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炭气凝胶的制备及在碱金属离子电池中的应用

新型炭材料 2020年第5期35卷 486-507页

作者：高新然邢政李子健董晓玉鞠治成郭春丽中国矿业大学材料与物理学院江苏徐州221116 太原理工大学材料科学与工程学院山西太原030024

炭气凝胶材料具有三维层次化多孔网络、较快的电子/离子传输速度、卓越的物理化学性能和循环稳定性,被认为是电化学储能领域中最有前景的碳基材料之一。此外,炭气凝胶的这些优势也使其在复合材料的应用中发挥了巨大潜力。本综述总结了... 详细信息

炭气凝胶材料具有三维层次化多孔网络、较快的电子/离子传输速度、卓越的物理化学性能和循环稳定性,被认为是电化学储能领域中最有前景的碳基材料之一。此外,炭气凝胶的这些优势也使其在复合材料的应用中发挥了巨大潜力。本综述总结了近年来三维炭气凝胶的合成方法、功能化方法及其在碱金属离子电池中的研究进展。

关键词：炭气凝胶石墨烯气凝胶碱金属离子电池碳基负极

原位拉曼光谱在碱金属离子电池炭负极材料研究中的应用

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新型炭材料 2021年第1期36卷 93-105页

作者：程晓琴李慧君赵振新王永祯王晓敏太原理工大学材料科学与工程学院山西太原030024 太原理工大学新能源材料及器件山西省重点实验室山西太原030024

拉曼散射仪是一种基于激光物理学的快速、无损、高分辨率的通用表征工具,已被证明是研究温度、应力、电化学反应等诱导的结构相变的一种有力工具。碱金属电池的原位拉曼表征可以追踪充放电过程中的电极材料变化和界面反应。炭材料因其... 详细信息

拉曼散射仪是一种基于激光物理学的快速、无损、高分辨率的通用表征工具,已被证明是研究温度、应力、电化学反应等诱导的结构相变的一种有力工具。碱金属电池的原位拉曼表征可以追踪充放电过程中的电极材料变化和界面反应。炭材料因其良好的可逆性、优异的稳定性、低电化学平台和低成本,成为应用最广泛的锂离子电池负极材料。本文详细总结了原位拉曼谱图在碱金属离子电池炭负极材料研究中的应用,着重整理归纳了原位拉曼谱图在分析Li+/Na+/K+在石墨、硬碳等炭材料储能机理中的应用,分析了尺寸效应、应力、掺杂、溶剂化共插层等对碱金属离子电池炭负极材料储能的影响。原位拉曼与原子力显微镜(AFM),X射线衍射(XRD)等高分辨率的原位表征联用以达到分析储能机理的目的,将会在储能领域中表现出广阔的应用前景。

关键词：原位拉曼炭负极材料碱金属离子电池

金属-有机框架材料衍生转换型负极在碱金属离子电池中的应用

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化学进展 2021年第11期33卷 2002-2023页

作者：刘志超穆洪亮李艳冯柳王东温广武山东理工大学材料科学与工程学院淄博255000 山东理工大学分析测试中心淄博255000 山东理工大学工程陶瓷研究院淄博255000

碱金属离子电池是指以Li^(+)、Na^(+)、K^(+)离子为载体的二次电池,其能量密度高、使用寿命长,在电子设备、清洁能源存储中应用广泛。负极是影响电池性能的关键因素,迫切需要开发高比容量和强结构稳定性的负极。基于转换反应的金属化合... 详细信息

碱金属离子电池是指以Li^(+)、Na^(+)、K^(+)离子为载体的二次电池,其能量密度高、使用寿命长,在电子设备、清洁能源存储中应用广泛。负极是影响电池性能的关键因素,迫切需要开发高比容量和强结构稳定性的负极。基于转换反应的金属化合物负极理论容量高、安全性好、资源丰富,然而其导电性较差,体积效应大,会损害倍率和循环性能。利用金属有机框架材料(MOFs)可以有效解决上述问题,由MOFs衍生的金属化合物优势明显:(1)孔道丰富,离子迁移快;(2)比表面大,活性位点多;(3)结构和组成可调。本文对MOFs衍生转换型负极及其在碱金属离子电池上的应用进行了系统性梳理,综述了MOFs衍生各类化合物的研究进展,总结了由MOFs制备转化型负极的性能提升策略及机理,以及应用于电池负极的优势与挑战,并对研究新趋向进行展望。

