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Hard-carbon hybrid Li-ion/metal anode enabled by preferred mesoporous uniform lithium growth mechanism

Journal of Energy Chemistry 2024年第1期88卷 252-259,I0006页

作者： Fang Yan Yan Liu Yuan Li Yan Wang Zicen Deng Meng Li Zhenwei Zhu Aohan Zhou Ting Li Jingyi Qiu gaoping cao Shaobo Huang Biyan Wang Hao Zhang School of Chemistry and Biological Engineering University of Science and TechnologyBeijing 100083China Research Institute of Chemical Defense Beijing 100191China College of Physics and Engineering Henan University of Science and TechnologyLuoyang 471023HenanChina National Base for International Science&Technology Cooperation School of ChemistryXiangtan UniversityXiangtan 411105HunanChina Materials and Manufacturing Department Beijing University of TechnologyBeijing 100124China

To achieve high energy density in lithium batteries,the construction of lithium-ion/metal hybrid anodes is a promising *** particular,because of the anisotropy of graphite,hybrid anode formed by graphite/Li metal has low transport kinetics and is easy to causes the growth of lithium dendrites and accumulation of dead Li,which seriously affects the cycle life of batteries and even causes safety ***,by comparing graphite with two types of hard carbon,it was found that hybrid anode formed by hard carbon and lithium metal,possessing more disordered mesoporous structure and lithophilic groups,presents better *** indicate that the mesoporous structure provides abundant active site and storage space for dead *** the synergistic effect of this structure and lithophilic functional groups(–COOH),the reversibility of hard carbon/lithium metal hybrid anode is maintained,promoting uniform deposition of lithium metal and alleviating formation of lithium *** hybrid anode maintains a 99.5%Coulombic efficiency(CE)after 260 cycles at a specific capacity of 500 m Ah/*** work provides new insights into the hybrid anodes formed by carbon-based materials and lithium metal with high specific energy and fast charging ability.

关键词： Hard carbon/Li metal hybrid anode Mesoporous structure Surface oxygen functional group Fast charging Lithium batteries

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Laterally Confined Graphene Nanosheets and Graphene/SnO_(2) Composites as High-Rate Anode Materials for Lithium-Ion Batteries

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Nano Research 2010年第10期3卷 748-756页

作者： Zhiyong Wang Hao Zhang Nan Li Zujin Shi Zhennan Gu gaoping cao Beijing National Laboratory for Molecular Sciences State Key Lab of Rare Earth Materials Chemistry and ApplicationsCollege of Chemistry and Molecular EngineeringPeking UniversityBeijing 100871China Research Institute of Chemical Defense West Building35 Huayuanbei RoadBeijing 100083China

High-rate anode materials for lithium-ion batteries are desirable for applications that require high power *** demonstrate the advantageous rate capability of few-layered graphene nanosheets,with widths of 100-200 nm,over micro-scale graphene *** reasons for the better performance of the former include their smaller size and better conductivity than the *** of SnO_(2)nanoparticles with graphene was used to further improve the gravimetric capacities of the electrode at high charge-discharge ***,the volumetric capacity of the composites was substantially enhanced compared to pristine graphene due to the higher density of the composites.

关键词： Carbon graphene anode lithium-ion batteries SnO_(2) nanomaterials

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In-situ construction of hybrid artificial SEI with fluorinated siloxane to enable dendrite-free Li metal anodes

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Journal of Materiomics 2023年第2期9卷 318-327页

作者： Lei Wei Zhaoqing Jin Jianhao Lu Yang Guo Zilong Wang gaoping cao Jingyi Qiu Anbang Wang Weikun Wang State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian Beijing102205China Research Institute of Chemical Defense Beijing100191China Beijing Key Laboratory of Electrochemical Process and Technology for Materials Beijing University of Chemical TechnologyBeijing100029China

