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水系锌离子电池负极集流体关键问题及设计策略

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化学学报 2023年第1期81卷 29-41页

作者：姬慧敏谢春霖张旗李熠鑫李欢欢王海燕中南大学化学化工学院长沙410083 河南师范大学化学化工学院新乡453007

水系锌离子电池具有成本低廉、环境友好、安全、能量密度较高等特点,有望应用于大规模电化学储能装置.然而,目前使用的商业化锌箔负极相对正极活性材料大大过量,显著降低了电池的能量密度,且存在严重的穿孔和极耳脱落等问题.使用集流体... 详细信息

水系锌离子电池具有成本低廉、环境友好、安全、能量密度较高等特点,有望应用于大规模电化学储能装置.然而,目前使用的商业化锌箔负极相对正极活性材料大大过量,显著降低了电池的能量密度,且存在严重的穿孔和极耳脱落等问题.使用集流体负载锌作为负极可有效提高放电深度,同时避免电极穿孔失效.但是,集流体界面易产生锌枝晶与副反应,严重影响电池的循环寿命.本综述首先分析了锌枝晶与副反应的产生原因及其对锌负极电化学性能的影响,并从集流体材料成分选择与结构构建两方面总结了锌负极集流体的设计思路,包括选择亲锌性材料、设计择优取向基底与构建三维集流体结构.设计合适的集流体可有效调控锌金属的沉积与剥离行为,从而推进水系锌离子电池的实用化.

关键词：锌负极集流体锌枝晶亲锌性择优取向三维结构

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钠金属电池负极集流体改性的研究进展

硅酸盐学报 2023年第9期51卷 2306-2321页

作者：唐芳刘聪聪黄弘扬姚雨刘琳芮先宏余彦广东工业大学材料与能源学院中国科学技术大学材料科学与工程系

钠金属负极由于其理论比容量高(1 165 m A·h·g–1)、氧化还原电势低(–2.71 V vs.标准氢电极)和成本低，被认为是超越锂离子电池技术的理想候选材料。然而钠金属负极在实际应用中表现出钠枝晶生长和体积膨胀，导致其Coulomb效率低、... 详细信息

钠金属负极由于其理论比容量高(1 165 m A·h·g–1)、氧化还原电势低(–2.71 V vs.标准氢电极)和成本低，被认为是超越锂离子电池技术的理想候选材料。然而钠金属负极在实际应用中表现出钠枝晶生长和体积膨胀，导致其Coulomb效率低、循环寿命短等问题，这限制了其进一步发展。针对这些问题，研究者进行了大量工作，发现降低钠金属负极局部电流密度、增加钠成核位点、适当构建集流体孔隙缓解体积膨胀等手段，可以有效提高钠金属负极的循环稳定性。为此，本综述讨论了钠金属负极的主要问题；总结归纳了电沉积钠金属负极集流体的改性策略，包括三维集流体设计，掺杂、缺陷工程，晶种引入，缓冲层修饰；最后对高安全、高比能钠金属电池的未来发展提出展望。

关键词：钠金属电池钠金属负极集流体

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可拉伸电池的最新研究进展

高校化学工程学报 2022年第2期36卷 143-152页

作者：谢若晗吴菁菁高翔苏荣欣化学工程联合国家重点实验室浙江大学化学工程与生物工程学院浙江杭州310027 浙江大学宁波研究院浙江宁波315100 化学工程联合国家重点实验室天津大学化工学院天津300072

近年来柔性及可拉伸电子器件的逐步应用,对作为其储能设备的电池提出了需具备一定拉伸能力的新要求。目前已有研究报道了多种方法来实现电池的可拉伸性,但尚无系统的综述进行总结。本文将可拉伸锂离子电池的实现方法分为通过电池宏观结... 详细信息

近年来柔性及可拉伸电子器件的逐步应用,对作为其储能设备的电池提出了需具备一定拉伸能力的新要求。目前已有研究报道了多种方法来实现电池的可拉伸性,但尚无系统的综述进行总结。本文将可拉伸锂离子电池的实现方法分为通过电池宏观结构设计及采用本征可拉伸材料这两类进行介绍,通过总结具体结构的设计方法以及本征可拉伸集流体、电极、隔膜、电解质、封装材料等的研究成果,综述了可拉伸锂离子电池的研究现状。同时,也对其他可拉伸电池体系,包括锂金属电池、锌基电池、有机太阳能电池、生物燃料电池等的研究现状进行了概述。最后,指出了可拉伸电池发展过程中存在的问题,并对其发展前景及挑战进行了展望。

关键词：可拉伸电池锂离子电池结构设计集流体电极电解质

304不锈钢在熔融多硫化钠中的高温腐蚀行为研究

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材料导报 2023年第14期37卷 81-85页

作者：姚艺任延杰彭玉宬陈荐邱玮周立波长沙理工大学能源与动力工程学院长沙410114

钠硫电池不锈钢集流体材料在熔融多硫化钠中易发生高温腐蚀,影响电池的性能并引发安全问题。本工作采用电化学阻抗谱技术研究了304不锈钢在350℃熔融多硫化钠熔盐中的高温腐蚀行为,结合微观组织分析,探索其高温腐蚀机理。结果表明,304... 详细信息

