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。     

石榴石型Li7La3Zr2O12固态锂金属电池的界面问题研究进展

固态锂金属电池具有高能量密度、高安全性、宽工作温度范围、长服役寿命等优势,是下一代锂电池体系的重要发展方向之一.作为典型的氧化物固态电解质,Li7La3Zr2O12(LLZO)具有锂离子电导率高、电化学窗口较宽、机械强度高和热稳定性好等优点,因此LLZO固态锂金属电池受到业界的广泛关注.但是,LLZO固态锂金属电池还存在锂枝晶穿透固态电解质生长造成电池短路、电解质/电极界面电阻过高等问题,影响其实际应用.这些问题与LLZO的显微结构特征、正极材料与LLZO的化学和电化学相容性、正极与电解质的界面结合性、金属锂负极对LLZO的浸润性等因素有关.本文总结了以上问题的解决策略.对于正极侧,通过活性颗粒表面包覆、三维固态电解质界面构筑、柔性聚合物或凝胶电解质中间层引入、正极活性颗粒与柔性或黏性离子传导材料复合等手段,可改善正极与LLZO的相容性,并降低正极界面电阻.对于负极界面,消除LLZO电解质表面碳酸锂、引入反应活性或柔性中间层、调控金属锂负极组成等方法,可改善锂对LLZO的浸润性,降低负极界面电阻.最后,本文对未来研究和发展方向给出了建议.     

从电池管理到电化学数字电源

电源技术的发展对绿色交通、规模化储能、智慧电网等领域具有重要作用。以电化学器件为代表的电化学电源具有反应机理复杂、多物理场、多尺度特性,同时工作过程中表现出强非线性、时变性及空间分布等特点,为电源的管理带来了挑战。本文以动力电池为对象,分别从模型、测量和管理三个方面阐述当前电池管理技术的研究现状及发展趋势,认为局限于本地的管理技术将逐渐走向全局的数字化管控,提出电化学数字电源的概念并诠释其内涵,旨在助力新能源汽车、氢电储能、新型电网、充电基础设施等电化学电源应用场景的发展。     

质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成

氨作为一种理想的储能材料和氢能源载体,其在质子导体固体氧化物电化学装置中的利用与合成可实现高效清洁的发电和储能.本文综述了质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成的实验和理论研究进展,在实验研究方面全面分析了电解质和氨电极材料的开发,在理论研究方面重点讨论了热力学-电化学模型和密度泛函理论(DFT)的研究概况.电解质的质子电导率和氨电极的催化活性是影响电化学装置性能的关键因素,因此开发高质子电导率的电解质和高催化活性的氨电极仍是主要的研究方向.热力学-电化学模型和基于DFT的理论研究可分别为电化学装置的结构设计/运行条件的优化和氨电极材料的开发提供有效指导和思路,但是对于更高层次(三维)的热力学-电化学模型理论研究和氨电极材料上氮气的电化学活化机理的研究仍需加强.最后总结指出了质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成的未来研究方向.     

Compact energy storage: Opportunities and challenges of graphene for supercapacitors

碳纳米储能材料发展迅速,质量容量性能不断刷新。但通常碳纳米材料的密度较低,导致其体积比容量有限,在很多时候很难将材料水平上的优异性能反映到最终的器件上。发展高体积能量密度储能材料,在器件水平上实现致密储能,对推动储能材料和器件的实用化至关重要。作为其它sp2碳质材料的基本结构单元和一种柔性二维材料,石墨烯通过组装可以实现纳米结构致密化,在致密储能方面具有先天优势。本文以石墨烯在超级电容器中的应用为主,分别从材料、电极、器件3个层次讨论了实用化储能器件的设计原则,梳理了高体积能量密度碳基储能材料的研究进展,重点介绍了高体积容量碳电极材料的致密化设计理念,强调了从器件角度考虑储能材料设计的重要性,并对致密储能面临的机遇和挑战作了分析。     

Recent progress in the application of carbon materials to supercapacitors and lead-carbon batteries

新型炭材料是电化学储能领域中非常重要的一类储能材料,目前广泛应用于各种电化学储能器件.本文综述了具有电容特性的高比表面积炭材料在超级电容器与铅炭电池中的应用.采用不同的方法合成具有高比表面积的新型炭材料作为超级电容器电极材料,能够得到较高的比容量.适量高比表面积的炭材料应用于铅酸电池负极,形成铅炭电池,极大地提高了电池的储能特性.论文最后探讨了新型炭材料在超电容以及铅炭电池中应用的发展方向.     

