1.混合電解質(zhì)“保駕”高安全性、高壓鋰離子電池
期刊：Journal of Power Sources , 2018, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.060
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304038
背景：鋰離子電池(LIB)作為目前最受歡迎的化學電源之一，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、環(huán)境影響小等優(yōu)點，其作為混合動力汽車(HEV)和插電式電動汽車(PHEV)的動力源也是當前的研究熱點。電解質(zhì)作為鋰離子電池的重要組成部分之一，在很大程度上影響著電池的性能和安全性，目前，液態(tài)電解質(zhì)由于成本低、制備方便、離子電導率高等優(yōu)點占據(jù)著市場主導地位。然而，電解質(zhì)高度易燃的特性往往會加劇電池的熱失控，導致火災甚至爆炸等危險現(xiàn)象。而固態(tài)電解質(zhì)因為它可以克服液體電解質(zhì)遇到的大多數(shù)安全問題，如泄漏、揮發(fā)等，是一種很有潛力的高安全性儲能系統(tǒng)，但在制造和對固態(tài)電解質(zhì)技術的基本理解方面仍存在許多挑戰(zhàn)，例如，固體聚合物電解質(zhì)的離子導電率通常過低，不能在室溫下進行電池操作，因此開發(fā)混合電解質(zhì)現(xiàn)在被認為是克服上述挑戰(zhàn)的一種新策略。
成果進展：本工作報道了一種用于高電壓鋰離子電池的混合電解質(zhì)，期望能有效地提高電池的安全性，將硅烷-Al2O3(Al2O3-ST)與固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)的優(yōu)點結合起來制備出一種混合電解質(zhì)，Al2O3-ST納米粒子有助于提高鋰離子的遷移數(shù)和電池的安全性，而液體電解質(zhì)有助于提高鋰離子的遷移率和電池的安全性。采用該混合電解質(zhì)提高了LiNi0.5Mn1.5O4/Li電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率容量，釘穿實驗表明，采用混合電解質(zhì)的LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2/石墨電池具有明顯的安全性。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304038
背景：鋰離子電池(LIB)作為目前最受歡迎的化學電源之一，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、環(huán)境影響小等優(yōu)點，其作為混合動力汽車(HEV)和插電式電動汽車(PHEV)的動力源也是當前的研究熱點。電解質(zhì)作為鋰離子電池的重要組成部分之一，在很大程度上影響著電池的性能和安全性，目前，液態(tài)電解質(zhì)由于成本低、制備方便、離子電導率高等優(yōu)點占據(jù)著市場主導地位。然而，電解質(zhì)高度易燃的特性往往會加劇電池的熱失控，導致火災甚至爆炸等危險現(xiàn)象。而固態(tài)電解質(zhì)因為它可以克服液體電解質(zhì)遇到的大多數(shù)安全問題，如泄漏、揮發(fā)等，是一種很有潛力的高安全性儲能系統(tǒng)，但在制造和對固態(tài)電解質(zhì)技術的基本理解方面仍存在許多挑戰(zhàn)，例如，固體聚合物電解質(zhì)的離子導電率通常過低，不能在室溫下進行電池操作，因此開發(fā)混合電解質(zhì)現(xiàn)在被認為是克服上述挑戰(zhàn)的一種新策略。
成果進展：本工作報道了一種用于高電壓鋰離子電池的混合電解質(zhì)，期望能有效地提高電池的安全性，將硅烷-Al2O3(Al2O3-ST)與固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)的優(yōu)點結合起來制備出一種混合電解質(zhì)，Al2O3-ST納米粒子有助于提高鋰離子的遷移數(shù)和電池的安全性，而液體電解質(zhì)有助于提高鋰離子的遷移率和電池的安全性。采用該混合電解質(zhì)提高了LiNi0.5Mn1.5O4/Li電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率容量，釘穿實驗表明，采用混合電解質(zhì)的LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2/石墨電池具有明顯的安全性。
