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材料研究与应用
材料研究与应用

梁振锋

季刊

1673-9981

gdys6108@163.net

020-61086285 37239026

510650

广州市天河区长兴路363号

材料研究与应用/Journal Materials Research and Application
查看更多>>本刊主要刊登有色和稀有金属的选矿与冶炼、金属材料与加工、粉末冶金、选冶药剂、分析检测、焊接技术、自动控制、节能技术等学科的学术论文、科研成果、理论探讨、专题性或综合性的动态评述等。
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    仿生催化MOF材料的正极硫载体的设计及其在锂硫电池中的应用研究

    曾清涵杨俊桦李庆华
    977-984页
    查看更多>>摘要：锂硫电池(LSBs)以1 675 mAh∙g-1的高理论比容量和2 600 Wh∙kg-1的高理论能量密度,被视为未来储能体系的有力竞争者.然而,LSBs在充放电过程中所产生的穿梭效应,导致多硫化物(LiPSs)在电解液中溶解和正极活性物质损失,从而引发容量衰减,严重限制了其实际应用.因此,设计具有高效催化活性的材料,以限制LiPSs扩散并加速其氧化还原反应动力学,被认为是解决上述问题的关键途径.虽然生物小分子催化剂具有优异的氧化还原特性,但在传统电解液中的高溶解性却限制了其循环稳定性.以金属团簇作为中心和有机配体作为连接单元所组成的金属-有机框架材料(MOFs),具有比表面积大、孔隙率高、孔结构高度有序、结构可调和可设计性等优势,通过分子工程设计有望在其纳米空间中实现对有机小分子催化剂的固定和精确调控.为此,基于仿生催化理念,设计了一种新型MOF(UiO-TECP),即将生物还原剂三(2-羧乙基)膦(TCEP)通过纳米限域策略固定于MOF孔道内,制备高效硫载体材料.其中,MOFs的有序孔道结构通过纳米限域作用来抑制LiPSs的扩散,而孔内固定的TECP能够有效促进二硫键的断裂,加速LiPSs的转化反应.电化学测试结果表明,基于S/UiO-TECP正极的LSBs在1 C电流密度下实现了841.6 mAh∙g-1的初始放电比容量,并在500圈循环中保持极低的容量衰减率(每圈0.06%).通过将仿生催化与MOF结构设计相结合,显著提升了LSBs的循环性能和动力学特性,为开发新型多功能硫载体材料提供了重要理论支撑与实践指导.

    锂硫电池硫载体正极多硫化物金属-有机框架材料仿生催化穿梭效应纳米限域

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    基于氟化金属-有机框架材料的功能化隔膜设计及其在锂金属电池中的应用

    李迪雄肖迎波
    985-991页
    查看更多>>摘要：开发高能量密度的锂电池是满足先进储能系统需求日益增长的关键.锂金属电池因理论比容量高而备受关注,但不均匀的锂离子通量和锂枝晶等问题限制了其进一步应用.因此,采用氟化金属-有机框架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)修饰聚丙烯(Polypropylene,PP)隔膜的新策略来克服上述挑战.通过合成氟化金属-有机框架材料,并将其涂覆在PP隔膜表面,成功制备出基于氟化金属-有机框架材料的功能化隔膜(MOF-4F@PP).MOF-4F的电负性纳米孔道和均一多孔结构可限制溶液中阴离子的移动,并加速锂离子的传输.实验结果表明,相比于未改性的PP隔膜,MOF-4F@PP隔膜具有优异的电解液润湿性、高的离子电导率(0.96 mS·cm-1)和锂离子迁移数(0.62).所以,MOF-4F@PP隔膜能实现更均匀的锂离子通量,形成更稳定的界面层,有效抑制锂枝晶的生长.电化学性能研究进一步表明,使用MOF-4F@PP隔膜组装的Li//Cu和Li//Li电池的循环寿命显著提升,实现了超过 1 000 h的循环.MOF-4F@PP隔膜在锂沉积/剥离过程中展现出优异的稳定性,为锂金属电池的长期运行提供了可靠的保障.此外,采用MOF-4F@PP隔膜组装的Li//LiFePO4 电池也呈现出优异的倍率和循环性能,在 1 C下经过200次循环后放电容量仍高达125 mAh·g-1.结果表明,氟化金属-有机框架材料的功能化隔膜对调控离子的传输起到了至关重要的作用,为提升锂金属电池性能提供了新的途径和可能性.