关键词：碱金属离子电池负极金属化合物转换型材料金属有机框架衍生物

量子点/碳复合材料在碱金属离子电池的应用进展

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材料工程 2023年第1期51卷 36-51页

作者：吴立清冯柳毛晓璇穆洪亮刘志超牛金叶高蔷山东理工大学材料科学与工程学院山东淄博255000 山东理工大学分析测试中心山东淄博255000

碱金属离子电池作为可充电电池,是目前重要的储能设备之一。它凭借能量密度大、工作电压高、无“记忆效应”、自放电小、绿色无污染等优点在近些年来受到人们的广泛关注。电极材料是影响碱金属离子电池电化学性能的重要因素之一,因此,... 详细信息

碱金属离子电池作为可充电电池,是目前重要的储能设备之一。它凭借能量密度大、工作电压高、无“记忆效应”、自放电小、绿色无污染等优点在近些年来受到人们的广泛关注。电极材料是影响碱金属离子电池电化学性能的重要因素之一,因此,寻求比容量高、结构稳定的电极材料是推动碱金属离子电池发展的关键。量子点/碳复合材料(QDs/C)集合量子点与碳材料的优势,是碱金属离子电池优异的候选电极材料。本文首先对量子点进行简要介绍,然后分别综述单质量子点/碳复合材料、化合物量子点/碳复合材料及异质结构量子点/碳复合材料在碱金属离子电池中的应用进展。最后,分析量子点/碳复合材料作为碱金属离子电池电极材料的优势与不足,针对目前存在的问题提出了未来发展的方向:(1)探索新型方法,解决量子点及其复合材料的团聚问题;(2)研究SEI膜的结构性能等,解决首次库仑效率偏低的问题;(3)明确反应机理,获取更优异的电化学性能。

关键词：碱金属离子电池量子点/碳复合材料异质结构协同作用电化学性能

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碱金属离子电池软碳负极材料的研究进展

电源技术 2021年第10期45卷 1360-1362,1375页

作者：赵宇赵翰庆李忠太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省实验室山西太原030024

碱金属离子电池因其在大规模电化学储能中具有良好的应用前景,近年来受到了国内外学者的广泛关注,成为目前研究的一大热点。软碳因其独特的结构特性具有良好的导电性,加之成本低廉、无毒无害的特点,使其成为碱金属离子电池负极材料中的... 详细信息

碱金属离子电池因其在大规模电化学储能中具有良好的应用前景,近年来受到了国内外学者的广泛关注,成为目前研究的一大热点。软碳因其独特的结构特性具有良好的导电性,加之成本低廉、无毒无害的特点,使其成为碱金属离子电池负极材料中的新兴材料。以软碳材料为主要对象,简要介绍了近几年来其在碱金属离子电池领域的研究进展,就软碳材料的原料选择、结构调控措施和电化学性能表现等方面进行了总结和概括。

关键词：软碳材料负极材料碱金属离子电池

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碱金属离子电池负极材料的理论设计与预测

碱金属离子电池负极材料的理论设计与预测

作者：张子翔苏州大学

学位级别：硕士

近年来,迫于环境压力与传统能源危机,探寻高性能、低成本、可持续、低污染的储能材料,已成为新能源开发与材料器件发展领域的重要话题。低维的纳米材料拥有独特的体积效应、表面效应、宏观量子隧道效应和介电限域,因此它们在储能材料、... 详细信息

