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锂离子电容器集流体的表面改性技术研究

锂离子电容器集流体的表面改性技术研究

作者：蒋江民南京航空航天大学

学位级别：硕士

锂离子电容器兼备锂离子电池和超级电容器的优点,具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长、自放电小等特点,是一种新型环保的储能器件。可携带电子设备和新能源汽车的快速发展对锂离子电容器的性能提出了更高的要求。我们从锂离子电容... 详细信息

锂离子电容器兼备锂离子电池和超级电容器的优点,具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长、自放电小等特点,是一种新型环保的储能器件。可携带电子设备和新能源汽车的快速发展对锂离子电容器的性能提出了更高的要求。我们从锂离子电容器的组成和结构全面着手,通过表面改性集流体以优化界面特性的方法来提高锂离子电容器的总体性能。本文主要利用化学气相沉积制备石墨烯涂层修饰集流体、激光加工有序穿孔箔、采用美国Dexmet公司多孔金属网为集流体等关键技术研究了集流体表面改性对锂离子电容器电化学性能的影响。同时,我们还开发了电解液消耗机制下的一种类对称型的全碳锂离子电容器体系,为锂离子电容器的进一步发展提供了指导和方向。主要研究内容包括:(1)低压化学气相沉积法制备单层石墨烯改性铜箔集流体及其界面特性研究。石墨烯不仅降低了接触电阻,提高了电子导电性,还优化了界面间的电化学动力学,抑制了铜箔在电解液中的氧化,增强电子收集能力的同时抑制了Li+的界面扩散,有效的提高了钛酸锂负极的利用率。钛酸锂采用改性和未改性铜箔在10 A g-1电流密度下的放电比容量分别为101.7,83.7 mAh g-1,循环后容量保持率依次为96.9%,85.1%。研究表明,锂离子电容器采用石墨烯改性后的集流体也具有更优的电化学性能。我们还通过化学气相沉积及化学浸渍法制备了高度石墨化碳及纳米Pt颗粒以协同改性不锈钢集流体(SS@C@Pt)。SS@C@Pt能提供良好的电子传输网络,降低接触电阻,减小极化,并增强活性物质与集流体间的粘结强度,改善了钛酸锂负极的倍率性能。(2)激光技术制备有序穿孔铜箔集流体及其电化学性能研究。石墨负极采用传统铜箔(CCC)和穿孔铜箔(PCC)通过内部短路的方式完成预锂化。同等时间下,石墨虽然采用CCC的预锂化速率略快,但易发生金属锂沉积现象,且沉积在石墨表面的SEI膜厚度大,充放电过程中发生膨胀,导致活性物质与集流体间粘结力降低,内阻增大。石墨采用PCC完成预锂化后,表层SEI膜稳定,组装的锂离子电容器自放电现象小,电压降小,内阻小,具有更佳的倍率性能和循环性能。(3)溶剂热辅助高温碳化的方法合成出由纳米片自组装的、氮掺杂聚酰亚胺衍生碳微球作为锂离子电容器正、负极材料。配比后组装成的锂离子电容器在300 W kg-1的功率密度下具有高达90 Wh kg-1的能量密度,特别是在15000 W kg-1的功率密度下依然有45.8 Wh kg-1的能量密度。此外,我们还采用Dexmet公司开发的多孔金属网代替传统集流体进行研究。结果表明,采用多孔金属网为集流体的锂离子电容器在循环5000次依然具有80.0%的容量保持率,高于采用传统集流体的容量保持率(71.1%),具有更佳的循环性能。

关键词：锂离子电容器集流体石墨烯预嵌锂穿孔箔聚酰亚胺衍生碳

利用Lyapunov指数提取心电动态生理及病理信息的研究

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生物医学工程学杂志 1995年第3期12卷 249-253页

作者：刘心东蒋江民蒋大宗西安交通大学生物医学工程研究所

对心电信号的研究，一般都集中在对个别异常波形进行检测和识别从而判断心脏病变方面。而心电波形及其Ｒ－Ｒ间期序列的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数反映了心脏的总体动态特征。利用ＭＩＴ－ＢＩＨ数据库进行的初步研究表明：１）正常人、室性... 详细信息