    氟化金属-有机框架材料聚丙烯功能化隔膜枝晶锂金属负极锂金属电池多孔结构离子传输

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    COF@NF锂电池宿主的制备及其抑制锂枝晶研究

    杨倩李运勇
    992-999页
    查看更多>>摘要：目前,锂离子电池的发展受到能量密度限制,很难开发出能量密度超过300 Wh∙kg-1的锂离子电池,需寻找新的负极材料代替常规的石墨负极.金属锂因具有高的理论比容量(3 860 mAh∙g-1)、低的化学还原电位(-3.04 V vs.RHE)和密度(0.53 g∙cm-3)等优势,成为了下一代锂硫电池和锂空气电池的理想负极材料.但是,锂金属的无宿主性,使锂电池在充放电循环过程中面临着体积膨胀和难以控制的锂枝晶生长的挑战,极大地阻碍了锂金属负极的实际运用.因此,通过构建亲锂性界面以诱导锂金属均匀沉积,是解决上述问题的有效方法.同时,三维结构能够明显降低电池的绝对电流密度,这对于电池在大电流下的稳定循环是有帮助的.通过使用三嗪基有机框架材料(t-COFs)修饰泡沫镍表面作为亲锂界面,并将其作为锂金属负极的宿主来抑制锂枝晶的生长,在电流密度 3.0 mA∙cm-2、沉积容量 1.0 mAh∙cm-2 的条件下,t-COF@NF-Li半电池能够稳定循环 400圈,同时还保持着高的平均库伦效率和小的电压极化.另外,t-COF@NF-Li//Li对称电池,在电流密度1.0 mA∙cm-2、沉积容量1.0 mAh∙cm-2的条件下,能够稳定循环600 h,并且保持20 mV的低过电位.结果表明,t-COFs具有优异的电化学性能,说明在泡沫镍骨架上构建亲锂界面以抑制锂枝晶的形成是可行的,该方法对于构建高性能锂金属电池有推进意义.

    锂金属阳极锂枝晶宿主材料COFs层循环稳定性三维结构亲锂界面长循环

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    多孔Mn3O4微米立方体/rGO修饰的新型锂硫电池隔膜及其电化学性能研究

    于翔海谭剑明何卓锋容卓茹...
    1000-1009页
    查看更多>>摘要：锂硫电池(LSBs)因高的理论比容量(1 675 mAh∙g-1)和能量密度(2 567 Wh∙kg-1)及丰富的硫资源,被视为极具发展潜力的新一代储能器件.然而,LSBs在充放电过程中产生的多硫化物穿梭效应、硫及硫化锂的导电性差、硫利用率低等问题,极大地制约了其广泛应用.基于此,采用水浴法合成了具有立方体结构的MnCO3前驱体,通过煅烧制备了具有丰富孔结构的多孔Mn2O3微米立方体,利用引入的氧化石墨烯(GO)和采用二次退火,得到了具有丰富孔结构的多孔Mn3O4 微米立方体/还原氧化石墨烯(Mn3O4/rGO)复合材料,并将其用于修饰改性商用隔膜,以提高锂硫电池的电化学性能.Mn3O4/rGO复合材料在锂硫电池隔膜应用中表现出更为优异的电化学性能,在0.1 C下其可逆容量为1 090 mAh∙g-1,即使在1 C的高电流密度下可逆容量仍有 877 mAh∙g-1,在 1 C下经 400次循环后可逆容量仍然保持为 422 mAh∙g-1,证明Mn3O4/rGO纳米材料具有优异的电化学性能.实验结果表明,内层孔隙丰富的Mn3O4微立方体为多硫化锂(LiPSs)的催化转化提供了丰富的活性位点,其与多硫化物之间的强相互作用和优异的催化性能可以极大地削弱多硫化物的穿梭效应,外层相互交联具有高导电率的三维rGO网络为锂离子的穿梭提供了天然的通道,并且从物理层面限制了极性LiPSs的穿梭,两者协同限制了LiPSs的穿梭效应,提高了LSBs的循环稳定性.本研究为解决锂硫电池中多硫化锂的穿梭问题提供了新思路.