2. 耐高溫高效鋰離子電池——TiSnSb材料
期刊：Journal of Power Sources , 2018, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.068
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304117
背景： 開發(fā)壽命超過十年的高溫應用高效鋰離子電池仍然是當前電池研究人員面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一，主要在于高溫下電池內(nèi)部會發(fā)生嚴重的電解質(zhì)降解，導致電極/電解質(zhì)界面電阻化、性能衰減、壽命減短，為了克服這種限制，最簡單、經(jīng)濟和有效的方法是使用電解液添加劑；而在高溫下穩(wěn)定電解質(zhì)反應性的另一種方法是用更穩(wěn)定的鹽如LiBOB代替常用的不穩(wěn)定的LiPF6鹽。其中碳基材料是最常用的負極，但是在高溫下的循環(huán)和儲存也顯示一定的短板；然而，負極為過渡金屬氧化物和后過渡元素時，只有很少的研究報告顯示其具有高溫性能；近年來，以CMC為粘結劑，F(xiàn)EC和VC作為電解質(zhì)添加劑的TiSnSB材料是一種很有前景的負極材料，其性能可以得到了很好的改善。
成果進展：本工作報道了在高溫下一種具有較好壽命的電極材料——TiSnSb，含有1M LiPF6 EC：PC：3 DMC+ 5%FEC 1%VC電解液的TiSnSb/Li紐扣電池在60℃溫度下還具有較好的庫倫效率和極化性能。為了解釋這一意外現(xiàn)象，通過互補氣相色譜結合電子沖擊質(zhì)譜(GC/MS)和X射線光電子能譜(XPS)表征對電化學性能進行了詳細分析。XPS結果表明，由于電解液的比活性，在60℃處的TiSnSb電極表面形成了更穩(wěn)定、鈍化程度更嚴重的SEI膜，GC/MS表征分析表明，在60℃時FEC/VC添加劑只有部分消耗/反應，但是在25℃時添加劑完全被消耗且EC溶劑退化嚴重。因此，XPS和GC/MS的研究結果可以確定在60°C時TiSnSb/紐扣電池仍具有優(yōu)良的電化學性能。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304117
背景： 開發(fā)壽命超過十年的高溫應用高效鋰離子電池仍然是當前電池研究人員面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一，主要在于高溫下電池內(nèi)部會發(fā)生嚴重的電解質(zhì)降解，導致電極/電解質(zhì)界面電阻化、性能衰減、壽命減短，為了克服這種限制，最簡單、經(jīng)濟和有效的方法是使用電解液添加劑；而在高溫下穩(wěn)定電解質(zhì)反應性的另一種方法是用更穩(wěn)定的鹽如LiBOB代替常用的不穩(wěn)定的LiPF6鹽。其中碳基材料是最常用的負極，但是在高溫下的循環(huán)和儲存也顯示一定的短板；然而，負極為過渡金屬氧化物和后過渡元素時，只有很少的研究報告顯示其具有高溫性能；近年來，以CMC為粘結劑，F(xiàn)EC和VC作為電解質(zhì)添加劑的TiSnSB材料是一種很有前景的負極材料，其性能可以得到了很好的改善。
成果進展：本工作報道了在高溫下一種具有較好壽命的電極材料——TiSnSb，含有1M LiPF6 EC：PC：3 DMC+ 5%FEC 1%VC電解液的TiSnSb/Li紐扣電池在60℃溫度下還具有較好的庫倫效率和極化性能。為了解釋這一意外現(xiàn)象，通過互補氣相色譜結合電子沖擊質(zhì)譜(GC/MS)和X射線光電子能譜(XPS)表征對電化學性能進行了詳細分析。XPS結果表明，由于電解液的比活性，在60℃處的TiSnSb電極表面形成了更穩(wěn)定、鈍化程度更嚴重的SEI膜，GC/MS表征分析表明，在60℃時FEC/VC添加劑只有部分消耗/反應，但是在25℃時添加劑完全被消耗且EC溶劑退化嚴重。因此，XPS和GC/MS的研究結果可以確定在60°C時TiSnSb/紐扣電池仍具有優(yōu)良的電化學性能。
3. 通過層狀/尖晶石相的調(diào)諧增強Li1.2Ni0.2Mn0.6O2正極材料的電化學性能