对心电信号的研究，一般都集中在对个别异常波形进行检测和识别从而判断心脏病变方面。而心电波形及其Ｒ－Ｒ间期序列的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数反映了心脏的总体动态特征。利用ＭＩＴ－ＢＩＨ数据库进行的初步研究表明：１）正常人、室性失常病人和束支传导阻滞病人的心电波形的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数有显著差别；２）正常人和室性失常病人的Ｒ－Ｒ间期序列的Ｌｙｓｐｕｎｏｖ指数有显著差别，正常人和束支传导阻滞病人的Ｒ－Ｒ间期序列的Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数没有显著差别。值得指出的是，这一研究的前景在于，当心电信号中的异常波形还不足以被识别时，有可能利用Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数进行早期诊断。

关键词： Lyapunov指数心电图 R-R间期混沌

预嵌锂用穿孔集流体对锂离子电容器电化学性能的影响

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物理化学学报 2017年第4期33卷 780-786页

作者：蒋江民聂平董升阳吴宇婷张校刚南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏省能量转换材料与技术重点实验室南京210016

将石墨涂覆于传统铜箔(CCC)与穿孔铜箔(PCC)集流体表面,通过内部短路的方式进行预嵌锂处理,再以商业化的活性炭及预锂化的石墨分别为正、负极材料组装成锂离子电容器(LIC)。以PCC为集流体的LIC在0.1和2.0 A?g^(-1)的电流密度下,能量密... 详细信息

将石墨涂覆于传统铜箔(CCC)与穿孔铜箔(PCC)集流体表面,通过内部短路的方式进行预嵌锂处理,再以商业化的活性炭及预锂化的石墨分别为正、负极材料组装成锂离子电容器(LIC)。以PCC为集流体的LIC在0.1和2.0 A?g^(-1)的电流密度下,能量密度分别为118.2和51.7 Wh?kg^(-1),并且在0.5 A?g^(-1)的电流密度下循环1000次后的能量密度保持率为90%;以CCC为集流体的LIC在0.1和2.0 A?g^(-1)的电流密度下的能量密度分别为125.5和43.3 Wh?kg^(-1),在同等电流密度下2.0-3.8 V之间循环1000次后的能量密度保持率仅为73.2%。进一步研究表明,石墨采用PCC在预嵌锂的过程中避免了金属锂沉积,生成了均一且稳定的固体电解质膜(SEI),有效防止充放电过程中SEI膨胀,活性物质与集流体间粘结力降低,活性物质脱落等现象发生。因此,LIC通过PCC完成预嵌锂后的自放电及内阻更小,具有更佳的倍率性能和循环性能。

关键词：理离子电容器穿孔铜箔预嵌锂固体电解质膜集流体

富缺陷局部石墨畴结构的煤基碳材料构筑及其储钾特性研究

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化学学报 2024年第11期82卷 1124-1133页

作者：鞠治成封麒麟江野陈亚鑫庄全超邢政蒋江民中国矿业大学材料与物理学院徐州221116

钾离子混合电容器(PIHCs)作为一种新型的电化学储能器件,因其低成本和丰富的资源而成为大规模储能技术的候选者之一.然而,钾离子较大的半径导致其迁移速率缓慢,并且反复脱嵌过程易引发材料的结构坍塌,限制了器件的应用.因此,开发出低成... 详细信息

钾离子混合电容器(PIHCs)作为一种新型的电化学储能器件,因其低成本和丰富的资源而成为大规模储能技术的候选者之一.然而,钾离子较大的半径导致其迁移速率缓慢,并且反复脱嵌过程易引发材料的结构坍塌,限制了器件的应用.因此,开发出低成本的碳材料以实现快速的离子扩散和良好的循环稳定性已成为PIHCs当前发展的重要挑战.本工作以价格低廉的煤沥青为碳材料前驱,采用高温催化限域的策略制备出具有局部石墨畴结构的N/P共掺杂煤基碳材料,并对其储钾性能和反应动力学进行探究.研究表明:N/P共掺杂引入了丰富的缺陷,可为K^(+)的吸附/脱附提供大量的边缘活性位点,与此同时,催化生长的纳米石墨畴有利于电子和离子快速的传输.得益于煤基碳材料中的局部石墨畴、富活性氮和缺陷网络结构的协同作用,优化的NPC-800负极展现了优异的储钾能力(2A·g^(-1)电流密度下具有196.3m Ah·g^(-1)的比容量)和循环稳定性(稳定循环1000圈).此外,采用商业化活性炭(AC)正极和NPC-800负极构筑的PIHCs(AC//NPC-800)能实现101.4 Wh·kg^(-1)的高能量密度和长循环稳定性(1000圈),展现出良好的应用前景.鉴于煤沥青和钾资源的丰富低廉性,该工作为低成本煤基碳材料在二次电池以及电化学电容器中的应用提供了一种可行性策略.