锂离子电池用（聚）离子液体电解质

锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域,然而商用锂离子电池中含有大量易燃的碳酸酯类有机溶剂,容易造成安全隐患。离子液体具有蒸汽压低、化学结构设计多样性、热稳定性及电化学稳定性优异等优点,可以用来代替易燃有机溶剂,在电化学储能领域具有广阔的应用前景。聚离子液体是一类聚合物重复单元上含有阴、阳离子的新型聚合物电解质材料,兼具离子液体和聚合物固态电解质不漏液、易于加工的优势。根据离子液体和聚离子液体化学结构的设计合成及其在锂离子电池中的应用形式,综述了近年来离子液体电解质的研究进展,并提出了离子液体电解质未来的应用挑战和发展方向。     

Progress reports and prospect of stretchable electrochemical energy storage devices

随着人类社会的进步,人们对可穿戴电子设备的需求日益增强,其中电子皮肤、可植入传感器等新型便携式器件也对储能单元的可拉伸性提出了越来越高的要求。本综述介绍了制备可拉伸式锂离子电池或超级电容器的策略,并对其进行了简单评述;在此基础上概括地介绍了可拉伸式电化学储能器件中常用的电解质及其优缺点,以及可拉伸式储能器件的集成方案。最后,针对性地总结可拉伸储能器件制备过程中仍面临的挑战与未来可能的发展方向。     

基于可重构电池网络的数字储能系统建模与运行控制——基站储能应用案例研究

储能系统可以改变电力系统实时动态平衡特性,已成为智能电网和能源互联网建设的重要支撑.电池储能技术作为一项复杂系统工程,其研究领域涉及电化学、材料、信息通信技术、电力电子及大规模复杂系统建模和优化等.储能系统管理需要基于对电池的电化学和材料特性的感知,实现基于模型的高效均衡和控制.然而,传统储能系统采用的固定串并联连接方...     

电池-超级电容器混合储能系统研究进展

储能是解决可再生能源大规模发电并网、推动新能源汽车发展、实现"碳达峰""碳中和"中长期目标的关键支撑技术.能量型储能器件与功率型储能器件组成的混合储能系统是能量管理和功率管理的高效系统,充分发挥了能量型储能的持久性和功率型储能的快速性,大幅提升了储能系统的综合性能和经济性.本文概述了能量型和功率型电化学储能技术及特点,...     

离子液体电解液的模拟计算方法及应用北大核心CSCD

电解液作为电化学储能系统的重要组成部分,是决定电池容量,支撑超级电容器储能、循环稳定性等特性的关键因素之一。离子液体作为一类新型软功能材料,因其高导电率、宽电化学窗口、良好的热稳定性、无显著蒸气压等特性,被广泛应用于电化学储能元件如锂电池、超级电容器等,逐步成为传统有机电解液最佳替代者之一。目前有关离子液体电解液的设计与研究大多采用实验测试法,其搜索范围大、成本高且难以从纳微水平精确获得对其动态结构、形成机理、作用机制等深刻认识。因此,本文综述了离子液体电解液在模拟计算方面的相关进展。首先根据不同的模拟尺度,介绍了用于离子液体电解液的3种模拟计算方法,并讨论了它们的优缺点。其次,按照离子液体在电解液中的不同组成部分,分别回顾了离子液体电池及超级电容器中的模拟研究现状。最后,讨论了离子液体电解液未来面临的挑战和发展方向,为电解液的模拟提供了新的研究思路。     

