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金属有机骨架衍生CoS_(2)/NC作为高性能钠离子电池负极的研究

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电力科技与环保 2024年第3期40卷 258-265页

作者：傅世郑安鹏燕董默涵王舒冉杨浩王子丹边煜华刘朝孟东北大学冶金学院能源电化学与城市矿冶金研究所辽宁沈阳110819 东北大学外国语学院辽宁沈阳110819 先进能源材料化学教育部重点实验室(南开大学) 天津300071

随着能源的持续消耗和需求量日益增加,电化学储能器件飞速发展。钠离子电池作为锂电的替代储能体系成为研究重点,电极材料作为关键组成部件对电池的性能起着重要作用。过渡金属硫化物因其高理论比容量可作为钠电负极而备受关注,且储量丰... 详细信息

随着能源的持续消耗和需求量日益增加,电化学储能器件飞速发展。钠离子电池作为锂电的替代储能体系成为研究重点,电极材料作为关键组成部件对电池的性能起着重要作用。过渡金属硫化物因其高理论比容量可作为钠电负极而备受关注,且储量丰富,价格低廉,但是存在离子存储过程的氧化还原反应导致体积变化引起结构退化等问题。本文以高容量的硫化钴作为研究对象,设计在一个相对刚性的基体中束缚住硫化钴颗粒,限制离子插嵌过程中硫化钴的体积膨胀。主要通过溶剂热法制备金属有机骨架ZIF-67,以ZIF-67为前驱体,经高温碳化及硫化反应,合成氮掺杂碳包覆CoS_(2)纳米颗粒的复合材料(CoS_(2)/NC)。采用X射线衍射等研究方法对其进行测试,揭示了CoS_(2)/NC的储钠机理。结果表明:CoS_(2)/NC负极材料具有极高的比容量和良好的循环稳定性,在60 mA/g电流密度下的比容量达到了599.6 mA·h/g,在1200 mA/g电流密度下循环500圈后仍可保持455.4 mA·h/g的高容量。较小的电化学阻抗和较高的电容贡献率保证了电极材料优良的倍率性能和大电流密度下的循环性能。CoS_(2)/NC电极表现出优异的储钠性能,有望成为下一代高性能负极材料。改性策略操作简单、效果显著,可以广泛应用于其他电化学储能器件中。

关键词： CoS2/NC复合材料钠离子电池负极材料电化学性能金属有机框架

三维双金属硫化物Co9S8/MoS2/C异质结用于增强钠离子存储(英文)

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新型炭材料(中英文) 2023年第3期38卷 510-521页

作者：陈红穆建佳边煜华高宣雯王达刘朝孟骆文彬东北大学冶金学院能源电化学与城市矿冶金研究所

钠离子电池(SIBs)的阳极材料一直备受研究关注，但缓慢的动力学行为和较大的体积变化限制了其在实际应用中的推广。为了克服这些问题，本研究利用金属有机框架和MoS2的优异性能，设计并制备了具有稳定骨架结构的复合材料。以Co-ZIF为前... 详细信息

钠离子电池(SIBs)的阳极材料一直备受研究关注，但缓慢的动力学行为和较大的体积变化限制了其在实际应用中的推广。为了克服这些问题，本研究利用金属有机框架和MoS2的优异性能，设计并制备了具有稳定骨架结构的复合材料。以Co-ZIF为前驱体，添加Mo源材料，在高温硫化烧结的过程中，构建了花状的Co9S8/MoS2/C复合材料，探究其在不同温度条件下的结构和电化学性能。此外，通过密度泛函理论(DFT)分析了Co9S8(001)/MoS2异质结对扩散动力学的影响。结果表明，电子结构在异质结构的界面处发生了重塑，Co9S8/MoS2表现出典型的金属性和显著增强的电子导电性。在所有样品中，700°C合成的阳极材料Co9S8/MoS2/C具有更稳定的结构和优异的电化学性能。当电流密度从4 000恢复到40 mA g-1时，Co9S8/MoS2/C-700的放电容量可以从368 mAh g-1完全恢复到571 mAh g-1，并稳定在543 mAh g-1。综上所述，本研究提供了一些关于异质结材料合理制备的思路，有助于设计高性能的金属钠离子电池负极复合材料。

