柔性锂离子电池的电极

科技进步使可穿戴设备等便携式电子产品得到了快速发展,柔性电池作为其核心部件,受到越来越多研究者的关注。锂离子电池因具有良好的循环稳定性和较长的使用寿命等优点,成为各类产品的主要电源。为满足电子产品柔性化、微型化发展需求,开发高能量密度的柔性锂离子电池成为亟待解决的问题,作为其关键材料之一的柔性电极是重要的研究方向。本文阐述了柔性锂离子电池电极的研究进展,包括基于自身带有电化学活性的碳材料、Mxene材料的一体化柔性电极,基于非电化学活性的聚合物材料、纺织材料、金属基的一体化柔性电极,以及为满足可穿戴设备可编织和大尺寸形变使用需求的宏观柔性新型电极结构设计,分析并探讨了柔性电极目前存在的问题,以期为未来高能量密度柔性锂离子电池的研究提供新的思路。     

原子尺度锂离子电池电极材料的近平衡结构

锂离子电池充放电过程中电极材料的结构变化与材料的电化学反应机理和性能密切相关.通过在原子尺度上直接观察脱/嵌锂前后电极材料的近平衡微观结构,有助于从更深层次认识电极反应机理和性能演化规律,对于全面理解材料的电化学行为以及改善锂离子电池性能具有重要的指导意义.本文详述了球差校正扫描透射成像技术在研究电极材料表界面结构及反应机理方面的进展,探讨了未来建立电极材料原子尺度结构与性能相关联可能的研究方向.     

宏观均相多孔电极电化学阻抗谱基础

电化学阻抗谱可用于诊断多孔电极内电荷转移反应,即界面电荷集聚和电荷传导,以及反应物质输运。本文采用复相量方法,在同态假设条件下,重新推演多孔电极阻抗谱模型,厘清传统多孔电极阻抗谱模型中的模糊性表述。(1) 定义多孔电极表征输入参数,包括电极基体电子电导率σ₁ 、电解质离子电导率σ₂、界面电荷传递电导率g_ct、单位面积界面电容C、固相扩散系数D、速度常数k、电极厚度d、特征孔深L_p 和单位体积表面积S_c;(2) 解析阻抗谱特征输出参数,包括场扩散常数K,特征频率ω₀、ω₁、ω₂、ω₃和 ω_max,它们分别相关于界面传导反应、有限场扩散、氧化还原反应、孔内扩散和最小特征孔尺寸,以及分别对应于从传导到扩散和从扩散到饱和的转折频率f_k1 和f_k2;(3) 当参数X和Z同时变化时(X = σ₁和Z = d,S_c,L_p,C,g_ct,D,k),通过阻抗谱特征参数的演变规律,分析了电荷转移反应中X和Ζ参数耦合竞争;(4)为深入分析电荷转移反应中参数X和Z的耦合竞争,引入了分叉频率f_XZ和f_ZX 。f_XZ和f_ZX所处位置可以用于表征参数X和Z影响电荷转移反应的深度和广度。当分叉频率f_XZ和f_ZX不存在时,表明电荷转移反应中参数X和Z在全频率范围内存在耦合竞争。总之,借助于特征频率和分叉频率,本文一方面研究了动力学参数和微观结构参数对多孔电极中电荷转移反应的影响,另一方面分析谱图的变化及其背后的阻抗谱特征演化规律。本文研究结果可为阻抗谱的系统仿真和辨识提供理论基础,可为多孔电极内电荷转移反应的竞争分析提供技术支撑,还可为电化学储能系统的优化设计提供诊断工具。     

离子液体在多孔碳电极上的电化学性能

制备了数种离子液体及离子液体有机溶液电解质,用线性电位扫描法测试了它们的电化学窗口;并通过循环伏安、交流阻抗、电势阶跃等电化学方法,对它们在多孔碳电极中的电化学性能进行了研究.实验结果表明:溶剂对1-乙基-3-甲基咪唑类离子液体有机溶液电解质的电化学窗口有较大的影响.离子液体及离子液体有机溶液电解质在多孔碳电极上的电化学性能与其电导率密切相关,电导率越大,充电时间常数越小,比容量越大;但比容量降低的倍率远小于电导率降低的倍率.     