钠硫电池不锈钢集流体材料在熔融多硫化钠中易发生高温腐蚀,影响电池的性能并引发安全问题。本工作采用电化学阻抗谱技术研究了304不锈钢在350℃熔融多硫化钠熔盐中的高温腐蚀行为,结合微观组织分析,探索其高温腐蚀机理。结果表明,304不锈钢的电化学阻抗谱由高频段的容抗弧和低频段的直线组成,呈典型的扩散反应控制。电荷转移电阻较小,介于0.918~2.014Ω·cm^(2)之间,表明不锈钢的腐蚀速率较快。腐蚀产物层主要由外层的FeS_(2)、FeNiS_(2)和内层的Crr_(2)S_(3)组成。在腐蚀过程中,合金表面的产物膜经历生长、溶解与脱落的过程。

关键词：钠硫电池集流体 304不锈钢电化学阻抗谱高温腐蚀

集流体对平板型固体氧化物燃料电池性能的影响机制

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硅酸盐学报 2024年第1期52卷 19-29页

作者：张纪豪权蒙豪孙凯华韩敏芳中国矿业大学低碳能源与动力工程学院江苏徐州221116 徐州华清京昆能源有限公司江苏徐州221005 清华大学能源与动力工程系北京100084

工业尺寸固体氧化物燃料电池面积大、且存在翘曲,可靠集电是SOFC高效输出的重要保障。以长条形阳极支撑半电池为基体,分割阴极制备成4个面积2.0 cm×2.1 cm的绝缘阴极区域,每个区域覆盖不同面积银网构成差异性集电。在各绝缘区域分别开... 详细信息

工业尺寸固体氧化物燃料电池面积大、且存在翘曲,可靠集电是SOFC高效输出的重要保障。以长条形阳极支撑半电池为基体,分割阴极制备成4个面积2.0 cm×2.1 cm的绝缘阴极区域,每个区域覆盖不同面积银网构成差异性集电。在各绝缘区域分别开展电化学阻抗谱测试和电流-电压特性曲线扫描,结果表明:开路下25%银网覆盖区域阻抗实部显著高于其他区域,拉载时同等输出电压下电池电流密度随银网面积的减少而单调递减。测量同类电池阴阳极电导率,并表征微观构造。相关参数代入模型,得出沿流道方向电流与电压分布:无银网覆盖阴极存在累积的水平电流,造成总输出电流减小及电流密度分布不均,影响电极极化过程,恶化电池输出性能。

关键词：固体氧化物燃料电池集流体接触电阻分割电池水平电流

3D金属绣花电极:下一代柔性、个性化的储能设备的理想电极

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Science Bulletin 2020年第11期65卷 917-925,M0004页

作者：勾剑王雨霄张洪章谭业强于滢曲超阎景旺张华民李先锋 Division of Energy Storage Dalian Institute of Chemical PhysicsChinese Academy of SciencesDalian 116023China State Key Laboratory of Bio-Fibers and Eco-Textiles Institute of Marine Biobased MaterialsSchool of Materials Science and EngineeringQingdao UniversityQingdao 266071China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

柔性且可个性化定制的电池是能量存储方面有前途的候选者,但是却面临电极焊接性较差、影响大规模生产的困扰.为了解决这些问题,本文设计了一种镍泡沫催化化学沉积(NFED)衍生的3D金属绣花电极.这是在电池领域利用这种类型电极的尝试.通... 详细信息

柔性且可个性化定制的电池是能量存储方面有前途的候选者,但是却面临电极焊接性较差、影响大规模生产的困扰.为了解决这些问题,本文设计了一种镍泡沫催化化学沉积(NFED)衍生的3D金属绣花电极.这是在电池领域利用这种类型电极的尝试.通过这种方法,可以在任何复杂形状电极的任何选定区域上"绣"出集流体,具有很高的可控制性和经济可行性.这类集流体可以将柔性电极的电子电导率提高近一个数量级,并且可以使用工业上常用的超声加热工艺容易牢固地焊接在金属接线片上.以Li-S和Li-Li Fe PO4电池为模型,绣花集流体电极在弯曲变形下可显著提高电化学性能.该方法适用于将所有VIII族元素"绣"在各种形状的任何电极上,可用于开发高性能的柔性能量存储设备.