关键词：钠离子电池负极金属有机框架 MoS2 Co9S8

碳基支架在构建稳定复合锂金属阳极方面的研究进展（英文）

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新型炭材料(中英文) 2023年第4期38卷 698-724页

作者：陈粤赵鲁康周俊龙边煜华高宣雯陈红刘朝孟骆文彬东北大学冶金学院

因为锂金属电池(LMBs)具有高能量密度、高理论比容量和低氧化电位等优点，被认为是后锂离子电池(LIBs)中理想的能量存储装置之一。然而，锂金属阳极(LMA)面临着多种障碍，包括低库仑效率(CE)、大体积膨胀、锂枝晶的形成、低安全和低稳... 详细信息

因为锂金属电池(LMBs)具有高能量密度、高理论比容量和低氧化电位等优点，被认为是后锂离子电池(LIBs)中理想的能量存储装置之一。然而，锂金属阳极(LMA)面临着多种障碍，包括低库仑效率(CE)、大体积膨胀、锂枝晶的形成、低安全和低稳定性及短寿命，这些问题阻碍了LMBs的实际应用。由于低密度、高机械强度、稳定的化学性质和大比表面积等优势，碳基材料受到了广泛关注。建立复合碳基LMA是各种策略中的一种有效选择，因为其具有缓解体积膨胀、降低局部电流密度以及提供均匀Li+沉积的活性成核位点的能力。本文综述了复合碳基LMA的最新研究进展，包括碳基复合材料、元素金属及其化合物与碳基材料的复合物，以及它们与阳极界面稳定性和结构的关系。最后，本文总结并提出了关于将碳基材料作为LMA支架的观点和见解。

关键词：锂金属电池碳基材料碳基支架制备技术枝晶生长

混合体系:一种改善水系钾离子全电池能量密度和稳定性的有效方式

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Science China Materials 2023年第3期66卷 923-931页

作者：于伟健盖军民胡艳瑶沈东阳罗文迪陈素华武利琛刘朝孟周江杨红官鲁兵安 School of Physics and Electronics Hunan UniversityChangsha 410082China School of Physics and Electronics Henan UniversityKaifeng 475004China School of Metallurgy Northeastern UniversityShenyang 110819China School of Materials Science and Engineering Key Laboratory of Electronic Packaging and Advanced Functional Materials of Hunan provinceCentral South UniversityChangsha 410083China State Key Laboratory of Advanced and Manufacturing for Vehicle Body Hunan UniversityChangsha 410082China

水系钾基电池(APBs)因具有高安全性和环境友好的性质而被广泛研究.然而,由于电极材料和工作机制的限制,APBs在倍率性能和能量密度方面需要进一步提高,以满足发展需求.针对上述问题,我们首次成功设计并组装了以Z n金属作为阳极,K1.9 2C u... 详细信息

水系钾基电池(APBs)因具有高安全性和环境友好的性质而被广泛研究.然而,由于电极材料和工作机制的限制,APBs在倍率性能和能量密度方面需要进一步提高,以满足发展需求.针对上述问题,我们首次成功设计并组装了以Z n金属作为阳极,K1.9 2C u0.6 2M n0.3 8-[Fe(CN)6]0.968·□0.0 3 2·H_(2)O0.35作为阴极,2 mol L-1Zn(SO_(3)CF3)2+12 mol L-1KSO_(3)CF3作为电解液的水系钾基电池.这种混合离子体系的设计优点是:(i)选择金属锌作为阳极,提高了APBs的工作电位;(ii)双阳离子储存机制缩短了离子传输路径;(ⅲ)来自双阳离子电解质的K+通过静电屏蔽作用抑制了锌枝晶的生长.因此,组装后的全电池具有1.75 V的高工作电位,并具有优异的倍率性能(在10,000 mA g-1的电流密度下,保持原有容量的83.3%).此外,通过理论相场模拟和综合表征充分揭示了原位静电屏蔽效应,显著抑制了锌阳极的枝晶生长,提高了全电池稳定性.混合离子电池的结构设计为高性能APBs的发展提供了思路.