锂离子电池电极粘结剂的研究进展

粘结剂是制备电极必须使用的重要材料之一,其选择和使用显著影响电极的宏观电化学性能,其优化是制造高性能锂离子电池电极片必须考虑的重要因素。本文探讨了粘结剂在电极电化学过程中的作用机制,阐述了不同锂离子电池电极粘结剂的特征和优缺点,分析了锂离子电池电极粘结剂的未来发展方向。     

酸浸蚀Al-Si合金制备锂离子电池高性能多孔硅负极材料

本文首次提出利用酸浸蚀Si-Al（含Al 80%）合金粉末的方法制备多孔硅材料. 分析表明制得的多孔硅材料为晶体,并具有由纳米颗粒结集成的海绵状多孔结构,其粒径约20 μm,比表面102.7 m²·g^-1. 多孔硅电极按多孔硅:导电碳:粘结剂 = 1:1:1（by mass）涂成. 在添加15%氟化碳酸乙烯酯（FEC）的1 mol·L^-1 LiPF₆/EC + DMC（1:1,by volume）电解液,在100 mA·g^-1电流密度充放电,多孔硅电极的首次放电比容量2072 mAh·g^-1 Si. 经237次充放电循环后,其放电容量仍可保持在1431 mAh·g^-1 Si,显示了相当高的充放电稳定性. 这归因于其海绵状多孔结构有足够的微空间以承受充电过程中硅的急剧膨胀. 硅微粒的纳米尺寸有利于锂在Li-Si合金中的扩散. 纳米硅微粒可牢固地联成一整体,不易因膨胀、收缩而粉化断裂. 这种构筑多孔硅负极材料的新方法操作简便、成本低廉,有着很好的应用前景.     

锂离子电池的电化学阻抗谱分析研究进展

锂离子电池的电化学阻抗谱（EIS）是研究电化学系统最有力的实验方法之一,在过去的20多年中,EIS 被广泛应用于锂离子电池研究和生产领域,包括研究电极界面反应机理和容量衰减机制,测定相关电极过程动力学参数和电池的健康状态、荷电状态以及电池的内阻。本文分析了锂离子电池中电极极化过程包含的3 个基本物理化学过程———电子输运、离子输运和电化学反应过程,探讨了每一基本物理化学过程包含的步骤及其EIS 谱特征,详细论述了与电子输运相关的基本物理化学过程———接触阻抗和感抗产生的机制;介绍了多孔电极理论及其在锂离子电池中的应用,阐述了基于多孔电极理论进行阻抗谱数值模拟的建模原理与方法。 综述了石墨、硅、二元3d 过渡金属氧化物、LiCoO₂、尖晶石LiMn2O4、LiFePO4、尖晶石Li4Ti5O12、过渡金属氟化物材料等电极的典型阻抗谱特征和各时间常数的归属问题。最后讨论了EIS现存的问题及未来的发展方向。     

多孔电极三相界面形态的研究

研究了多孔气体电极在电池反应中形成的三相界面的形态及其变化规律。传统的电极多采用部分浸没的使用方式,不利于观察。笔者通过改变传统的电极安装方式,将电极在纵向的距离加大,可以任意调节电极纵向高度,有利于观察三相界面的形成形态。通过锌空气电池实验,总结了三相界面形态的形成以及随着反应时间的变化规律,并对三相界面形态的变化使电极内电解液的电导发生变化进而影响电池内电阻进行了理论分析,通过对比实验给出多孔电极润湿性和孔隙结构对三相界面形态的影响。     

基于多孔碳固载离子液体修饰电极的叔丁基对苯二酚的检测研究

制备了多孔碳固载离子液体纳米材料修饰玻碳电极（GCE）,用于抗氧化剂叔丁基对苯二酚(TBHQ)的检测研究。不同电极上的交流阻抗结果表明,经过多孔碳固载离子液体修饰后的玻碳电极阻抗显著减小。多孔碳固载离子液体修饰后电极的氧化峰电流为41.93μA,比修饰前增大约5.5倍,说明多孔碳固载离子液体可显著提高电极的导电性,促进电极表面的电子转移,提高检测灵敏度。用时间~电流曲线测得TBHQ的线性范围为1.00~120.00μg/mL,检出限为0.16μg/mL。     