期刊：Journal of Solid State Electrochemistry, 2018, DOI: 10.1007/s10008-018-3953-8
原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10008-018-3953-8
背景：近幾十年來，鋰離子電池(LIBs)因其在便攜式電子設備、電動汽車和大規(guī)模智能電網(wǎng)中的實際應用而受到世界各國的關注，隨著電動汽車和化學儲能設備的迅速發(fā)展，迫切需要尋找高能量密度的鋰離子電池以滿足工業(yè)應用的需要。鋰離子電池的能量密度取決于電極材料的比容量和氧化還原電位，尤其是正極電極材料，但LiCoO2和LiFePO4等典型正極材料的極限容量不能滿足電動汽車中能量/功率密度的增加要求，因此尋求高能量密度的正極材料是這一領域最重要的工作。層狀富鋰錳氧化物由于其高容量和高工作電壓，引起了相當大的注意，但是有許多阻礙其實際應用的缺點，包括第一周期不可逆的容量損失、容量衰減和電壓衰減，尤其是長期循環(huán)過程中富鋰材料不理想的尖晶石狀生長。近幾年來，為克服這些缺點和改進這些缺點，人們作出了許多努力，如元素摻雜、表面改性和結構設計等。其中，層狀/尖晶石雜化結構富鋰正極材料的制備是當前國際上研究的熱點，然而，通過傳統(tǒng)的樣品制備方法很難調(diào)節(jié)LLO/尖晶石材料中尖晶石相的含量。
成果進展：本篇工作采用改進的一步溶劑熱法合成了Li1.2Ni0.2Mn0.6O2(LNMO)正極材料，結構表征表明，所有樣品均由層狀和尖晶石相組成，尖晶石相含量可通過Na摻雜或還原鋰在LNMO材料中調(diào)諧，尖晶石相含量由2.6%增加到9.2%。結果表明，該系列樣品的電化學性能與尖晶石相含量密切相關，尖晶石相含量最大的缺鋰樣品具有最佳的循環(huán)性能和倍率性能。缺鋰樣品在5C速率下放電容量為118.9 mAh/g，在0.1C下循環(huán)50次后容量保持率為89.4%，而電流密度為5C時，鈉摻雜量為x=0、0.01和0.02C時電容值分別為66.7、27.4和2.7mA/g。尖晶石相含量較高的電極具有良好的循環(huán)性能和倍率性能，其原因是尖晶石骨架中的三維鋰離子擴散通道較多，通過適當?shù)恼{(diào)諧尖晶石相比例可以改善層狀結構的相對穩(wěn)定性。
原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10008-018-3953-8
背景：近幾十年來，鋰離子電池(LIBs)因其在便攜式電子設備、電動汽車和大規(guī)模智能電網(wǎng)中的實際應用而受到世界各國的關注，隨著電動汽車和化學儲能設備的迅速發(fā)展，迫切需要尋找高能量密度的鋰離子電池以滿足工業(yè)應用的需要。鋰離子電池的能量密度取決于電極材料的比容量和氧化還原電位，尤其是正極電極材料，但LiCoO2和LiFePO4等典型正極材料的極限容量不能滿足電動汽車中能量/功率密度的增加要求，因此尋求高能量密度的正極材料是這一領域最重要的工作。層狀富鋰錳氧化物由于其高容量和高工作電壓，引起了相當大的注意，但是有許多阻礙其實際應用的缺點，包括第一周期不可逆的容量損失、容量衰減和電壓衰減，尤其是長期循環(huán)過程中富鋰材料不理想的尖晶石狀生長。近幾年來，為克服這些缺點和改進這些缺點，人們作出了許多努力，如元素摻雜、表面改性和結構設計等。其中，層狀/尖晶石雜化結構富鋰正極材料的制備是當前國際上研究的熱點，然而，通過傳統(tǒng)的樣品制備方法很難調(diào)節(jié)LLO/尖晶石材料中尖晶石相的含量。
成果進展：本篇工作采用改進的一步溶劑熱法合成了Li1.2Ni0.2Mn0.6O2(LNMO)正極材料，結構表征表明，所有樣品均由層狀和尖晶石相組成，尖晶石相含量可通過Na摻雜或還原鋰在LNMO材料中調(diào)諧，尖晶石相含量由2.6%增加到9.2%。結果表明，該系列樣品的電化學性能與尖晶石相含量密切相關，尖晶石相含量最大的缺鋰樣品具有最佳的循環(huán)性能和倍率性能。缺鋰樣品在5C速率下放電容量為118.9 mAh/g，在0.1C下循環(huán)50次后容量保持率為89.4%，而電流密度為5C時，鈉摻雜量為x=0、0.01和0.02C時電容值分別為66.7、27.4和2.7mA/g。尖晶石相含量較高的電極具有良好的循環(huán)性能和倍率性能，其原因是尖晶石骨架中的三維鋰離子擴散通道較多，通過適當?shù)恼{(diào)諧尖晶石相比例可以改善層狀結構的相對穩(wěn)定性。
4. 多孔石墨烯薄膜緊密堆積制備高體積容量超級電容器