关键词：钾离子混合电容器煤沥青碳材料富缺陷局部石墨畴

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万东HMC-36小C臂故障检修

中国医学装备 2009年第2期6卷 57-58页

作者：蒋江民江苏省江阴市中医院设备科江苏江阴214400

HMC-36型小C臂曝光时出现球管放电,最终导致开不出机器。通过分析电路图和更换手头芯片,并重新处理球管,机器恢复正常。

关键词：万东HMC-36小C 球管放电故障维修

炭材料的活性位点设计及其电化学储钾研究进展

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新型炭材料 2022年第3期37卷 461-483页

作者：耿超陈亚鑫石利泺孙宗富张蕾肖安永蒋江民庄全超鞠治成中国矿业大学材料与物理学院江苏徐州221116 徐州工程学院材料与化学工程学院江苏徐州221018 东北大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110819

炭材料因低成本、无毒性和微观结构可调等优点被认为是最具应用潜力的钾离子电池负极材料,其电化学储钾行为与活性位点的类型密切相关。近年来,为了满足不同电化学储钾器件的应用需求,针对炭结构设计及其活性位点调控已取得大量研究进... 详细信息

炭材料因低成本、无毒性和微观结构可调等优点被认为是最具应用潜力的钾离子电池负极材料,其电化学储钾行为与活性位点的类型密切相关。近年来,为了满足不同电化学储钾器件的应用需求,针对炭结构设计及其活性位点调控已取得大量研究进展。本文讨论了层间插层和离子吸附两种储钾机制的差异,以指导炭结构的合理设计。在此基础上,从库仑效率、容量、电位、倍率和稳定性等方面,综述了不同炭材料的活性位点演变规律及其对储钾性能的影响。同时,总结了炭材料用作钾离子全电池和钾离子电容器负极材料时的结构设计原则和储钾机制差异。并指出了炭材料储钾在活性位点设计方面需要解决的问题及今后研究和改进方向。

关键词：炭材料活性位点钾离子电池负极材料

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热电池正极材料的研究进展

化学通报 2024年第2期87卷 164-174页

作者：李慕荣张小强李红亮蒋江民庄全超崔艳华中国矿业大学材料与物理学院徐州221000 中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳621000

热电池是一种热激活贮备式电池,由于其优良的贮存稳定性、放电可靠性等特点,广泛应用于多种军用武器的内部电源。为了满足当前不同军用武器装备的需求,热电池的发展趋于在提高电化学性能的同时实现小型化、微型化。热电池电化学性能的... 详细信息

热电池是一种热激活贮备式电池,由于其优良的贮存稳定性、放电可靠性等特点,广泛应用于多种军用武器的内部电源。为了满足当前不同军用武器装备的需求,热电池的发展趋于在提高电化学性能的同时实现小型化、微型化。热电池电化学性能的提高主要取决于正极材料的发展,目前对现有正极材料的优化改性和新型正极材料的开发是提高热电池性能的主要方法。本文从合成和改性方法的角度综述了近年来硫化物、氯化物、氟化物热电池正极材料的研究进展,并对其材料特性和放电性能进行了综合评估。最后,基于热电池特殊的应用场景,从热稳定性、放电电压、电导率等方面对热电池正极材料未来的发展方向进行了总结与展望。

关键词：热电池正极硫化物氯化物氟化物

氟氮共掺杂多孔碳纳米片的制备及其储钾性能研究

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化学学报 2023年第4期81卷 319-327页

作者：蒋江民郑欣冉孟雅婷贺文杰陈亚鑫庄全超袁加仁鞠治成张校刚中国矿业大学材料与物理学院徐州221116 南京航空航天大学材料科学与技术学院南京211106 南昌大学物理与材料学院南昌330038 河南理工大学材料科学与工程学院焦作454003

