锂离子电池锡-金属-碳复合负极材料

石墨作为锂离子电池的负极材料已经使用了很长时间。但由于其嵌锂容量低,已不能满足动力电池快速发展的需求。而锡可以与锂形成合金,有可能取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但是单纯的金属锡在电池循环过程中发生巨大的体积变化,容易导致电极材料的粉化。而碳材料具有较高的导电性,良好的机械性能和储锂性能。为了充分发挥金属锡和碳材料的优势,锡-碳(Sn-C)复合材料得到了广泛研究。本文详细介绍了无定型碳、石墨(G)、石墨烯(GP)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)等碳材料作为惰性的导电基体与锡形成的二元复合物,阐述了锡与其它金属(M)形成的碳基三元、多元复合物的结构和性能。通过总结近些年对锡碳复合物结构与性能的研究,相信多元复合和多种结构的应用是提高锡-碳复合负极材料的关键。其中,以Sn-Co-C为基础的多元复合负极材料最有可能走向市场应用。     

基于非锂金属负极的锂离子全电池

可充电锂离子电池对于电子产品特别是手持设备的发展至关重要,其关键作用同样体现在飞速发展的电动汽车领域。此外,对电力系统的调配(削峰填谷)和新能源发电的并网也是很好的选择。但是传统锂离子电池较低的能量密度常被人诟病。传统石墨负极材料的替代物(如金属氧化物、钛基、锡基、硅基、合金等材料)能有效提高锂离子电池的容量和倍率性能,但目前缺乏充分的全电池实验数据予以证实,也鲜有新型负极材料成功用于商业化的锂离子全电池。由此可见,新型负极材料在锂离子全电池中的研究现状及其商业化应用前景等问题亟需面对和斟酌,也应受到锂离子电池研究者的广泛关注。因此,本文从负极材料首圈容量可逆/不可逆的特点着手,对基于非锂金属负极(如石墨、钛酸锂、二氧化钛、氧化锗、氧化铁、锡基、硅基等)的锂离子全电池的最新研究进行了论述。     

锂离子在石墨负极材料中扩散系数的测定

锂离子电池是以各种碳材料为负极而起来的一 种新型电池,成功地解决了以 为负极瓣锂可充电电池的安全性问题,已经应用于锂离子电池的负极材料有石墨和石油焦炭,正在研究的负极材料有热解碳,石墨化碳纤维,硼炭或硼炭氮化合物以及锡基氧化物等[1],石墨的比容量要比石油焦炭的比容量高一倍左右,其理论比容量372mA.h.g^-1,但锂离子在石墨材料中的扩散系数比较低,限制了以其为负极材料的电池的大电流充放电能力,锂离子在电极材料中的扩散系数可以用多种电化学方法测量得到,主要有：电位间歇滴定方法（PITT）（Potentiostatic Intermittent Titratiobn Technique)^[2,3,4,6],恒电流间歇滴定法（GITT）（Galvanostatic Intermittent Titration Technology)^[6],电流脉冲松弛法（CPR）（Current Pulse Relaxation Method)^[3,6]和交流阻抗法（A－C Technology)^[4,5,6],GITT,CPR,A-C等方法测定锂离子扩散系数时,由于相变发生处dE/dy值不容易准确得到（相变时,dE/dy→0）,此时测得的扩散系数误差比较大,PITT方法测定锂离子扩展系统,不存在这个问题,能比较准确地测定整个嵌入组成范围内的锂离子扩散系数。     

用于锂离子电池的国产天然石墨性能研究

选用国产山东天然石墨 ,比较系统地研究了其材料的结构、物理和电化学性能 .X射线衍射分析结果表明 ,国产天然鳞片微粉石墨由六方结构 (2H)和菱方结构 (3R) (含 30 %的菱方结构 )组成 ,是结晶完整性好的石墨 .作为锂离子电池负极材料 ,天然石墨具有高电压、高容量的特点 .但因自身结构的局限性 ,不能与含碳酸丙烯酯 (PC)的电解质相匹配     

