至4.1 V,此时LiCoO2的Co元素呈现较高的价态（Co3＋/Co...     

TiO_2纳米管电极上电化学还原CO_2生成CH_3OH

采用原位阳极氧化-煅烧法制备TiO_2纳米管(TiO_2NTs)电极,运用X射线衍射(XRD)、电场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)、双电位阶跃测试等对制备电极进行表征,考察了其在0.1mol?L~(-1) KHCO_3水溶液中电化学还原CO_2的催化活性。结果表明TiO_2NTs电极上电化学还原CO_2的主产物为CH_3OH,CH_3OH由HCOOH和HCHO进一步还原而来。电极制备的最佳煅烧温度为450℃(TiO_2NTs-450),电解电位-0.56 V(vs RHE(可逆氢电极))时反应120 min后,生成CH_3OH的法拉第效率和分电流密度分别为85.8%和0.2 m A?cm~(-2)。与550和650℃煅烧的电极相比,TiO_2NTs-450电极具有更高的催化活性,归因于电极表面更多的三价钛活性位,有利于CO_2吸附,从而对·CO_2-起到稳定的作用,速率控制步骤转变为·CO_2-的质子化反应。     

锂-空气二次电池关键材料与器件的设计与制备

锂-空气二次电池因拥有超高的理论能量密度及巨大的应用潜力, 有望替代锂离子电池成为下一代高性能化学 电源. 高效、稳定电极的制备以及新型锂-空气电池器件的开发是提升电池电化学性能, 促进其应用的关键. 针对以上 问题, 本文对空气正极材料的开发与设计、锂负极的修饰保护以及锂-空气二次电池器件进行了简要介绍, 并对该领域 进行总结展望     

Efficient CO2 Removal for Ultra‐Pure CO Production by Two Hybrid Ultramicroporous Materials

Removal of CO₂ from CO gas mixtures is a necessary but challenging step during production of ultra‐pure CO as processed from either steam reforming of hydrocarbons or CO₂ reduction. Herein, two hybrid ultramicroporous materials (HUMs), SIFSIX‐3‐Ni and TIFSIX‐2‐Cu‐i , which are known to exhibit strong affinity for CO₂, were examined with respect to their performance for this separation. The single‐gas CO sorption isotherms of these HUMs were measured for the first time and are indicative of weak affinity for CO and benchmark CO₂/CO selectivity (>4000 for SIFSIX‐3‐Ni ). This prompted us to conduct dynamic breakthrough experiments and compare performance with other porous materials. Ultra‐pure CO (99.99 %) was thereby obtained from CO gas mixtures containing both trace (1 %) and bulk (50 %) levels of CO₂ in a one‐step physisorption‐based separation process.     

高温驱动氧化锰刻蚀制备纳米氧化锰-多孔石墨烯及其锂空气电池性能研究

本文通过简单的电荷吸附制备了高分散的氧化石墨烯含锰化合物（Mn-GO）,利用高温驱动下氧化锰的生长以及热运动同时实现了GO的还原、刻蚀和纳米氧化锰的负载,即成功构筑了纳米氧化锰-多孔石墨烯复合材料（MnO-PGNSs）. 对影响GO分散性的Mn²⁺的添加量、影响GO层数的分散液浓度以及影响MnO热运动的烧结条件进行了详细的考察. 研究发现,当Mn-GO同时满足优异的分散性、适合的片层厚度和烧结条件（＞800℃,>2h）,才能在GNSs表面刻蚀成孔制备得到MnO-PGNSs. 本文进一步将MnO-PGNSs作为锂空气电池正极材料,结果表明在50 mA·g^-1的电流密度下深度放电后容量达到5100 mAh·g^-1,相比于GNSs和PGNSs,MnO-PGNSs具有更高的比容量. 锂空气电池性能的提高得益于GNSs表面的多孔结构和MnO优异的催化活性.     

Ni催化剂上一氧化碳加氢反应机理研究

Ｎｉ催化剂上一氧化碳加氢反应机理研究胡云行，万惠霖，关玉德，林恒生（厦门大学化学系，固体表面物理化学国家重点实验室，厦门，３６１００５）（中国科学院山西煤炭化学研究所，太原）关键词脉冲法，一氧化碳，加氢，反应机理自本世纪初报道了一氧化碳加氢生成甲烷以...     

