碳基负极材料
碳基电容电池
碳基电容电池碳基电容电池是一种新型的储能设备，其储能原理是利用碳材料的高比表面积和电荷储存能力来实现电能的储存和释放。
与传统的锂离子电池相比，碳基电容电池具有高能量密度、快速充放电速率、长循环寿命等优点，因此在可再生能源领域和电动汽车领域有着广泛的应用前景。
碳基电容电池的核心部件是正负极材料和电解质。
正极材料通常采用活性炭或碳纳米管等碳材料，这些材料具有高比表面积和良好的电导性，能够提供更多的电荷储存空间和更快的电荷传输速率。
负极材料通常采用金属氧化物，如二氧化钛或氧化锰等，这些材料能够提供更多的电子接受和释放反应位点，从而增加电池的储能容量。
电解质通常采用有机溶液或聚合物凝胶，能够提供离子传输通道，实现电荷的快速传递。
碳基电容电池具有高能量密度的优势，这主要得益于其材料的特殊性质。
碳材料具有高比表面积，能够提供更多的电荷储存空间，从而实现更高的储能密度。
此外，碳材料具有良好的电导性，能够实现电荷的快速传输，进一步提高电池的能量密度。
因此，碳基电容电池在同等体积和重量下，能够存储更多的电能，满足高能量密度的需求。
除了高能量密度，碳基电容电池还具有快速充放电速率的特点。
由于碳材料具有良好的电导性和离子传输通道，电池能够实现电荷的快速传递，从而实现快速充放电。
与传统的锂离子电池相比，碳基电容电池的充电时间更短，可以在几分钟内完成充电，大大提高了电池的使用效率。
碳基电容电池还具有长循环寿命的优势。
由于碳材料具有良好的稳定性和耐腐蚀性，碳基电容电池在长时间循环充放电的过程中，能够保持较高的电荷储存能力和电池性能。
因此，碳基电容电池的寿命更长，能够满足长期使用的需求。
碳基电容电池在可再生能源领域和电动汽车领域有着广泛的应用前景。
在可再生能源领域，碳基电容电池能够储存太阳能和风能等不稳定的能源，实现能源的平稳供应。
在电动汽车领域，碳基电容电池能够提供高能量密度和快速充放电速率，满足电动汽车长续航和快速充电的需求。
固态电池负极材料教授
固态电池负极材料教授
固态电池是一种新型的电池技术，它具有高能量密度、安全性高和循环寿命长等优点。
固态电池的负极材料是固态电池中至关重要的组成部分，对其性能有着重要影响。
目前固态电池的负极材料主要有几种选择：
1. 锂金属，锂金属作为固态电池的负极材料具有很高的比容量和比能量，能够提供更高的能量密度。
但是锂金属在充放电过程中容易出现枝晶生长和安全隐患，需要解决固态电解质与锂金属之间的界面问题。
2. 石墨，石墨是传统锂离子电池的常见负极材料，具有良好的导电性和循环稳定性。
在固态电池中，石墨可以作为负极材料，但需要克服固态电解质与石墨之间的界面问题，以提高循环性能。
3. 金属氧化物，金属氧化物如二氧化钛、氧化锡等在固态电池中被广泛研究。
它们具有较高的理论比容量和循环稳定性，但需要解决其与固态电解质的界面问题，以提高电池性能。
4. 碳基材料，碳基材料如碳纳米管、石墨烯等在固态电池中也
有应用前景，它们具有良好的导电性和结构稳定性，有望成为固态
电池的负极材料。
总的来说，固态电池的负极材料需要具备良好的离子传输性能、电子传输性能和界面稳定性，以实现高能量密度和长循环寿命。
未
来随着固态电池技术的不断发展，负极材料的研究将会更加深入，
有望实现更高性能的固态电池。
钠离子电池硬碳负极材料首周效率的研究进展
钠离子电池硬碳负极材料首周效率的研究进展徐凯琪;苏伟;钟国彬;王超【摘要】Sodium ion battery has advantages of abundant original materials,low costs and so on and its commercial applica-tion depends on development of its cathode and anode materials while the anode materials are critical components. In nu-merous anode materials,hard carbon has advantages of appropriate sodiation potential,high capacity,long cycle life and good rate capability as well as plentiful original materials and simple preparation,it is regarded as the most likely anode ma-terial of sodium ion battery for realizing commercial application.But the low initial coulombic efficiency of hard carbon seri-ously affects its application in full cell battery.Therefore,this paper summarizes and analyzes the research