    Mn3O4rGO静电吸附多孔材料改性隔膜锂硫电池电催化协同效应

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    金属-有机框架材料基固态电解质快离子导体的功能化设计及其在锂金属电池中的应用

    陈俊硕欧阳远
    1010-1015页
    查看更多>>摘要：固态电池与传统的锂离子电池和液态电池相比,在提高能量密度和安全性方面具有更大的潜力.然而,现有的固态电解质在提升电导率和克服锂枝晶产生等问题时遇到不少挑战.为解决此问题,选用MIL-101(Cr)的金属-有机框架材料(Metal-organic framework,MOF)作为主体材料,将高电导率的有机单体 1,3-二氧戊环(DOL)负载在MIL-101(Cr)上,设计制备了一种新型固态电解质.该方法不仅解决了DOL电化学稳定性差的问题,还充分利用了MIL-101(Cr)富含不饱和金属位点的特点,限制了阴离子的自由移动,加速了锂离子的解离过程,从而提升锂离子迁移数.结果表明,MIL-101(Cr)@DOL材料表现出优异的离子电导率(0.92 mS∙cm-1),稳定的电化学窗口(4.65 V)和较高的锂离子迁移数(0.57).此外,使用MIL-101(Cr)@DOL材料组装的Li//LiFePO4电池也表现出了优异的倍率和循环性能,在0.2 C下经过140次循环后放电比容量仍然维持在 128.9 mAh∙g-1,容量保持率达到 82.9%.将有机单体DOL负载在MIL-101(Cr)上合成的新型固态电解质的方法,对于开发新型的固态电解质材料和寻找新的离子传导机制起到了启发的作用,为提升锂金属电池性能提供了新的途径和可能性.

    金属-有机框架材料1,3-二氧戊环功能化设计原位聚合快离子导体固态电解质固态电池锂金属电池

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    高含量磷/硫共掺杂碳网络的制备及储钾性能的研究

    黄炜彦李娜
    1016-1024页
    查看更多>>摘要：为了解决掺杂碳材料中磷含量低的问题,以红磷为模板和磷源,采用等离子体增强化学气相沉积法一步合成高含量磷/硫(P/S)共掺杂碳网络材料(PSCN),并将其应用于钾离子电池.实验结果表明,P/S高含量(质量分数为31.11%)PSCN为碗状的碳网络结构,其具有碳间距大、缺陷程度高、比表面积大、微孔丰富和热稳定性好等特点.将PSCN作为钾离子电池负极时,在电流密度100 mA∙g-1 下可逆容量达到557.1 mAh∙g-1,在电流密度 5 A∙g-1 下可逆放电容量为 140.3 mAh∙g-1,经 1 000 圈循环后容量仍有137.4 mAh∙g-1,容量保持率为69.5%,表现出优异的倍率和循环性能.而磷掺杂碳材料(PC),在电流密度100 mA∙g-1下的可逆容量为457.3 mAh∙g-1,在5 A∙g-1下经1 000圈循环后容量仅有62.8 mAh∙g-1,容量保持率较差为43.4%.PSCN的碗状结构有利于电解液的浸润,而其中的细小纤维可以很大程度地抑制K+在嵌入/脱嵌过程中所引起的体积膨胀,从而有效地提升了钾离子电池的倍率和循环性能.此外,高含量P/S共掺杂还可以增加PSCN的活性位点,促进储钾动力学和提高离子传输能力,进而有效提升倍率性能、赝电容占比和K+的扩散系数,降低反应电阻.本研究为发展钾离子电池负极材料的制备工艺提供了参考,起到理论支持作用.

    钾离子电池等离子体高含量磷/硫共掺杂碳网络碗状结构活性位点循环性能储钾动力学

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    人物介绍

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    电化学能量转换与存储技术专刊序言

    林晓明
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