高倍率锂离子电池负极材料:氮掺杂碳纳米笼

锂离子电池具有能量密度高和循环性好等优点, 广泛应用于小型移动设备等领域, 但尚不能满足需要兼具高容量和高倍率性能的应用要求. 以兼具高比表面积、氮含量高且可调、良好石墨化程度、多尺度分级结构(含孔结构)、有微孔通道的寡层笼壁结构等特征的氮掺杂碳纳米笼(NCNC)为锂离子电池负极材料, 展现出高的比容量、优异的倍率性能和稳定性, 譬如: 在0.1 A·g^-1小电流密度下, NCNC800的循环稳定的充电比容量可以高达约900 mAh·g^-1, 显著优于商业石墨; 在20.0 A·g^-1大电流密度下, 循环500圈后的可逆比容量仍能稳定在约135 mAh·g^-1. 如此优异的电化学性能可归因于NCNC的结构特征, 如高比表面积、良好石墨化程度、独特介观结构和孔结构, 这些特征有利于锂离子传输、电解液渗透和电子传导等. 这为开发高倍率和高比容量的锂离子电池负极材料提供思路.     

锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展

现有的以石墨为负极的锂离子电池能量密度逐渐接近其理论极限. 基于合金化反应机制的高容量含锂负极材料Li_xM_y(M为能够和锂发生合金化反应的元素)是一类新兴的负极材料, 具有数倍于石墨的储锂比容量, 且可以为电池提供活性锂源. 这些特性使其能够与高容量无锂正极材料(如S, O₂, FeF₃和V₂O₅等)相匹配, 构建下一代高比能锂离子电池新体系. 本文综述了近年来高容量合金基含锂负极材料(如Li_xSi, Li_xSn, Li₃P和Li_xAl基系列材料)的研究进展, 分析了所面临的挑战, 概述了材料的合成与电极的制备方法, 并介绍了它们在常规锂离子电池、 锂离子-硫电池及锂离子-空气电池等多个全电池体系中的应用实例, 提出并举证了其电化学性能优化与调控的策略, 最后展望了未来的研究方向.     

锂离子电池硅基负极及其相关材料

锂离子电池是目前电脑、通讯、消费电子品以及未来电动车动力系统的主要能源。硅基负极材料因其具有较高理论比容量(4200 mAh·g^-1,为石墨10倍以上),被视为最理想的下一代锂离子电池负极材料。然而硅负极在充放电过程中巨大的体积膨胀造成极片材料的粉化脱落、SEI膜的持续增长、正极锂离子的不断消耗,以及现有商业化粘结剂与硅表面较弱的相互作用等诸多缺陷,造成电池容量快速的衰减,阻碍了硅基材料在锂离子电池中的商业化应用。本文对硅基负极材料及其相关电池材料,如硅材料结构、粘结剂、电解液及添加剂等,进行了系统全面的总结。最后对硅基材料目前研究进展和未来发展方向做出总结与评述,以期为下一代硅基电池体系发展提供参考。     

钠离子电池用碳负极材料研究进展

相较于目前主流的锂离子电池,钠离子电池成本相对较低,因而有望在未来大规模储能系统中获得重要应用,然而其实用化进程仍受制于缺少合适的正负极材料,特别是性能优异且实用化的负极材料.钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理,但钠离子和锂离子在碳负极材料中的储存行为却有着很大的不同.总体而言,碳材料仍是目前最有望促进钠离子电池实用化的关键负极材料.本文系统总结并分析了目前已有碳材料中钠离子的储存机制,对负极材料的设计思路和研究进展进行了概述,着重阐述了商用化碳分子筛在钠离子电池中的实用化前景.最后,本文对钠离子电池中碳负极材料的未来发展方向进行了展望.     

锂离子电池电极材料研究进展

本文综述了锂离子电池中正、负电极材料的制备、结构与电化学性能之间的关系。正极材料包括嵌锂的层状L ixMO 2 和尖晶石型L ixM 2O 4 结构的过渡金属氧化物(M =Co、N i、M n、V ) , 负极材料包括石墨、含氢碳、硬碳和金属氧化物。侧重于阐述控制锂离子电池循环过程中可逆嵌锂容量和稳定性的嵌锂电极材料的结构性质。给出118 篇参考文献。     

Co-MOFs材料在锂离子电池负极材料中的应用研究进展

该文阐述了近年来钴金属有机骨架(Co-MOFs)材料在锂离子电池负极材料中的应用研究进展,分别对Co-MOFs材料及Co-MOFs衍生的氧化钴、氧化钴/碳复合材料、硫化钴/碳复合材料等用作锂离子电池负极材料进行了分类总结,旨在为广大研究者提供相关方面的信息.     