期刊：Electrochimica Acta , 2018, DOI: 10.1016/j.electacta.2018.04.156
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468618309174
背景：石墨烯是由于其優(yōu)異的物理、化學和力學性能，在各個領域得到了廣泛的研究，近年來石墨烯基超級電容器由于其的良好導電性、較大的理論比表面積和較高的理論電容而被廣泛研究。石墨烯直接用作電極材料時，其可能發(fā)生團聚和再沉積會引起的電解質(zhì)離子傳輸通道減少，使得石墨烯基超級電容器的電化學性能低于理論值，進一步阻礙了其實際應用。為了滿足電極材料高電化學性能的要求,石墨烯的結構和性能需要優(yōu)化,如設計新型結構、摻雜元素改性和空穴刻蝕等。其中適當?shù)膶娱g距和多孔結構是制造高性能電容的關鍵因素，因此，多孔石墨烯(PG)作為石墨烯改性的產(chǎn)物之一，解決了石墨烯基電極材料的一些缺陷并且實現(xiàn)了高電容性能，得到了廣泛的研究。電池、超級電容器等儲能裝置在實際工業(yè)中應用于各種機械設備時，都傾向于設計相對較輕、體積較小的儲能裝置，因此實際應用中對高密度電極材料的要求越來越高。盡管制備方法多種多樣，但要得到均勻的多孔構型和具有高容量電容的致密填充石墨烯電極仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
成果進展：本工作報道了在室溫下，用醋酸鋅刻蝕制備得到多孔氧化石墨烯(PGO)，然后用模板輔助法制備致密填充的多孔石墨烯薄膜(PGF)，在6.0M KOH電解液中，當電流密度為1A/g時，多孔PGF電極材料的體積電容(Cv)高達318.8 F/cm3，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在電流密度為5 A/g的條件下，10000次充放電循環(huán)后的電容保持率為88%，組裝成對稱超電容后的電容保仍能保持219.0 F/cm3 (電流密度為1A/g)，循環(huán)穩(wěn)定性為113%(電流密度為5 A/g時10000次充放電循環(huán))，因此PGF在高性能儲能器件中具有廣闊的應用前景。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468618309174
背景：石墨烯是由于其優(yōu)異的物理、化學和力學性能，在各個領域得到了廣泛的研究，近年來石墨烯基超級電容器由于其的良好導電性、較大的理論比表面積和較高的理論電容而被廣泛研究。石墨烯直接用作電極材料時，其可能發(fā)生團聚和再沉積會引起的電解質(zhì)離子傳輸通道減少，使得石墨烯基超級電容器的電化學性能低于理論值，進一步阻礙了其實際應用。為了滿足電極材料高電化學性能的要求,石墨烯的結構和性能需要優(yōu)化,如設計新型結構、摻雜元素改性和空穴刻蝕等。其中適當?shù)膶娱g距和多孔結構是制造高性能電容的關鍵因素，因此，多孔石墨烯(PG)作為石墨烯改性的產(chǎn)物之一，解決了石墨烯基電極材料的一些缺陷并且實現(xiàn)了高電容性能，得到了廣泛的研究。電池、超級電容器等儲能裝置在實際工業(yè)中應用于各種機械設備時，都傾向于設計相對較輕、體積較小的儲能裝置，因此實際應用中對高密度電極材料的要求越來越高。盡管制備方法多種多樣，但要得到均勻的多孔構型和具有高容量電容的致密填充石墨烯電極仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
成果進展：本工作報道了在室溫下，用醋酸鋅刻蝕制備得到多孔氧化石墨烯(PGO)，然后用模板輔助法制備致密填充的多孔石墨烯薄膜(PGF)，在6.0M KOH電解液中，當電流密度為1A/g時，多孔PGF電極材料的體積電容(Cv)高達318.8 F/cm3，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在電流密度為5 A/g的條件下，10000次充放電循環(huán)后的電容保持率為88%，組裝成對稱超電容后的電容保仍能保持219.0 F/cm3 (電流密度為1A/g)，循環(huán)穩(wěn)定性為113%(電流密度為5 A/g時10000次充放電循環(huán))，因此PGF在高性能儲能器件中具有廣闊的應用前景。
5. 自支撐凝膠聚合物電解質(zhì)——提升超電熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性