Aktivierung von CO2 an Übergangsmetallzentren: Zum Ablauf der CO2-Reduktion an Nickel(0)-Fragmenten

Activation of CO₂ at Transition Metal Centres: The Route of the CO₂ Reduction at Nikel(0) Moieties A competing reaction in the catalytic cyclooligomerization of hex-3-yne and CO₂ at the (TMED)Ni(0)-fragment (TMED = N,N,N′,N′-tetramethylethylendiamine) is the formation of carbon monoxide and (TMED)Ni(CO₃). So it is possible to explain the generation of II (TMED)Ni(diethylmalicacidanhydride) and III (a nickel trimer with two (TMED)Ni(CO₃) units). Both complexes are characterized by X-ray analysis. The reduction of CO₂ to CO most likely proceeds via an intermediate in which two molecules of carbon dioxide are coupled head-to-tail to form a metallacycle. An ab initio scf geometry optimization supports the existence of such an intermediate.     

Toward Practical All-solid-state Batteries with Sulfide Electrolyte: A Review

Sulfide-based solid-state electrolytes with ultrahigh lithium ion conductivities have been considered as the most promising electrolyte system to enable practical all-solid-state batteries. However, the practical applications of the sulfide-based all-solid-state batteries are hindered by severe interfacial issues as well as large-scale material preparation and battery fabrication problems. Liquid-involved interfacial treatments and preparation processes compatible with current battery manufacturing capable of improving electrode/electrolyte interface contacts and realizing the mass production of sulfide electrolytes and the scalable fabrication of sulfide-based battery component have attracted considerable attention. In this perspective, the current advances in liquid-involved treatments and processes in sulfide-based all-solid-state batteries are summarized. Then relative chemical mechanisms and existing challenges are included. Finally, future guidance is also proposed for sulfide-based batteries. Focusing on the sulfide-based all-solid-state batteries, we aim at providing a fresh insight on understandings towards liquid-involved processes and promoting the development of all-solid-state batteries with higher energy density and better safety.     

金团簇电催化二氧化碳还原反应的研究进展

二氧化碳电还原反应(CO₂RR)在改善能源利用方式、 实现可持续碳循环以及生产高附加值液体燃料和化学品等方面具有广阔的应用前景, 近年来受到广泛关注. 有机配体保护的金团簇具有确定的晶体结构, 其不同的尺寸、 配体及组成可以有效调控氧化还原电位, 作为一种独特的模型催化剂, 为探索原子水平的CO₂RR反应机理提供了新机遇. 本文综合评述了纯金团簇和异金属原子掺杂的金团簇催化CO₂RR的研究进展, 包括金团簇的电荷、 尺寸、 配体以及掺杂对CO₂RR性能的影响, 重点讨论了CO₂RR的反应机理, 总结了金团簇在CO₂RR中所面临的挑战, 并展望了金团簇在CO₂RR中未来的研究方向和发展前景.     

在NiSO4表面上激光促进CO＋H2合成乙烯反应机理

利用红外光谱、程序升温脱附、程序升温表面反应和激光表面反应技术研究了固体ＮｉＳＯ_４表面上ＣＯ、Ｈ_２和Ｃ_２Ｈ_４的化学吸附性能及激光促进ＣＯ加氢合成乙烯的反应机理。实验结果表明：在硫酸镍固体表面上卧式吸附于Ｓ－Ｏ－Ｎｉ键Ｓ位和Ｎｉ位的ＣＯ是激光合成乙烯的有效吸附态；解离吸附于硫氧双键氧位上的Ｈ参与ＣＯ加氢反应；激光选择激发表面Ｓ－Ｏ键，通过能量传递和驰豫使卧式吸附态Ｃ＝Ｏ键活化并与吸附态Ｈ反应生成ＣＨ_２物种和Ｈ_２Ｏ，继而邻近的ＣＨ_２结合形成产物Ｃ_２Ｈ_４。