Lithium(Li)metal anode holds great promise for high-energy-density rechargeable ***,it suffers from the Li dendrites growth and uncontrollable side reactions with electrolyte due to the unstable solid electrolyte interphase(SEI)***,we propose a facile strategy for the in-situ fabricate of organic-inorganic composite artificial SEI layers on Li surfaces,which consist of organic fluorinated siloxane and inorganic LiF-rich *** hybrid artificial SEI endows high mechanical strength(13.1 GPa)and Liþtransfer number(0.62).Such robust SEI protective layers can not only guide uniform nucleation and deposition of Li metal by facilitating uniform Li-ion distribution,but also prevent unfavourable side ***,the protected metallic lithium anode(PMTFPS-Li)anode enables stable Li plating/stripping performance in symmetric cells for more than 300 h at 4 mA$h/cm^(2)under a high areal capacity of 4 mA/cm^(2).Moreover,the PMTFPS-Li/S cells could maintain more than 300 stable cycles at 0.5C and the PMTFPS-Li/LFP cells present excellent cycling performance(400 cycles at 1C)and enhanced rate capability(110.4 mA$h/g at 3 C).This work will inspire the design of artificial SEI on Li anodes for advanced Li metal batteries.

关键词： Fluorinated siloxane Lithium metal anode Dendrite growth Artificial SEI In-situ reaction

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Insights for understanding multiscale degradation of LiFePO_(4) cathodes

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eScience 2022年第2期2卷 125-137页

作者： Li Wang Jingyi Qiu Xiaodan Wang Long Chen gaoping cao Jianlong Wang Hao Zhang Xiangming He Institute of Nuclear and New Energy Technology Tsinghua UniversityBeijing100084China Research Institute of Chemical Defense Beijing100191China

Lithium-ion batteries(LIBs)based on olivine LiFePO_(4)(LFP)offer long cycle/calendar life and good safety,making them one of the dominant batteries in energy storage stations and electric vehicles,especially in *** scientists have a weak understanding of LFP cathode degradation,which restricts the further development of LFP materials and ***,we critically review reports on LFP cathode degradation with respect to different electric parameters(including C-rates,storage,and long cycling),mechanical stresses,and thermal *** detailed chemical and physical aspects of degradation mechanisms at various scales(i.e.,from atomic to devices)and their causes are comprehensively summarized,and discussions of related concerns are provided in each *** close with a systematic overview of LFP degradation research and mediation strategies,suggesting future directions for developing robust,safe LFP batteries with long cycle life.

关键词： Lithium-ion batteries LiFePO_(4)cathodes Multiscale degradation Multisource field Safety

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聚合物基全固态锂金属软包电池的设计与性能研究

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防化研究 2024年第4期3卷 36-44页

作者：苏韵王嫣刘艳朱振威陈熙邦邱景义曹高萍张浩军事科学院防化研究院

全固态锂金属电池因其卓越的能量密度和安全性，有望成为下一代高能高安全电池技术首选。然而，由于技术难度大，全固态锂金属电池技术仍停留在电容量低、正极负载量低的微型扣式电池水平。本研究通过突破高温鞣制全固态聚合物电解质膜... 详细信息

全固态锂金属电池因其卓越的能量密度和安全性，有望成为下一代高能高安全电池技术首选。然而，由于技术难度大，全固态锂金属电池技术仍停留在电容量低、正极负载量低的微型扣式电池水平。本研究通过突破高温鞣制全固态聚合物电解质膜技术，实现了聚合物基全固态锂金属软包电池（700 mAh, 3.7 V,三元层状氧化物正极|聚环氧乙烷基全固态聚合物电解质|金属锂负极）自主小批量制备，并对其进行了系统的性能测试和失效分析。利用X射线断层扫描、离子抛光-扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、气相色谱等表征技术，研究了聚合物基全固态锂金属软包电池中的机械-电化学耦合失效机制；利用绝热加速量热仪测试了电池的热失控过程，表明该电池具有显著的热安全优势。基于以上测试分析结果，本文为全固态锂金属电池提出了未来发展建议，为其性能进一步提升和应用提供了参考和指导。