progress of hard carbon in aspects of the influence of initial coulombic efficiency on full cell battery,the influencing factors and improvement methods of the initial coulombic efficiency.The paper points out it is able to effectively improve initial coulombic efficiency by reducing specific surface area,increasing synthesis temperature,reducing surface functional groups and regulating electro-lyte composition.Corresponding analysis indicates further understanding of initial coulombic efficiency is beneficial to devel-op high capacity and high efficiency hard carbon material and promote the commercial application of sodium ion battery.%钠离子电池具有原材料丰富和成本低廉等优点,其商业化应用主要取决于正负极材料的发展,其中负极材料是关键组成部分.在众多负极材料当中,硬碳负极材料由于具有嵌钠电位合适、容量较高、循环寿命长、倍率性能好以及原材料丰富、制备简单等优点,被认为是最有可能首先实现商业化应用的钠离子电池负极材料.但硬碳负极的首周库伦效率较低,这严重影响了其在全电池中的应用.针对此,从首周库伦效率对全电池性能的影响、首周库伦效率的影响因素以及改善方法等几方面对硬碳负极材料的研究进展进行总结和分析,指出降低比表面积、提高合成温度、减少表面官能团和调节电解液组分,可以有效提高首周库伦效率.分析表明对首周库伦效率的进一步理解有利于开发高容量、高效率的硬碳材料并促进钠离子电池的商业化应用.【期刊名称】《广东电力》【年(卷),期】2018(031)002【总页数】8页(P10-17)【关键词】钠离子电池;硬碳;负极;储能;库伦效率【作者】徐凯琪;苏伟;钟国彬;王超【作者单位】广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080【正文语种】中文【中图分类】TM910人们越来越重视环境污染带来的危害，由此逐步改变能源消耗的方式，清洁能源或可再生能源的需求变得越来越迫切，但可再生能源一般具有明显的间歇性，如太阳能和风能等，将大量间歇性能源直接接入电网会对电网系统产生严重影响。
过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性
二○一五年专业课论文过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性研究学院：材料科学与工程学院专业：材料物理与化学姓名：崔宇学号：2014231015过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性研究崔宇长安大学材料科学与工程学院,陕西西安,710049摘要系统的介绍了锂离子电池负极材料的类型,原理以及电化学性能?叙述了对不同的材料的改性办法?简要介绍了氧化物材料的纳米改性和复合改性,对以后可能展开的研究方向提出指导?关键词锂离子电池负极;纳米改性Types of transition metal oxide anode material for lithium-ion batteries and modificationAbstract Systems introduces the type of anode material for lithium-ion batteries, principle and electrochemical properties. Modified approach to the different materials is described. Introduced and modification of nano-modification of oxide materials, possible research direction in the future.Keywords Lithium ion battery; Nano modified0引言伴随着互联网移动化的进程,诞生出越来越多的移动设备?随着智能手机的普及,电池这一性能瓶颈带来的问题日益突出?因此,研发出新的具有更强性能的锂电池成为当下的热点方向?由于手机对于锂电池的容量要求极高,而且它具有较高的利润,因此使用一些金属元素来代替现有的碳材料成为可能?