微带电极上同时受扩散、化学反应、电极反应速率控制的伏安方程

运用积分变换的方法推导了超微带电极上同时受扩散、化学反应、电化学反应动力学控制的伏安关系,得到了前行化学反应、平行化学反应和后行化学反应的准可逆伏安方程,并列出了计算所得的典型伏安曲线。     

三相电极法研究液/液界面离子转移的进展

三相电极法作为研究液/液界面离子转移的一种新方法,具有简单、快速、经济的特点。文章回顾了液/液界面离子转移的发展历史,介绍了三相电极法的实验原理,并对其在电化学中的研究进展和应用进行了评述,引用文献48篇。     

高分子微球在电化学领域的应用

本文综述了近几年来高分子微球在电化学领域应用的研究进展。分别介绍了电场作用下微球悬浮液反射光谱的变化,包覆导电聚合物高分子微球的振荡电流和循环伏安特征和二茂铁基高分子微球电极反应的粒径效应,并对各类微球悬浮液的电化学行为及电极反应模型进行阐述。综述表明高分子微球电化学具有广阔的应用前景。     

Pt／YSZ固体电解质界面氧的电荷传递过程研究

用极化法研究了不同温度和氧分压下Ｐｔ／ＹＳＺ界面氧的电荷传递过程．研究发现氧电荷传递过程的阴、阳极电荷传递系数为１，不随温度和氧分压而变．从实验和反应机理推导得到，Ｐｔ／ＹＳＺ界面的交换电流密度和氧分压之间存在，ｉ０＝２ＦＫｒ（ＫＯ２ＰＯ２）１／４（１＋ＫＯ２ＰＯ２）１／２的关系．通过数学分析还获电化学反应速度常数，氧在Ｐｔ表面上吸附平衡常数等重要参数     

W/O与O/W，W/O与双连续结构微乳液的界面电性质

无探针伏安法和电容法测定结果表明,在质量比H_2O/n-C_5H_(11)OH = 50/50条件下,SDS总含量<3%时,上相呈W/O结构,下相呈O/W结构,随着体系SDS 总含量的增大,界面上SDS量增加,界面电势ΔE、界面电容C、界面电荷传递电流 i_p均增加,而界面电阻率ρ_i则减小;当体系 SDS总含量≥3%时,上相呈W/O结构 ,下相呈双边续结构,各界面电性质变化幅度均变缓。     

SDS/n－C5H11OH/n－C7H16/H2O体系中W/O－BI微乳液界面电性质

In the system of SDS/n-C5H11OH/n-C7H16/H2O with the weight ratio of SDS/n-C5H11OH/H2O system at5.0/47.5/47.5, the upper phase of the system was W/O microemulsion, and the lower phase was the bicontinuous microemulsion. When the n-heptane content was less than 1%, with the increase of the n-heptane content, the capacitance (Co, Cod) in the upper phase (W/O) dropped, the capacitance (CB1, CBld) in the lower phase (BI) raised. At the same time, the W/O-BI inteffacial potential (ΔE), capacitance (Ci), and charge-transfer current (ict) decreased.After the n-heptane content reached 1%, with the increase of the n-heptane content, ΔE, Ci and ict demonstrated no significant change.     

低能离子-分子反应动力学的研究进展※

离子-分子反应是星际空间、地球大气、燃烧火焰和等离子体等各类环境中物质演化的关键步骤之一, 而且此类反应还涉及到电荷转移、能量传递等基本物理化学过程. 近十几年来, 离子速度成像技术的引入推动了低能离子-分子反应动力学的实验研究, 但仍有很多微观动力学机制有待深入探索. 基于自制的交叉束离子速度成像装置, 本研究组最近利用延迟线阳极探测器实现了多通道产物的三维离子速度影像的高效测量. 对Ar⁺和小分子的电荷转移研究中, 作者发现了此过程与光电离、Marcus理论模型之间的差异; 通过研究Ar⁺与O₂、CO的解离性电荷转移反应, 揭示了奇特的立体动力学特征, 分析了解离性电荷转移与纯电荷转移的动力学差异. 结合国际上相关研究, 作者对未来的实验技术发展与研究内容作了展望.