近年来,迫于环境压力与传统能源危机,探寻高性能、低成本、可持续、低污染的储能材料,已成为新能源开发与材料器件发展领域的重要话题。低维的纳米材料拥有独特的体积效应、表面效应、宏观量子隧道效应和介电限域,因此它们在储能材料、催化材料以及生物医药等领域有极高的应用前景。同时,由于材料的结构决定着材料的性质,所以对纳米材料的结构进行模拟和预测非常重要。本论文通过第一性原理计算,对一些新型低维纳米材料在碱金属离子电池电极材料中的应用做出了理论设计与预测,并对钾离子掺杂有机-无机钙钛矿材料的结构和性质进行了理论研究,本论文的主要研究内容和得到的重要结论如下:1.对过渡金属硫族化物(Transition metal dichalcogenides,TMDs)作钾离子电池的负极材料进行了系统地研究和预测,研究了十二种已经在实验中成功合成的TMDs材料。计算结果表明,钾离子在TMDs材料表面均能稳定吸附,且钾离子在单层TMDs材料上的扩散能垒都非常小,仅仅只有0.05 eV,这让钾离子在表面近乎可以实现自由扩散。而钾离子在层间的扩散能垒虽然比在单层的要大,扩散能垒在0.13 eV～0.44 eV之间,但是比锂离子和钠离子在TMDs层间的扩散能垒要小。一些TMDs材料会随着钾离子的嵌入而发生相变,相变后钾离子在1T相或者1T'相上的吸附能均有提升,且钾离子在VS2和WS2上的扩散能垒会进一步下降。我们的理论计算表明,VS2和TiS2具有最佳的OCV值(1.20～1.34 eV vs.K+/K),拥有最大的理论容量,分别为278 mA h/g和282 mAh/g。因此我们推荐二维VS2和TiS2在作为钾离子电池负极方面具有极其重要的应用前景。2.对二维层状α-MoO3作为碱金属离子电池负极材料进行了理论研究,并与3D MoO3作了系统地比较。研究发现,与体相中只有锂离子能稳定吸附不同,锂、钠、钾三种碱金属离子均能在单层MoO3上吸附,且吸附更加稳定。而对于扩散势垒,锂、钠、钾三种离子在单层MoO3表面的扩散能垒分别为0.44 eV,0.28 eV和0.22 eV,与碱金属离子在3D MoO3中的迁移能垒相比有明显的降低,说明碱金属离子在单层MoO3表面更容易发生迁移和扩散。因此,降低材料维度获取性能更好的材料是寻找更合适的碱金属离子电池电极材料的一个新的思路。3.从理论上预测了一种新型的二维钙钛矿K2PbI4结构。从声子谱中可以看出这种二维K2PbI4结构不存在虚频,因此能够稳定存在。我们进一步在3D正交相MAPbI3中掺杂K+,搭建2D/3D界面钙钛矿结构,并固定底层仅优化表面结构,我们发现随着掺杂K+浓度的增大,表面的Pb-Ⅰ键发生明显的倾斜。从成键和电子结构角度分析来看,K+进入3D钙钛矿后,会以2D K2PbI4的形式存在于3D钙钛矿表面,形成稳定性的界面结构,该计算为将来2D/3D钙钛矿材料界面结构的实验研究提供了理论基础。

关键词：第一性原理二维材料碱金属离子电池碱金属钙钛矿界面结构

碱金属离子电池PC3基负极材料的第一性原理研究

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碱金属离子电池PC3基负极材料的第一性原理研究

作者：管小鹏湘潭大学

学位级别：硕士

随着能源危机的到来,能量的存储和转换成为了热点。锂离子电池因具有良好的安全性、较高的工作电压、优秀的循环能力等优点而得到广泛应用。然而,锂离子电池石墨电极的容量和能量密度难以进一步提高,且锂资源短缺。为了应对锂离子电池... 详细信息