关键词：全固态锂金属电池全固态聚合物电解质软包电池安全性

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A scalable bio-inspired polydopamine-Cu ion interfacial layer for high-performance lithium metal anode

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Nano Research 2019年第12期12卷 2919-2924页

作者： Qianqian Meng Huimin Zhang Yue Liu Shaobo Huang Tianzhu Zhou Xiaofei Yang Biyan Wang Wenfeng Zhang Hai Ming Yu Xiang Meng Li gaoping cao Yaqin Huang Li-zhen Fan Hao Zhang Yuepeng Guan Beijing Key Laboratory of Advanced Chemical Energy Storage Technologies and Material Research Institute of Chemical DefenseBeijing 100191China Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering Institute of Advanced Materials and TechnologyUniversity of Science and Technology BeijingBeijing 100083China State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering The Key Laboratory of Beijing City on Preparation and Processing of Novel Polymer MaterialsBeijing University of Chemical TechnologyBeijing 100029China

The growth of Li dendrites and the instability of the solid electrolyte in terphase(SEI)layer during plating/stripping has hin dered the practical applicati on of high-energy-density batteries based on a lithium metal *** a stable interfacial layer is effective in preventing lithium corrosiion by the electrolyte and controlling the deposition of lithium ***,we present a robust polydopamine-Cu ion(PDA-Cu^2+)coati ng layer formed by the aggregation of nanoparticles and Cu ions,which can be obtained by a subtle immersion *** demonstrate that the PDA-Cu^2+ protective layer,with a unique structure comprising nanoparticles,can regulate and guide Li metal deposition,and together with Cu ions,forms a lubricating surface to facilitate uniform Li ion diffusion and induce stable SEI layer *** anodes with this PDA-Cu^2+layer modification ultimately achieve higher Coulombic efficiencies,which are consistently stable for over 650 cycles at 0.5 mA·cm^-2 without Li *** introduced PDA-Cu^2+ coating can adhere to any material of any shape;addition ally,the operation can be realized on a large scale because of its *** merits provide a promising approach for developing stable and safe lithium metal batteries.

关键词： polydopamine Cu ions interfacial layer lithium metal anode

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聚合物固态锂电池电解质/负极界面

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化学进展 2021年第8期33卷 1378-1389页

作者：陈龙黄少博邱景义张浩曹高萍防化研究院北京100191

动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹... 详细信息

动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹配高容量电极材料,实现能量密度的有效提升。聚合物固态锂电池是最有前景的锂二次电池之一,然而聚合物固体电解质与锂负极间仍存在严重的界面副反应、锂负极表面易生长枝晶等问题。近年来,通过电解质成分调控、电解质力学性能提升、电解质/锂负极界面调控和匹配三维锂负极等手段,聚合物基固态锂电池性能明显提升。基于此,本文介绍了常见的聚合物固体电解质及其与锂负极间的界面挑战,从添加无机填料、使用高强度基底膜、分级层状结构设计、构筑界面缓冲层、交联网络设计以及固态锂负极保护等几个方面综述了提升聚合物基电解质/锂负极界面稳定性的最新研究成果,最后对解决聚合物固体电解质/锂负极界面兼容性的研发方向和发展趋势进行了展望。

关键词：聚合物电解质锂负极界面枝晶固态锂电池

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水系锂离子电池负极材料LiTi_2(PO_4)_3/C的合成与电化学性能

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高等学校化学学报 2015年第6期36卷 1180-1186页

作者：赵平文越华程杰申亚举曹高萍杨裕生沈阳理工大学环境与化学工程学院沈阳110159 北京防化研究院北京100191

采用Pechini法合成了纳米LiTi2(PO4)3,以聚乙烯醇(PVA)为碳源,探讨了不同碳源分散方式下制备的碳包覆LiTi2(PO4)3电极电化学性能的影响因素.结果表明,纳米LiTi2(PO4)3的电化学性能主要取决于本身晶相的纯度和结晶度,其次为LiTi2(PO4)3... 详细信息