目前,传统的石墨负极材料理论比容量为372mAh/g,已不能满足新一代高比容量电池负极材料的需求,为此,开发新型高比容量锂离子电池负极材料显得迫在眉睫[1-2]?与传统的石墨负极相比,过渡金属氧化物拥有高的理论容量和首次充放电容量?然而由于它们存在首次库仑效率低?高倍率充放电容量低和循环稳定性较差等缺陷,限制了其广泛应用[3-5]?与正极材料一样,负极材料也是影响锂离子电池性能的重要因素之一,是锂离子电池发展的主要研究内容?它经历了3个阶段的发展,分别是最初的金属锂,锂合金和目前商业应用的碳材料?一般来说,理想的负极材料应满足以下要求[6-7]：(1)低的氧化还原电位,近可能接近锂的电位?负极材料的氧化还原电位越低,整个电池系统的工作电位就会越高,这样锂离子电池将获得更高的能量;(2)良好的电子传导率和锂离子迁移率?良好的导电性和锂离子迁移率可以保证电池反应的快速发生,从而保证电池系统能够进行快速充电;(3)结构稳定,容量高?负极材料应该具有锂离子容易脱嵌的结构,并且在发生锂离子脱嵌的过程中,其结构应该保持稳定,具有稳定的循环性能;(4)与电解液有很好的兼容性,并且不与电解液反应;(5)制备容易?成本低?环保?无毒性等?1碳基负极材料自从索尼公司用碳材料作负极的商品化锂离子电池以来,人们对碳负极进行了广泛研究?目前使用的碳基负极材料主要包括石墨和无定形碳两大类?石墨因导电性好?结晶度高?层状结构有利于锂离子的脱嵌,工作电位与金属锂相近等优点而被广泛研究,同时石墨也是最早实现商业化的碳负极材料,其理论比容量为372mAh/g,在实际应用中容量可达330mAh/g左右[8]?无定形碳主要包括硬碳和软碳两种,软碳为经2500℃以上高温处理后能石墨化的无定形碳,其中典型代表为中间相碳微球(MCMB),其石墨化程度低,可逆容量约为为320 mAh/g[9];硬碳通常为难以石墨化的碳,即使在2500℃下也难以石墨化,一般具有比较大的比表面积,主要为特殊结构的高分子聚合物的热解碳,具有单层碳原子的无序排列结构,层间距比较大以及在层间中存在着大量的微孔,这就大大的增加储锂面积,所以硬碳基本上都具有较高的嵌锂容量,可达到500mAh/g以上[10]?然而此类材料都具有密度小和首次库企效率低等缺点而难以满足商业化锂离子电池的要求,通常被用作其他负极材料的添加剂以增加电导率?近年来,越来越多的纳米级别的新型碳材料被发现,如碳纳米管?多孔碳?碳纳米纤维和石墨稀等[11-13],这些材料因具有特殊的纳米结构,使得它们的比容量比普通碳基材料高?碳纳米管因直径小,比表面积大,从而可以提供很多的锂离子嵌入活性点,从而具有很高的比容量;另外,碳纳米管的良好的电子和离子传导性,使材料具有很好的倍率性能?但是,碳纳米管产率很低,不适合广泛的商业应用,一般被作为碳源与其他负极材料进行复合以增加电导率?石墨稀这一颗科学界的“新星”,因具有优异的电导率?极高的比表面积(约2630m2/g)?机械柔朝性好等特点被广泛研究?由于石墨稀极高的比表面积和猎皱结构,使得锂离子不仅可以存储在石墨炼的片面上,还可以存储在石墨稀的边沿?缺陷以及其他位置,从而具有较高的比容量?Kim等人[13]用石墨炼作为锂离子电池负极材料测得其比容量约为540 mAh/g 人目前,石墨稀主要应用于与金属氧化物进行复合从而提高氧化物的导电性,改善其循环性能?2合金类负极材料金属锂用作负极材料时易产生枝晶,而用锂合金替换可以有效的避免此现象的发生,从而提高电池的安全性[14]?锂合金材料一般为金属锂与金属类或半金属类元素之间进行合金化的产物,这些元素主要集中在第4和第5主族,如:Si, Sn, As, Sb ,Ge, Pb, P和Bi?还有一些像Al, Zn, Cd, Ag, Au, In, Ga和和Mg金属元素也可以形成锂合金材料,其中研究最广泛的合金材料为Si[15,16]和Sn[17,18]合金类材料?2.1锂离子电池挂基负极材料在硅基负极材料中1个桂原子最多可以与4.4个锂离子反应形成Li4.4Si合金,使得其理论容量高达4200 mAh/g,其值最接近于金属锂?另外Si还具有无毒环保,嵌锂电位低并且资源丰富等优点,这些特性使得Si成为有望取代石墨的一种理想材料?但是,Si在充放电过程中会出现严重的体积变化,其变化量通常高达280 %-300 %,巨大的体积变化将产生很大的应力,从而出现电极材料的结构失稳?电极粉化等现象,甚至出现电极材料与集流体脱离,使得容量快速衰减,这也是桂基材料未取得广泛应用的主要原因?目前,改善Si基材料循环性能的办法主要有制备Si纳米材料和利用碳基材料与Si复合?2.2锂离子电池锡基负极材料自从1997年日本Fujifilm公司发现无定形锡基氧化物(TOC)具有较长的循环寿命和较高的可逆容量以来,锡基负极材料引起广泛的关注[19]?与桂基材料类似,锡基材料中1个Sn原子可以和4.4个锂离子反应形成Li4.4Sn合金,其理论容量可达到990 mAh/g,但是锡基材料也面临着充放电过程中体积膨胀(约100 %-300 %)的问题,从而极大的限制了其广泛的商业化应用?锡基氧化物最常用的改性办法主要有合成具有较大比表面积纳米材料,有效缓解充放电过程中的巨大体积变化,从而有效改善材料的循环性能?