随着能源危机的到来,能量的存储和转换成为了热点。锂离子电池因具有良好的安全性、较高的工作电压、优秀的循环能力等优点而得到广泛应用。然而,锂离子电池石墨电极的容量和能量密度难以进一步提高,且锂资源短缺。为了应对锂离子电池当前的困境,开发高性能的电极材料和基于在自然界丰度高的钠、钾元素开发其他类型的碱金属离子电池得到广泛研究,成为当前的研究热点。二维材料拥有更多的离子嵌入点位、高电子迁移率、良好的化学稳定性等优势,是锂钠钾离子电池的高能量密度电极材料的重要候选者。本文通过第一性原理计算的方法,预测新型二维材料PC基单层作为碱金属离子电池负极的性能特点,旨在为碱金属离子电池负极材料的选择和性能优化提供指导。主要内容及结论如下:(1)研究了PC单层二维材料晶体结构、电子结构、力学性能及其作为碱金属电池负极的原子吸附性能、原子扩散性能、容量、开路电压及离子嵌脱引起的体积变化等性能。计算结果表明,属于P3m1空间点群的PC单层二维材料在常温下具有良好的稳定性。PC单层作为锂钠钾离子电池负极时,展示出良好的扩散性能(迁移势垒分别为0.11 e V,0.05 e V和0.09 e V)、高的理论容量(1600 m A h g,1200 m A h g和1200 m A h g)、小的体积膨胀率(1.37%,0.06%和0.6%)、低的开路电压(0.13 V,0.10 V和0.34 V)以及碱金属原子吸附后良好的导电性能。但是PC单层仅仅对K原子的吸附强度较高,对Li原子和Na原子的吸附属于弱吸附。(2)为改善碱金属原子的吸附性能,研究了Si元素掺杂对PC单层二维材料碱金属电池负极性能的影响。计算结果表明,掺杂Si元素能提高PC单层对Li、Na等碱金属原子的吸附强度,可有效地避免枝晶的生成。容量和开路电压变化不大,而Li原子和Na原子的扩散能垒略有增加。吸附浓度较低时,吸附后的PC单层导电性未得到明显提高。(3)进一步,为了提高掺杂结构的结构稳定性,并提高材料的吸附性能,研究了B元素掺杂对PC单层二维材料碱金属电池负极性能的影响。计算结果表明B元素掺杂结构的掺杂形成能低于Si元素掺杂的,更易形成,且相对于Si元素掺杂,B元素掺杂结构具有更好的结构稳定性。同时,B元素掺杂同样能提升PC单层对Li/Na/K原子的吸附能力。吸附后,B元素掺杂的PC单层导电能力强,利于减少能量内耗。

关键词： PC3单层碱金属离子电池负极材料掺杂第一性原理计算

碱金属离子电池的Ti2CS2基异质结构负极材料DFT计算研究

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碱金属离子电池的Ti2CS2基异质结构负极材料DFT计算研究

作者：张忠勇南昌大学

学位级别：硕士

随着便携式电子设备、电动汽车和电网储能等领域的发展,市场对锂离子电池(LIBs)的需求日益增长。但锂资源的稀缺和石墨负极的比容量低(372 m Ah/g)等因素,导致LIBs难以满足庞大的市场需求。而高地壳丰度的钠元素和钾元素将有利于钠离子... 详细信息