功能化氧化石墨烯作为锂硫电池正极硫载体的性能研究北大核心CSCD

随着便携式电子设备、新能源电动汽车和储能电网的快速发展,人类对经济高效的电化学储能(EES)系统的需求越来越大。锂硫电池由于成本低、取材广、效率高、质量轻、硫元素零污染等优势,已成为当前EES系统中应用范围最广的储能器件之一。然而,因正极硫的利用率低、锂枝晶生长、体积膨胀和长链多硫化物的穿梭效应等问题,严重制约了其商业化进程。因此,寻找新的硫宿主材料迫在眉睫。本工作通过开发煤基氧化石墨烯复合材料试图解决上述问题,设计了一种含氧官能团的煤基氧化石墨烯,对多硫化物的空间限域或物理捕捉。并通过煤基石墨烯(G)和被氧化后的煤基氧化石墨烯(GO),组装成完整的扣式锂硫电池;实现了在高倍率3 C条件下进行500次长循环,比容量从初始622.5 mAh/g维持到448.2 mAh/g,比容量保持率为72%,比容量的衰减率为0.056%,经过多次验证,得出含有丰富功能基团的煤基氧化石墨烯能够为中间产物多硫化锂提供更丰富的极性位点,在一定程度上显示出更高的亲硫性,再经过一系列的电化学表征来证明该材料在锂硫电池中的优势,为锂硫电池的进一步发展提供借鉴和方法。     

PEO基Li^(+)-g-C_(3)N_(4)复合固态电解质的制备及其电化学性能北大核心CSCD

利用g-C_(3)N_(4)表面丰富的官能团进行锂化,得到锂化氮化碳(L-g-C_(3)N_(4))材料,并以双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)为锂盐,聚环氧乙烯(PEO)为聚合物基体,采用流延-热压法制备Li^(+)-g-C_(3)N_(4)复合固态电解质。借助透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)、线性循环伏安(LSV)、直流极化曲线、交流阻抗谱以及充放电测试等手段对复合固态电解质进行表征和测试。对比分析相同质量分数g-C_(3)N_(4)复合固态电解质与L-g-C_(3)N_(4)复合固态电解质的电化学性能,同时对不同L-g-C_(3)N_(4)含量的复合固态电解质的电化学性能进行研究。结果表明,添加质量分数为10%L-g-C_(3)N_(4)的复合固态电解质在60℃时的离子电导率为3.95×10^(-4) S/cm,锂离子迁移数为0.639,电化学窗口为4.5 V以上。以复合固态电解质组装Li/LiFePO_(4)全固态电池,在60℃以0.5 C充放电,电池的首次放电比容量为163.76 mAh/g,循环80次后容量仍有160.10 mAh/g,容量保持率为97.8%。     

Sc/O掺杂硫化物固态电解质的制备及全固态电池性能北大核心CSCD

近年来,硫化物固态电解质凭借其高安全性、高离子电导率、较宽电化学窗口等诸多优点受到了人们的广泛关注。掺杂改性被认为是一种提高硫化物固态电解质电化学性能的有效方法。鉴于稀土元素具有独特的电子结构与功能特性,掺杂稀土元素已成为提升固态电解质的离子导电性和降低晶界阻抗的有效策略之一。本工作使用稀土元素化合物氧化钪(Sc_(2)O_(3))作为掺杂剂合成了一系列改性后的硫化物固态电解质。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜以及色散能谱(EDS)等表征手段证明了Sc_(2)O_(3)的成功掺杂。通过使用交流阻抗法测试了其电导率,结果表明当Sc_(2)O_(3)的掺杂量为x=0.04时,Li_(6.08)P_(0.96)Sc_(0.04)S_(4.94)O_(0.06)Cl硫化物固态电解质显示出较高的离子电导率,可以达到3.17×10^(-3)S/cm。用Sc_(2)O_(3)掺杂量为x=0.04的硫化物固态电解质Li_(6.08)P_(0.96)Sc_(0.04)S_(4.94)O_(0.06)Cl组装锂-锂对称电池显示出0.95 mA/cm^(2)的高临界电流密度(CCD)和在0.1 mA/cm电流密度下超过300 h的稳定锂-锂对称电池循环过程。Li_(6.08)P_(0.96)Sc_(0.04)S_(4.94)O_(0.06)Cl基全固态电池显示出了249.03 mAh/g和191.2 mAh/g的首圈充放电比容量以及76.78%的首圈充放电效率,循环950圈后仍能保持123 mAh/g的放电比容量。即使在空气中暴露90 min后,Li_(6.08)P_(0.96)Sc_(0.04)S_(4.94)O_(0.06)Cl电解质仍能表现出较好的晶形结构和良好的全固态电池循环性能。本工作为提高Li6PS5Cl型硫化物固态电解质的电化学性能提供了新的思路。     