关键词：工作电位全电池倍率性能锌阳极离子电池能量密度静电屏蔽结构设计

锂离子电池富镍三元正极材料NCM的研究进展

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储能科学与技术 2022年第6期11卷 1693-1705页

作者：张言王海刘朝孟张德柳王佳东李建中高宣雯骆文彬东北大学冶金学院辽宁沈阳110000 广西银亿新材料有限公司广西玉林537000

正极材料作为锂离子电池的四大核心材料之一,是锂离子电池电化学性能的决定性因素。其中,富镍三元正极材料LiNi_(x)Co_(y)Mn_(1−x−y)O_(2)(NCM,x≥0.6)因其较高的比容量和卓越的倍率性能等优点被广泛关注,被认为是下一代锂离子电池中最... 详细信息

正极材料作为锂离子电池的四大核心材料之一,是锂离子电池电化学性能的决定性因素。其中,富镍三元正极材料LiNi_(x)Co_(y)Mn_(1−x−y)O_(2)(NCM,x≥0.6)因其较高的比容量和卓越的倍率性能等优点被广泛关注,被认为是下一代锂离子电池中最具有发展潜力的正极材料之一。然而,富镍三元正极材料存在的循环稳定性差、热稳定性差以及安全性能低等缺点,限制了其在电动汽车和混合动力汽车等方面的大规模应用。因此,富镍三元正极材料NCM的研究对于完善当前锂离子电池体系有着重要的意义。随着材料制备方法的不断改进,富镍三元正极材料的电化学性能得到了显著的提高。本文综述了近年来富镍三元正极材料的研究进展,依据富镍三元正极材料NCM的晶体结构以及阳离子混排、循环稳定性差、材料表面残碱和表面副反应等失效机理方面展开,重点阐述了通过元素掺杂、表面包覆、掺杂包覆一体化、单晶化、构建核壳结构和浓度梯度的方法对其电化学性能的改善,并对富镍三元正极材料在锂离子电池的应用和未来的研究方向做出展望。

关键词：富镍三元正极材料失效机理元素掺杂表面包覆锂离子电池

Plum pudding model inspired KVPO4F@3DC as high-voltage and hyperstable cathode for potassium ion batteries

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Science Bulletin 2020年第15期65卷 1242-1251,M0003页

作者： Zhaomeng Liu Jue Wang Bingan Lu School of Physics and Electronics Hunan UniversityChangsha 410082China College of Chemistry and Chemical Engineering Central South UniversityChangsha 410083China State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body Hunan UniversityChangsha 410082China Fujian Strait Research Institute of Industrial Graphene Technologies Quanzhou 362000China

The investigation on the cathode material of potassium ion batteries(PIBs),one of the most promising alternatives to lithium ion batteries,is of great *** vanadium fluorophosphate(KVPO4F)with a high working voltage is an appealing cathode candidate for PIBs,while the poor cycling performance and low electronic conductivity dramatically hinder the ***,a plum pudding model inspired three-dimensional amorphous carbon network modified KVPO4F composite(KVPO4F@3DC)is successfully designed in this study to tackle these *** the composite,KVPO4F particles are homogeneously wrapped by a layer of amorphous carbon and bridged by crosslinked large area carbon *** the cathode for PIBs,the KVPO4F@3DC composite exhibits a high average operating voltage about 4.10 V with a super-high discharge capacity of 102.96 mAh g^-1 at 20 mA g^-*** excellent long cycle stability with a capacity retention of 85.4%over 550 cycles at 500 mA g^-1 is *** addition,it maintains 83.6%of its initial capacity at 50 mA g^-1 after 100 cycles at 55℃.The design of KVPO4F@3DC with plum pudding structure provides facilitative electron conductive network and stable electrode/electrode interface for electrode,successfully innovating an ultra-stable and high-performance cathode material for potassium ion batteries.