随着便携式电子设备、电动汽车和电网储能等领域的发展,市场对锂离子电池(LIBs)的需求日益增长。但锂资源的稀缺和石墨负极的比容量低(372 m Ah/g)等因素,导致LIBs难以满足庞大的市场需求。而高地壳丰度的钠元素和钾元素将有利于钠离子电池(NIBs)与钾离子电池(KIBs)填补额外的市场需求。然而,传统的LIBs负极材料被用作NIBs和KIBs的负极材料会表现出较差的性能。因此,有必要开发性能优异的新型碱金属离子电池负极材料。构建范德华异质结构是一种得到性能优异的碱金属离子电池负极材料的有效的策略,因为异质结构能够整合单体材料的优点。本文设计了G-Zn O/TiCS、Ti S/TiCS和Nb S/TiCS三种异质结构,并通过密度泛函理论(DFT)计算研究了它们的稳定性、导电性和电化学性能,来评估这些异质结构作为碱金属离子电池负极材料的可行性。三种异质结构表现出优异的稳定性和导电性。电化学性能的结果如下:(1)G-Zn O/TiCS异质结构:碱金属离子在G-Zn O/TiCS中间的扩散势垒(锂/钠/钾离子:0.468/0.305/0.113 e V)均低于0.5 e V,表明G-Zn O/TiCS具有较好的倍率性能。G-Zn O/TiCS作为碱金属离子电池负极材料的平均开路电压(OCVs)(LIBs/NIBs/KIBs:0.571/0.749/0.292 V)均在0～1 V的范围内,并且比容量(LIBs/NIBs/KIBs:529/317/317 m Ah/g)均高于石墨(LIBs/NIBs/KIBs:372/35/279m Ah/g)等负极材料。说明G-Zn O/TiCS是一种有前景的LIBs、NIBs和KIBs的负极材料。(2)Ti S/TiCS异质结构:碱金属离子在Ti S/TiCS中间的扩散势垒(锂/钠/钾离子:0.333/0.146/0.055 e V)均低于0.35 e V,表明该异质结构具有优异的倍率性能。Ti S/TiCS作为NIBs和KIBs的负极材料的平均OCVs(NIBs/KIBs:0.626/0.995 V)均在0～1 V的范围内,而作为LIBs负极材料的平均OCV(1.663 V)超过了1 V。Ti S/TiCS作为NIBs和KIBs负极材料的比容量为566和283m Ah/g,均高于石墨等负极材料。总之,Ti S/TiCS是一种有前景的NIBs和KIBs的负极材料。(3)Nb S/TiCS异质结构:碱金属离子在Nb S/TiCS中间的扩散势垒(锂/钠/钾离子:0.455/0.247/0.204 e V)均低于0.5 e V,表明该异质结构具有较好的倍率性能。Nb S/TiCS作为NIBs和KIBs的负极材料的平均OCVs(NIBs/KIBs:0.617/0.929 V)在0～1 V的范围内,而其作为LIBs负极材料的平均OCVs(LIBs:1.190 V)超过了1 V。此外,Nb S/TiCS作为NIBs负极材料的比容量为489 m Ah/g,高于石墨等负极材料。总体而言,Nb S/TiCS是一种有前景的NIBs负极材料。

关键词： MXenes 异质结构负极材料碱金属离子电池密度泛函理论

MXenes的表面改性及其在碱金属离子电池中应用的研究进展

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功能材料 2020年第9期51卷 9031-9044页

作者：董旭晟赵瑞正孙彬周国伟齐鲁工业大学化学与制药工程学院山东省高校轻工精细化学品重点实验室济南250353 山东大学材料科学与工程学院材料液固结构演变与加工教育部重点实验室济南250061

二维(2D)MXenes纳米材料因其独特的物理/化学性质以及在能源材料中的广泛应用而备受关注。然而,MXenes在电化学储能领域面临诸多问题,如固有的低容量、自堆叠、不利的表面官能团等。针对以上问题,迫切需要对MXenes材料进行表面改性,以... 详细信息

二维(2D)MXenes纳米材料因其独特的物理/化学性质以及在能源材料中的广泛应用而备受关注。然而,MXenes在电化学储能领域面临诸多问题,如固有的低容量、自堆叠、不利的表面官能团等。针对以上问题,迫切需要对MXenes材料进行表面改性,以提高储能系统的性能,解决其在发展高性能储能技术的问题。本文简要总结了MXenes的合成方法,介绍了基于MXenes表面改性的最新研究进展,探讨了MXenes纳米复合材料的性能以及在锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等碱金属离子电池中的应用。最后,对MXenes纳米复合材料在未来碱金属离子电池的应用中所面临的挑战和发展前景进行了展望。

关键词：二维材料 MXenes 表面改性纳米复合材料碱金属离子电池