Advances in supercapacitors: From electrodes materials to energy storage devices

随着绿色储能器件的快速发展,超级电容器作为兼具高比能量与高比功率的优点,在储能领域具有重要发展潜力的新型储能器件,本综述从超级电容器的电极材料出发,详细概括了超级电容器电极材料的发展,包括双电层电容材料、赝电容材料以及双电层/赝电容复合材料;在此基础上,基于固态电解质,深入讨论了近年来全固态超级电容器的典型构型,针对性地总结了提高储能器件储能容量的关键问题。最后,基于电极材料与电解液的研究焦点,对超级电容器的研究提出了未来发展方向。     

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。     

Carbon nanotubes for flexible energy storage devices--A review

碳纳米管具有本征sp²共价结构所带来的优异导电,导热及力学性能,并在锂电池,超级电容器等储能体系中具有广泛的应用前景.本文回顾了碳纳米管柔性储能的背景,介绍了碳纳米管优异的性能,独特的结构.这种一维的管状结构既可以作为柔性电极中的支撑骨架,也可以构建优越的长程导电网络,提供能源存储活性位点,进而提高柔性器件的性能.本文详细评述近年来碳纳米管在柔性超级电容器,锂离子电池,锂硫电池等能源存储元件应用中的一些最新进展和研究热点,其中柔性超级电容器,锂离子电池方面研究比较成熟,而锂硫电池尚在起步阶段,预期会取得快速进步.文章介绍了电极构建途径及性能评估方法,展示了碳纳米管基柔性储能器件的进展,并展望了其未来发展方向.     

甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯在全固态电池中的应用北大核心CSCD

固态聚合物电解质作为全固态聚合物锂离子电池的核心材料,目前面临的主要难点是电导率低、电化学稳定性差等题。基于聚合物电解质的锂离子传输机理,采用甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯和聚氧化乙烯制备出多支链固态聚合物电解质(PMEA@SSE),并以聚氧化乙烯固态电解质(PEO@SSE)作为对比样,对PMEA@SSE进行了傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、电化学阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)以及全固态电池循环等测试和分析。结果表明,与PEO@SSE相比,PMEA@SSE具有更高的离子电导率(0.13 mS/cm vs.0.018 mS/cm,测试温度30℃),更宽的电化学窗口(4.2 V vs.3.8 V),以及更好的全固态电池循环稳定性(77次vs.31次循环,80%容量保持率,60℃下测试,0.1 C倍率,3.0~4.2 V电压范围)。本工作表明,甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯部分替代聚氧化乙烯是一种改进聚氧化乙烯这一经典固态聚合物电解质材料的可行策略,将为后续固态聚合物电解质新材料的开发提供有益参考。     

聚偏氟乙烯基凝胶聚合物电解质的研究进展

凝胶聚合物电解质(gel polymer electrolyte,GPE)作为液体电解质向固体电解质过渡的一个中间产物,因可以综合液体电解质和固体电解质的优点而受到广泛关注.聚偏氟乙烯及其共聚物聚偏氟乙烯-六氟丙烯拥有较高的介电常数,这有利于锂离子的电离、离子电导率的提高,进而能够改善锂离子电池的电化学性能,因此,是一种具有应用潜力的制备GPE的聚合物材料.本文综述了近五年基于聚偏氟乙烯GPE的研究进展,重点介绍了以下四类GPE:①基于聚偏氟乙烯以及聚偏氟乙烯-六氟丙烯的单一聚合物GPE;②与其他聚合物材料(如聚丙烯酸甲酯、聚间苯二甲酰胺、聚丙烯腈等)的复合GPE;③与无机纳米材料(如三氧化二铝、二氧化硅、氧化石墨烯等)复合的GPE;④其他新型(聚偏氟乙烯类聚合物与纤维素复合)的GPE研究进展.本文简述了各类复合GPE的优势和面临的挑战,最后,分析了基于聚偏氟乙烯GPE在产业化应用过程中面临的问题,并展望了此类GPE未来的发展方向和研究重点.     

全固态锂离子电池关键材料研究进展

全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本上解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。为了实现大容量化和长寿命,从而推进全固态锂离子电池的实用化,电池关键材料的开发和性能的优化刻不容缓,主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。本文以全固态锂离子电池关键材料为出发点,综述了不同类型的固态电解质和正负极材料性能特征以及电极/电解质界面性能的调控和优化方法等,阐述了未来全固态锂离子电池关键材料的发展方向以及界面问题的解决思路,为探索全固态锂离子电池产业化前景奠定基础。