采用Pechini法合成了纳米LiTi2(PO4)3,以聚乙烯醇(PVA)为碳源,探讨了不同碳源分散方式下制备的碳包覆LiTi2(PO4)3电极电化学性能的影响因素.结果表明,纳米LiTi2(PO4)3的电化学性能主要取决于本身晶相的纯度和结晶度,其次为LiTi2(PO4)3颗粒表面碳包覆层的均匀程度.采用旋转蒸发的碳源分散方式制得的纳米LiTi2(PO4)3晶相纯度高,结晶度好,LiTi2(PO4)3颗粒表面碳包覆层均匀,电化学性能最优.4C倍率下首次放电容量达到123mA·h/g,充放电循环200次容量保持率在85%以上.

关键词：水系锂离子电池 Pechini法 LiTi2(PO4)3 碳包覆

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电化学双电层电容器用新型炭材料及其应用前景

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化学进展 2008年第10期20卷 1495-1500页

作者：张浩曹高萍杨裕生徐斌张文峰防化研究院北京100083

活性炭是目前使用最为广泛的一种电化学双电层电容器(EDLC)的电极材料,但其固有的缺点制约了EDLC性能的进一步提高。用新型高性能炭电极材料可使EDLC比能量和比功率性能进一步提高。这些新型炭材料包括基于石墨层状结构的纳米门炭,基于... 详细信息

活性炭是目前使用最为广泛的一种电化学双电层电容器(EDLC)的电极材料,但其固有的缺点制约了EDLC性能的进一步提高。用新型高性能炭电极材料可使EDLC比能量和比功率性能进一步提高。这些新型炭材料包括基于石墨层状结构的纳米门炭,基于碳纳米管阵列结构的毛皮炭,通过高温置换反应制备的骨架炭以及电极可整体成型的纳米孔玻态炭。本文介绍了这些炭材料的电化学特性及其在电化学双电层电容器中的应用,指出用这4种新型炭材料制备EDLC的比能量或比功率性能远高于目前活性炭基EDLC,具有良好的应用前景。

关键词：电化学双电层电容器电极材料纳米门炭毛皮炭骨架炭碳化物衍生炭纳米孔玻态炭电化学性能

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电解液流速对锌镍单液流电池性能的影响

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高等学校化学学报 2014年第1期35卷 134-139页

作者：宋世野潘君丽文越华程杰潘军青曹高萍北京化工大学理学院北京100029 北京防化研究院北京100191

通过电化学测试、扫描电子显微镜观察和X射线衍射分析研究了电解液流速、电流密度和锌沉积面容量三者关系及对锌镍单液流电池充放电性能和负极锌沉积形貌的影响.结果表明,锌沉积面容量是影响锌镍单液流电池充放电效率和负极锌沉积形貌... 详细信息

通过电化学测试、扫描电子显微镜观察和X射线衍射分析研究了电解液流速、电流密度和锌沉积面容量三者关系及对锌镍单液流电池充放电性能和负极锌沉积形貌的影响.结果表明,锌沉积面容量是影响锌镍单液流电池充放电效率和负极锌沉积形貌的最主要因素,电解液流速不宜过高或过低.随着锌沉积面容量的增大,电池的充放电效率和循环稳定性对电流密度的变化更为敏感,适宜的电解液流速范围变窄.锌沉积面容量在25 mA·h/cm2以上,锌沉积皆呈海绵状.在较低锌沉积面容量下,电解液流速也较低时,海绵锌沉积较为均匀致密.而在高的锌沉积面容量下,海绵状锌沉积的团簇和颗粒变大,不均匀性加重,仅在适中的电解液流速(7.1 L/min)下,锌沉积部分致密规整,电池具有较好的充放电性能.

关键词：锌镍单液流电池锌电沉积电解液流速锌沉积面容量充放电性能

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