钒氧化物纳米管的合成、结构及电化学性能

采用流变相-纳米自组装新方法合成了钒氧化物纳米管(VO_x-NTs),并通过XRD,SEM,TEM,Raman,ESR,TG-DTA,XPS及模拟电池等技术手段对产物的结构和性能进行了表征和测试.结果表明,产物主要由钒氧化物纳米管组成,纳米管长为1～10μm,直径为30～100nm.纳米管壁由3～10个VO_x层构成,层间距为3.53nm.Raman光谱反映了V-O的伸缩或弯曲振动,层状微结构的晶格振动及模板剂的有机基团振动.无明显精细结构的室温ESR谱证明了V⁴⁺的存在,根据TGA和XPS求得产物中V的平均化合价约为+4.30.VO_x-NTs正极材料初始充电容量达到404mA.h/g,放电容量为383mA.h/g,50次循环后放电容量衰减至180mA.h/g,可归因于充放电过程中VO_x-NTs正极材料在电解液中的溶蚀作用及复合电极中“孤岛效应”的产生.     

掺杂ZnCl2对酚醛树脂炭化物结构与性能的影响

对可溶性酚醛树脂进行ZnCl₂掺杂,详细讨论了ZnCl₂的掺杂对酚醛树脂炭材料结构和性能的影响.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)及表面吸附实验(BET)等测试手段,对掺杂ZnCl₂后的炭化物进行了结构表征及电化学性能测试.结果表明,掺入ZnCl₂后炭化物的微晶尺寸和层间距变大,微粒大小趋于均匀,微粒及微粒内部孔径均为纳米级,孔径明显增大,比表面积大幅度地增加.用该热(裂)解材料作电极,其可逆容量达745mA·h/g.     

非晶Mg-Fe复合物的机械球磨制备及其电化学储氢特性

研究了机械球磨制备的(2Mg+Fe)+x%Ni(x=0, 50, 100, 200)复合物的微结构和电化学储氢性能. 结果表明, 不加镍粉时, 镁粉与铁粉混合物经120 h球磨后仍然为纯镁与纯铁两相组织, 其电化学放电容量不到20 mA·h/g. 而加入镍粉和提高球磨强度有助于Mg-Fe非晶的形成, 并使颗粒尺寸减小, 添加镍粉越多, Mg-Fe非晶化程度越高, 放电容量越大, 而组合钢球混合球磨的粉末比等径钢球球磨的非晶化程度更高, 颗粒也更加细小均匀. 在x=100时, 不同尺寸和等径钢球球磨120 h合成的Mg₂Fe非晶复合物的最大放电容量分别达到542.0和455.3 mA·h/g.     

新型锂离子电池正极材料Li0.86V0.8O2的水热合成及性质

采用两步反应制备了新型锂离子电池正极材料Li0.86V0.8O2. 该材料具有六方层状结构, 空间群为R3m. 研究了在水热条件下溶液的碱度对于钒酸锂盐形成的影响, 在低碱度的条件下, 前驱体V2O3和LiOH·H2O并未发生反应, 只有在碱度达到2.5 mol/L时, 才能形成单相的Li0.86V0.8O2材料. X射线光电子能谱分析发现, V2p的结合能位于516.4 和523.1 eV, 分别对应于四价钒离子的V2p3/2 和V2p1/2, 这说明在Li0.86V0.8O2中V离子主要价位为+4价. 在电流密度为7.4 mA/g的充放电中, Li0.86V0.8O2初始充电容量达到163 mA·h/g, 首次放电容量也能达到113 mA·h/g, 20次循环后放电容量仍然可以达到80 mA·h/g, 表现出较好的循环性能.     

锂电池阴极材料多硫代聚苯撑的制备及电化学性能

采用阴极材料结构改性的新方法,即以导电的聚苯撑作为骨架,将多硫链以侧链形式连接在主链上.通过苯的聚合、聚苯撑氯代,氯代聚苯撑(PPPCl)的硫代三步合成了多硫代聚苯撑(PPPS),产物结构经¹³CNMR谱、IR光谱、Raman光谱和元素分析进行了鉴定,其中IR谱中461和615cm^-1及Raman谱中470和666cm^-1峰分别表明存在S-S键和C-S键,结合其它鉴定结果,证明终产物为多硫代聚苯撑.组装成电池进行充放电性能测试表明,材料在80mA/g的电流密度下放电,比容量为987mA·h/g;在400mA/g下放电,比容量为776mA·h/g.在这两种电流密度下的利用率分别为83.5%和65.7%,具有较高的利用率和较好的大电流性能.在400mA/g的电流密度下放电时,经过25个循环的容量为307mA·h/g.     