钾离子电容器是一种新型的电化学储能器件,碳基材料被认为是最有前途的储钾候选材料之一.然而,K+半径较大使得迁移速率缓慢,脱嵌过程中材料的结构易破坏,导致性能显著下降.因此,开发出低成本的碳材料来适应K+扩散的热力学与动力学需求,... 详细信息

钾离子电容器是一种新型的电化学储能器件,碳基材料被认为是最有前途的储钾候选材料之一.然而,K+半径较大使得迁移速率缓慢,脱嵌过程中材料的结构易破坏,导致性能显著下降.因此,开发出低成本的碳材料来适应K+扩散的热力学与动力学需求,已成为当前发展的瓶颈.煤沥青是煤焦油经蒸馏提取液体馏分后得到的残余物,它的组成主要为稠环芳烃,具有高的含碳量、可塑性好、资源集中、价格低廉等显著优点,是一种优质的碳基材料前驱体.鉴于此,本工作采用煤沥青作为碳源、聚四氟乙烯为氟源,氯化钠为模板剂,通过直接高温碳化的策略制备了氟氮共掺杂的多孔碳纳米片(FNCPC).研究表明,纳米片层的结构设计有效缩短了离子的传输路径,F、N共掺杂拓宽了碳的层间距,缓解了体积膨胀问题,并且形成更多的表面缺陷,可为K+的存储提供更多的反应活性位点.此外,电化学动力学分析和密度泛函理论(DFT)表明,FNCPC具备显著的赝电容特性和强的对K吸附能.得益于结构和化学性质的协同优化,FNCPC负极展现出优异的储钾能力(2 A·g^(-1)电流密度下具有212.8 mAh·g^(-1)的比容量)和循环稳定性.进一步将商业化活性炭(AC)为正极,FNCPC为负极构筑了钾离子电容器(AC//FNCPC),该器件能实现最大的能量密度为87.5 Wh·kg^(-1),并且在循环3000次后具有86.1%的容量保持率,展现出广阔的应用前景.

关键词：钾离子电容器碳纳米片煤沥青氟氮共掺杂吸附能

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Li/CF_(x)一次电池研究进展

储能科学与技术 2023年第4期12卷 1093-1109页

作者：汤才蒋江民王新峰刘广发崔艳华庄全超中国矿业大学材料与物理学院江苏徐州221116 中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621000

锂/氟化碳(Li/CF_(x))一次电池是目前能量密度最高的化学电源,具有输出电压稳定、安全性好、使用温度范围宽和自放电率低等特点,在军事(单兵作战系统)、医疗(心脏起搏器)、太空探索(空间站)等关键领域具有无可替代的重要性。然而,氟化... 详细信息

锂/氟化碳(Li/CF_(x))一次电池是目前能量密度最高的化学电源,具有输出电压稳定、安全性好、使用温度范围宽和自放电率低等特点,在军事(单兵作战系统)、医疗(心脏起搏器)、太空探索(空间站)等关键领域具有无可替代的重要性。然而,氟化碳材料的电子导电性较差,很大程度地影响了电化学反应的电极过程动力学,导致Li/CF_(x)一次电池存在高倍率放电性能差、初始放电电压延迟严重、放电过程中发热量大等问题。本文通过对近期相关文献的探讨,首先综述了Li/CF_(x)一次电池在放电机理方面的研究进展,包括两相放电反应机理模型、生成石墨层间化合物中间相的放电反应机理模型、“核-壳”模型反应机理和边缘传播放电反应机理以及最近刚被提出的三步放电反应机理等。其次,重点分析了Li/CF_(x)一次电池面临问题的解决方法,包括氟化碳材料前驱体的选择、氟化方法的改进、复合材料的构建以及电解液的改性和优化方法。其中,氟化碳纳米管、氟化富勒烯、氟化石墨烯等新型氟化碳基材料的应用为氟化碳的发展提供了新的前景。在复合材料的构建策略上,导电聚合物、金属纳米颗粒、氧化物的加入可显著降低电压延迟时间和提升倍率性能。在电解液的调控策略上,氟离子结合剂的引入和氟化锂晶体生长动力学的计算,对于溶解氟化锂和控制氟化锂的生长具有重要作用,有望实现兼具高能量密度和高功率密度的宽温域Li/CF_(x)一次电池。

关键词：锂/氟化碳(Li/CF_(x))一次电池氟化碳反应机理复合材料电解液