强激光与粒子束
2024, 36(2): 025021
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 功能材料研究中心 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2.赛迈科先进材料股份有限公司, 湖州 313100
随着锂离子电池的发展和钠离子电池的兴起, 硬碳材料作为一种新型负极材料, 受到了广泛关注。硬碳来源丰富, 价格便宜, 具有比锂离子电池石墨负极更高的储锂容量和优异的倍率性能, 并且是最有商业化潜质的钠离子电池负极材料。然而, 硬碳普遍存在电池首周库仑效率低的问题, 且对于硬碳的储锂/钠机制仍存在争论, 其比容量仍有较大的提升空间。近年来, 研究人员围绕硬碳负极材料的电化学机理展开了各种研究和模型假设, 针对硬碳负极存在的问题, 提出了各种解决策略。本文介绍了硬碳的基本结构和常用的制备方法, 并结合硬碳的优势, 梳理了硬碳在锂离子电池和钠离子电池中的应用情况, 重点介绍了其在快充、包覆等细分领域的应用进展, 并分别针对硬碳提升比容量和改善首周库仑效率的需求, 归纳了孔结构设计、元素掺杂、优化材料与电解液界面等不同改性策略。
负极材料 锂离子电池 钠离子电池 硬碳 综述 anode material lithium ion battery sodium ion battery hard carbon review
光子学报
2023, 52(12): 1204001
1 1.大连理工大学 化工学院, 精细化工国家重点实验室,大连 116024
2 2.中节能万润股份有限公司新材料开发分公司, 烟台 265503
3 3.北京化工大学 化工学院, 北京 100029
具有超高储锂比容量的硅材料是备受瞩目的高性能锂离子电池负极材料, 但硅嵌锂时巨大的体积膨胀效应使之快速失效, 从而限制了其应用性能。本研究提出一种简易低毒的气相氟化方法制备氟掺杂碳包覆纳米硅材料。通过在纳米硅表面包覆高缺陷度的氟掺杂碳层, 抑制硅材料嵌锂体积膨胀, 提供丰富的锂离子输运通道, 同时形成富含LiF的稳定SEI膜。获得的氟掺杂碳包覆纳米硅负极在0.2~5.0 A·g-1电流密度下, 比容量达1540~ 580 mAh·g-1, 循环200次后容量保持率>75%。本方法解决了传统氟化技术氟源(如XeF2、F2等)高成本、高毒性的问题。
锂离子电池 硅负极 氟掺杂碳 气相氟化法 Li-ion battery Si anode F-doped carbon gaseous fluorination method
通过溶剂热法制备了一种纳米尺寸的VS2薄片原位钉扎在Ti3C2Tx MXene上形成铆钉结构的复合材料(VS2/Ti3C2Tx MXene)应用于钠离子电池。通过Ti3C2Tx MXene的原位限域作用抑制了VS2的团聚生长。VS2和Ti3C2Tx MXene之间形成稳定的化学耦合作用也提升了VS2的电荷传输动力。结果表明:该复合材料在10 A/g的电流密度下具有340 mA·h/g的高倍率性能,以及5 A/g的电流密度下稳定循环2 000圈的电化学性能。该复合设计为发展兼具高能量密度和高功率密度钠离子电池负极材料提供了新的选择。
钠离子电池 负极 硫化物 二硫化钒 过渡金属碳化物 sodium ion battery anode sulfide vanadium disulfide transition metal carbides
1 六盘水师范学院,创新创业学院,六盘水 553004
2 六盘水师范学院,化学与材料工程学院,六盘水 553004
3 贵州省煤炭洁净利用重点实验室,六盘水 553004
高性能二维负极材料的开发是可充电离子电池应用的关键。本文基于第一性原理计算,系统研究了Mg和Al离子与二维Nb2N的相互作用,包括其几何构型、电子结构、离子扩散特性、开路电压和理论容量。Mg和Al离子均能吸附在二维Nb2N上,吸附能为负,表明金属与二维Nb2N有较强的结合作用,有利于在可充电离子电池中的应用。二维Nb2N的金属性能保证了离子电池良好的导电性。两种离子的扩散势垒均小于0.2 eV,说明其具有良好的充放电速率。此外,镁离子和铝离子电池均具有比较低的开路电压和高的理论容量。这些结果表明,二维Nb2N适合作为高性能的负极材料而应用于镁离子和铝离子电池。
镁和铝离子电池 负极 二维材料 第一性原理计算 Nb2N Nb2N magnesium and aluminum ion battery anode two-dimensional material first-principle calculation
1 三峡大学电气与新能源学院,湖北省微电网创新协同中心,湖北 宜昌 443002
2 三峡大学分析测试中心,湖北 宜昌 443002
通过水热法首次合成了含有Zn、Co、Sn 3种金属元素的氢氧化物,后经强碱刻蚀、聚多巴胺包覆以及碳化和硒化成功制备出氮掺杂碳包覆ZnSe/CoSe/SnSe材料。该复合物用作钾离子电池负极时,多元金属硒化物内核表现出增强的电化学活性,且结构中的空腔缓解了循环时的体积效应;同时,导电包覆层外壳有效提升了材料电导率,并防止了钾化时活性物质粉化团聚。结果与原始材料相比,ZnSe/CoSe/SnSe@NC表现出更优异的储钾性能,其在1 A/g电流密度下经800次循环后,放电比容量仍高达193 mA·h/g。本工作对高性能钾离子电池负极材料的设计与构筑具有指导意义。
钾离子电池 负极材料 金属硒化物 中空核壳结构 包覆改性 potassium-ion batteries anode materials metallic selenides yolk-shell structure coating modification
1 辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁 阜新 123000
2 辽宁省矿物高值化与储能材料重点实验室,辽宁 阜新 123000
以商业纳米Si颗粒(60 nm)和天然鳞片石墨为原料,采用静电原位自组装和水热还原的方法,设计开发了具有三维笼状导电网络结构的硅/还原氧化石墨烯(Si/rGO)纳米复合材料,以该复合材料为锂离子电池负极材料,研究了Si/rGO纳米复合材料储锂性能及储能机理。结果表明:纳米Si颗粒均匀地分布在rGO三维笼状导电网络结构中,在锂离子嵌入/脱出过程中,该网络结构有效地抑制了纳米Si颗粒的体积膨胀,并且提供了更多的离子传输通道。在0.1 A/g电流密度下,Si/rGO纳米复合材料的首次放电比容量达到了1 246 mA·h/g,第5次循环Coulombic效率为98.2%,容量保持率达到95.5%,表明纳米复合材料具有较快的稳定性。200次循环后,可逆容量保持在852 mA·h/g,Coulombic效率稳定在99.9%,容量保持率达到68.4%。
硅/还原氧化石墨烯 三维导电网络结构 储锂性能 负极材料 silicon/reduced graphene oxide nanocomposite three-dimensional conductive network structure lithium storage performance anode material