MWCNT@SiO_2纳米同轴电缆的制备及储锂性能

以多壁碳纳米管(MWCNT)为模板,通过正硅酸乙酯(TEOS)的水解缩聚反应制得MWCNT@SiO2纳米同轴电缆.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试对样品的形貌、结构及电化学性能进行表征.结果表明,MWCNT表面包覆了一层厚度均匀的多孔SiO2层,利于其获得较好的储锂性能.作为锂离子电池负极材料,MWCNT@SiO2纳米同轴电缆表现出了较高的比容量和较好的循环性能.在100 m A/g电流密度下经过80次循环,MWCNT@SiO2纳米同轴电缆的放电比容量仍高达431.7 m A·h/g,高于石墨材料的理论比容量(372 m A·h/g).     

五氧化二钒空心球制备及其作为镁二次电池正极材料

利用碳球作为模板,通过与异丙醇氧钒的溶剂热反应制备了五氧化二钒(V₂O₅)空心球。 采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等技术手段对V₂O₅空心球进行了表征。 实验结果表明,V₂O₅空心球的直径约为1.5 μm,壁厚约100 nm。 将V₂O₅空心球作为镁二次电池的正极,在0.2 C充放电条件下,材料的首次放电比容量达140 mA·h/g,经20次循环后容量为110 mA·h/g。     

磷酸钒锂/石墨烯复合正极材料的制备及表征

通过三聚氰胺甲醛树脂(MR)中的羟基与石墨烯氧化物(GO)中的羧基发生的沉淀反应来制备功能化的氧化石墨烯前驱体,然后利用溶胶-凝胶及高温热处理方法制备磷酸钒锂/石墨烯复合材料,利用此材料制备了电池电极,并对电极材料进行了结构和电化学表征。结果表明,所得磷酸钒锂为单斜晶系结构,石墨烯堆叠程度显著降低,也有效避免了磷酸钒锂颗粒的团聚,提高了材料的电化学性能。电池的充放电曲线极化较小,在3.0~4.3 V的区间内20 C倍率仍有86 mA·h/g的可逆容量。0.1 C循环100次后容量为119.7 mA·h/g,容量保持率94%。在3.0~4.8 V的高电压区间,10 C倍率下可逆容量80 mA·h/g,0.1 C循环100次后仍有145.6 mA·h/g的可逆容量。优异的循环和倍率性能以及较低的碳含量符合锂离子正极材料实用的要求。     

橄榄石LiFePO4复合正极材料的合成及其电化学性能研究

采用固相反应法在惰性气氛中合成了橄榄石型LiFePO₄/C复合正极材料,考察了焙烧温度对目标材料性能的影响.采用XRD、SEM、TG-DSC、激光粒度分布以及电化学测试等手段对该材料进行了结构表征和性能测试.结果表明,完美的结晶、较小的粒径以及与导电剂的良好接触是产物具有优良电化学性能的保证.于750℃下制得产物的结构完整,表面形貌较好,粒经分布均匀,具有良好的电化学性能.在室温及0.05 C充放电倍率下,该材料的首次放电容量为142.5 mA.h/g,循环50次后,未见明显衰减.     

微米级SiO合成多孔氧化硅/硅/碳储锂复合材料

以微米级SiO为原料,通过简单的高温煅烧、碳包覆和酸刻蚀制备多孔氧化硅/硅/碳复合材料,复合材料比表面积和平均孔径分别为32.9 m~2/g和3 nm。纳米硅分散在缓冲介质氧化硅多孔体系中,表面包覆一层薄而均匀的碳层。所得的复合材料具有较好的循环稳定性,在0.3 m A/g下,50次循环后可逆容量保持在645.1 m A·h/g。多孔结构、氧化硅缓解了硅在脱嵌锂过程的体积膨胀,碳层提高了复合材料的导电性和结构稳定性。