关键词：集流体储能设备个性化定制电子电导率催化化学经济可行性柔性电极能量存储

基于碳纳米管宏观膜集流体的高比容量及高电化学稳定性钛酸锂负极

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稀有金属材料与工程 2021年第5期50卷 1781-1786页

作者：戴海花李凯瑞代正昆郑小燕王勇龙黎业生江西理工大学材料科学与工程学院江西赣州341000

通过预先将钛酸锂(Li4Ti5O_(12),LTO)材料组装的电池进行预充电脱锂(活化)的方式改变其结构,增强嵌锂能力,制备出高比容量LTO;随后以碳纳米管宏观膜(CMF)为集流体,替代金属箔集流体改善活性物质与集流体的结合界面,提高其电化学稳定性,... 详细信息

通过预先将钛酸锂(Li4Ti5O_(12),LTO)材料组装的电池进行预充电脱锂(活化)的方式改变其结构,增强嵌锂能力,制备出高比容量LTO;随后以碳纳米管宏观膜(CMF)为集流体,替代金属箔集流体改善活性物质与集流体的结合界面,提高其电化学稳定性,最终得到具有高比容量及高稳定性的LTO电极。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等对LTO材料进行表征。结果表明:经过预脱锂活化后的LTO可容纳锂离子的空位增加,晶面间距明显增大,经测试其在1 C倍率能发挥192.7 m Ah·g^(-1)的比容量,比正常的LTO材料提高约30 m Ah·g^(-1);引入的CMF集流体能增强与活性材料的结合力,减小其在大电流下产生的接触阻抗,使其在5 C倍率下仍具有150 m Ah·g^(-1)的比容量,表现出优异的倍率性能。

关键词：锂离子电池钛酸锂碳纳米管集流体

用于镁硫电池的原位生长NiS的泡沫镍正极集流体

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高等学校化学学报 2021年第3期42卷 794-802页

作者：黄岩张树鑫努丽燕娜王保峰杨军王久林上海电力大学化学与环境工程学院上海200090 上海交通大学化学化工学院上海200240

采用原位生长NiS的泡沫镍NiS@Ni(NNF)和铜箔分别作为硫@微孔碳(S@MC)正极材料的集流体,0.4 mol/L(PhMgCl)_(2)-AlCl_(3)+1.0 mol/L LiCl“二代镁锂混合”作为电解液,测试了镁硫电池恒电流和不同倍率下的充放电性能,分析了2种不同的集流... 详细信息

采用原位生长NiS的泡沫镍NiS@Ni(NNF)和铜箔分别作为硫@微孔碳(S@MC)正极材料的集流体,0.4 mol/L(PhMgCl)_(2)-AlCl_(3)+1.0 mol/L LiCl“二代镁锂混合”作为电解液,测试了镁硫电池恒电流和不同倍率下的充放电性能,分析了2种不同的集流体在涂覆相同正极材料下对镁硫电池性能影响的原因.研究发现,采用铜箔集流体的镁硫电池循环后正极极片上观察到明显的裂缝,镁负极表面有分布不均匀的附着物,硫含量略高.采用NNF为集流体时,由于泡沫镍具有缓冲硫正极体积变化的孔道结构,正极极片能基本保持原本的形貌;特别是在NNF上原位生长的NiS可电催化加速多硫化物中间体的转化,减少多硫化物的生成并减缓其穿梭,不干扰镁负极上发生的电化学反应,使镁负极极片表面更为均匀,明显改善了镁硫电池的循环稳定性和倍率性能.

关键词：镁硫电池集流体泡沫镍硫化镍电解液

锂离子电池用微米厚度超薄集流体Cu箔和Al箔疲劳强度及损伤行为

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金属学报 2023年

作者：程福来罗雪梅胡炳利张滨张广平东北大学材料科学与工程学院材料各向异性与织构教育部重点实验室中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心中国科学技术大学材料科学与工程学院

通过拉-拉疲劳实验和EBSD技术研究了循环载荷作用下锂离子电池用集流体Cu箔和Al箔的高周疲劳强度及失效行为。结果表明,Cu箔疲劳裂纹主要萌生于较大晶粒内部的滑移带处,并沿滑移带扩展。基于对损伤晶粒微观结构的观察和统计分析,获得了C... 详细信息

通过拉-拉疲劳实验和EBSD技术研究了循环载荷作用下锂离子电池用集流体Cu箔和Al箔的高周疲劳强度及失效行为。结果表明,Cu箔疲劳裂纹主要萌生于较大晶粒内部的滑移带处,并沿滑移带扩展。基于对损伤晶粒微观结构的观察和统计分析,获得了Cu箔疲劳裂纹萌生和材料微观结构(晶粒尺寸及其变异系数、晶粒取向、S chmid因子(Ω))的统计关系图。Al箔由于表面含有轧制缺陷,其疲劳裂纹优先在表面加工缺陷处萌生。通过极值统计法成功预测了Al箔样品中可能的缺陷分布以及存在的最大缺陷尺寸,并基于Kitagawa-Takahashi图建立了缺陷尺寸与疲劳极限之间的关系。

关键词：高周疲劳裂纹萌生超薄箔 Kitagawa-Takahashi图集流体锂离子电池