关键词： Plum pudding model Cathode Potassium vanadium fluorophosphate Potassium ion batteries High working voltage

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钾离子电池电解液的研究进展及展望

储能科学与技术 2023年第5期12卷 1409-1426页

作者：王轩臣王达刘朝孟高宣雯骆文彬东北大学冶金学院辽宁沈阳110000

钾离子电池(PIBs)具有资源丰富、成本低廉、环境友好及能量密度高等优点,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在电极领域的研究已经取得了显著进展,但当前钾离子电池电解液的研究仍在初级阶段,其设计和使用面... 详细信息

钾离子电池(PIBs)具有资源丰富、成本低廉、环境友好及能量密度高等优点,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在电极领域的研究已经取得了显著进展,但当前钾离子电池电解液的研究仍在初级阶段,其设计和使用面临如电解液和电极之间严重的副反应,导致不稳定的固-液界面和低库仑效率等诸多挑战。因此,发展优良的电解液是PIBs实现产业化应用的关键。本文对近年来PIBs电解液的特点及研究进展进行了综述和讨论。首先聚焦于有机电解液、水系电解液、离子液体电解液和固体电解质等4个主流电解液的发展现状和前景,着重介绍了有机电解液中的酯基电解液和醚基电解液,总结了当前PIBs电解液面临的关键问题,包括安全性较差(有机电解液)、电位窗口窄(水系电解液)、离子电导率相对较低(固体电解质)、成本高(离子液体电解液)等,讨论了新型电解液的改性设计和解决方案。本综述的目的是阐述电解液在PIBs中的重要性,探究当前和新兴的PIBs电解液的应用潜力,并对电解液未来发展提出了一些建议和前景。

关键词：钾离子电池有机电解液水系电解液离子液体电解液固体电解质

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钾离子电池聚阴离子正极材料的研究进展

储能科学与技术 2023年第5期12卷 1348-1363页

作者：李尚倬龙禹彤刘朝孟高宣雯骆文彬东北大学冶金学院辽宁沈阳110167

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... 详细信息

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。

关键词：聚阴离子正极材料磷酸盐钾离子电池氟磷酸盐

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量子点及其复合材料作为碱金属离子电池负极的研究进展

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储能科学与技术 2023年第5期12卷 1392-1408页

作者：周俊龙赵鲁康刘朝孟高宣雯骆文彬东北大学冶金学院辽宁沈阳110000

负极材料作为碱金属离子电池的重要组成部分,对电池的性能有着巨大的影响。传统的负极材料如石墨,由于比容量低很难满足未来对储能的需求。因此,寻找具有高比容量、优异的循环性能和稳定性能的负极材料至关重要。量子点因细小的尺寸和... 详细信息

负极材料作为碱金属离子电池的重要组成部分,对电池的性能有着巨大的影响。传统的负极材料如石墨,由于比容量低很难满足未来对储能的需求。因此,寻找具有高比容量、优异的循环性能和稳定性能的负极材料至关重要。量子点因细小的尺寸和超高的比表面积被广泛用于与负极基体材料复合,由量子点修饰的复合负极材料在碱金属离子电池中表现出优异的电化学性能。然而,目前对量子点及其复合材料用于碱金属离子电池负极的研究缺乏综述和展望。本文从金属氧化物量子点、金属硫化物量子点、金属氮化物量子点、碳量子点、单质类量子点以及其他类型量子点这6个方面对应用于碱金属离子电池负极的量子点进行综述,重点分析了各类量子点修饰的复合材料的作用机理和电化学性能。综合分析表明,量子点复合负极材料能有效缩短碱金属离子的扩散路径,提供更丰富的活性位点以及具有更高的循环稳定性,有望成为碱金属离子电池最具前途的负极材料。此外,本文总结了量子点复合负极材料存在的问题,并对未来量子点及其复合材料在电池领域的发展前景作了展望:(1)优化量子点合成路径;(2)明确量子点作用机理;(3)减少副反应消耗;(4)选用更合适的基体材料。

关键词：碱金属离子电池量子点负极复合材料电化学性能

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