期刊：Journal of Power Sources , 2018, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.073
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304166
背景：在所研究的電化學儲能系統(tǒng)中，超級電容器(SC)特別是電化學雙層電容器具有很高的功率性能，可以與電池一起結合使用，其中EDLCs通常由兩個電極組成，電極之間用浸有液體電解質(zhì)的多孔膜隔開，但是隔膜仍存在不可避免的問題，如電解質(zhì)泄漏、腐蝕或包裝復雜等。解決這些問題的方法之一就是設計超級電容器可使用的固態(tài)電解質(zhì)(SSES)。固態(tài)電解質(zhì)是一種通常由聚合物組成的離子導電材料，它們可以作為具有雙重功能的電解質(zhì)/隔膜，即防止兩個電極之間的接觸，以避免短路并允許兩個電極之間存在有良好的離子遷移性。固體凝膠聚合物電解質(zhì)可分為三類：水凝膠(含水)、有機凝膠(含有機溶劑)和離子凝膠(含離子液體)，現(xiàn)如今研究者們將固體電解質(zhì)的優(yōu)點與液體電解質(zhì)的高離子導電性結合起來，也就是將大量的液體電解質(zhì)與聚合物基體結合形成穩(wěn)定的凝膠，該中凝膠電解質(zhì)具有廣闊的應用前景。
成果進展：本工作報道了一鍋法合成的一種自支撐凝膠聚合物電解質(zhì)，該凝膠聚合物電解質(zhì)是由聚環(huán)氧乙烷(PEO)網(wǎng)絡和非交聯(lián)丁腈橡膠(NBR)聚合物網(wǎng)絡組成的自支撐結構，制備得到的自支撐凝膠聚合物電解質(zhì)以薄膜形式作為固態(tài)電解質(zhì)，并作為隔膜用于單壁碳納米管(SWCNTs)紙基超級電容器。文章中的熱分析表明合成的薄膜電解質(zhì)在較寬的操作溫度范圍內(nèi)都是適宜的，在20℃時，自支撐凝膠聚合物電解質(zhì)的電化學穩(wěn)定性接近纖維素隔膜系統(tǒng)(ESW～3.2-3.6V)，且相對于電池的穩(wěn)定性較高。此外，在100°C（保持電壓為2V）下的浮動實驗顯示SGPE具有極高的穩(wěn)定性，500小時測試后的剩余電容為93%，這種高電化學性能顯示了semi-IPN SGPE作為高性能超級電容器隔膜/電解質(zhì)的潛力。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304166
背景：在所研究的電化學儲能系統(tǒng)中，超級電容器(SC)特別是電化學雙層電容器具有很高的功率性能，可以與電池一起結合使用，其中EDLCs通常由兩個電極組成，電極之間用浸有液體電解質(zhì)的多孔膜隔開，但是隔膜仍存在不可避免的問題，如電解質(zhì)泄漏、腐蝕或包裝復雜等。解決這些問題的方法之一就是設計超級電容器可使用的固態(tài)電解質(zhì)(SSES)。固態(tài)電解質(zhì)是一種通常由聚合物組成的離子導電材料，它們可以作為具有雙重功能的電解質(zhì)/隔膜，即防止兩個電極之間的接觸，以避免短路并允許兩個電極之間存在有良好的離子遷移性。固體凝膠聚合物電解質(zhì)可分為三類：水凝膠(含水)、有機凝膠(含有機溶劑)和離子凝膠(含離子液體)，現(xiàn)如今研究者們將固體電解質(zhì)的優(yōu)點與液體電解質(zhì)的高離子導電性結合起來，也就是將大量的液體電解質(zhì)與聚合物基體結合形成穩(wěn)定的凝膠，該中凝膠電解質(zhì)具有廣闊的應用前景。
成果進展：本工作報道了一鍋法合成的一種自支撐凝膠聚合物電解質(zhì)，該凝膠聚合物電解質(zhì)是由聚環(huán)氧乙烷(PEO)網(wǎng)絡和非交聯(lián)丁腈橡膠(NBR)聚合物網(wǎng)絡組成的自支撐結構，制備得到的自支撐凝膠聚合物電解質(zhì)以薄膜形式作為固態(tài)電解質(zhì)，并作為隔膜用于單壁碳納米管(SWCNTs)紙基超級電容器。文章中的熱分析表明合成的薄膜電解質(zhì)在較寬的操作溫度范圍內(nèi)都是適宜的，在20℃時，自支撐凝膠聚合物電解質(zhì)的電化學穩(wěn)定性接近纖維素隔膜系統(tǒng)(ESW～3.2-3.6V)，且相對于電池的穩(wěn)定性較高。此外，在100°C（保持電壓為2V）下的浮動實驗顯示SGPE具有極高的穩(wěn)定性，500小時測試后的剩余電容為93%，這種高電化學性能顯示了semi-IPN SGPE作為高性能超級電容器隔膜/電解質(zhì)的潛力。