另一种有效方法为与碳材料进行复合形成复合材料,其中碳对Sn颗粒进行表面包覆,可以有效缓冲体积膨胀,防止活性颗粒团聚,同时也还可进一步提高材料的导电性?另外,碳材料本身也是一种很好的嵌锂材料,并且其结构在脱嵌锂过程中变化很小,与碳复合可有效的改善锡基材料的电化学性能?Wan等人[20]通过模板法成功制备了中空C/Sn复合材料,表现出极高的容量和优异的循环性能?Yu等人[21]合成出来的Sn/C复合纳米材料,具有良好的循环性能,200次循环后其容量仍维持在737 mAh/g?2.3 Li4Ti5012负极材料Li4Ti5012结构与LiMn2O4类似,也属于尖晶石结构,空间群为Fd3m,理论上, Li4Ti5012可以嵌入3个锂离子生成Li7Ti5012,生成的Li7Ti5012也属于尖晶石结构,并且其晶胞体积与Li4Ti5O12几乎一致,故常Li4Ti5012被称为零应变材料,从而使得Li4Ti5012结构在充放电过程中十分稳定,其循环寿命可达数千次乃至上万次?Li4Ti5012的理论比容量为175mAhg?实际应用中也可达到150-160mAh/g[22]?虽然Li4Ti5012的循环性能比较好,但Li4Ti5012导电性差(10-13S/cm)?离子扩散系数也很低(10-8cm2/s),加上其平台电压比较高,通常要与4或5V正极材料搭配使用,这导致Li4Ti5012材料在大电流密度下容量衰减很快,倍率性能差等缺点?通常釆用离子掺杂?表面包覆?减小Li4Ti5012粒径来改善Li4Ti5012的倍率性能?2.4金属氧化物负极材料早在上世纪80年代,人们就发现一些金属氧化物具备可逆充放电的能力,从而将其应用于锂离子电池电极材料,其中锡的氧化物研究的最多,如SnO2和SnO[23-24]?自从Tarascon等人于2000年首次报道了纳米尺寸的过渡金属氧化物(Co3O4,NiO,CuO和Fe2O3)作为锂离子负极材料具有优异的储锂性能后,过渡金属氧化物引起了全球范围内的极大关注,掀起了一股以过渡金属氧化物为锂离子电池负极材料的研究热潮?根据不同的充放电机理,主要可分为三类:合金类反应?嵌入式反应和转换式反应(3d过渡金属氧化物)?2.4.1合金类反应金属氧化物这类金属氧化物中最常见的是SnO2 [25],在充放电过程中, SnO2首先与金属锂反应生成金属Sn和Li2O,随后金属锡与锂进行可逆的合金化反应,而Li2O不参与反应?与Sn基材料类似,1 mol SnO2理论上最多可与4.4 mol的锂离子发生可逆反应,其理论容量为780mAh/g?其反应机理如下所示:SnO2+ 8Li++ 8e-→Sn + 4Li2O (1-6)Sn + 4.4Li++4.4e-→Li4.4Sn (1-7)和锡基材料一样,SnO2在充放电过程中也会出现巨大的体积变化,从而导致容量衰减很快,循环性能变差?目前, SnO2材料改性方法主要有:合成具有纳米结构?制备不同形貌的SnO2材料,进行表面包覆,与碳材料进行复合等?2.4.2嵌入式反应金属氣化物这类金属氧化物的储锂方式与Li4Ti5012类似,也是通过嵌入式反应来进行的?这种方式表现在电化学反应是通过锂离子在金属氧化物结构中进行可逆的嵌入与脱出而发生的,这样不会使氧化物结构发生太大的变化[27]?其中典型物质为TiO2,反应式1-8为其反应机理,反应时1 mol的TiO2与X mol的Li离子进行可逆反应生成LixTiO2,其中X的具体数值取决于TiO2晶态与尺寸?一般认为,1 mol的锐钛矿晶型的TiO2可以与0.5mol的Li+进行可逆反应,其理论容量可达167mAh/g;对于TiO2(B)材料,其1 mol可以与0.75 mol的Li+进行可逆反应,其理论比容量比锐铁矿高,可达到251mAhg人由于TiO2材料电导率及离子迁移率都比较低,从而导致材料的倍率性不佳,通常改善倍率性能的方法有:合成纳米尺寸的TiO2?进行离子掺杂?表面进行碳包覆等?TiO2 + xLi+ + xe-→LixTiO2 (1-8)2.4.3转换式反应金属氧化物其实大部分金属氧化物都是以转换式反应的形式来进行储锂的,其中比较典型的就是Tarascon等人[25]2000年报道的过渡金属氧化物(MxOy M = Co , Fe, Ni, Mn, Cu等)?这类氧化物的理论比容量都比较高,一般在700mAh/g以上,它们以转换式的形式进行储锂,其机制有别于传统碳材料(原子层间插入机理),锡基?娃基材料(合金化机理),Ti02 (嵌入式反应机理),其反应机理如下所示:MxOy + 2yLi++ 2e? xM + yLi2O (1-9)上述反应机理同样也适用于过渡金属氟化物?硫化物?氮化物等?从上式中可以得知在首次放电过程中, MxOy粒子与锂发生反应,产生非晶态的Li2O和尺寸约为2-8nm的具有高度电化学活性的金属M颗粒,金属颗粒分散于非晶态的Li2O中?与此同时,在过渡金属氧化物的表面出现电解液的分解,颗粒表面形成一层固态的电解质(SEI)膜,此过程会消耗了一定的锂离子,这会对首次放电容量有一定贡献,导致首次放电过程中容量均会超过理论容量?在之后的充电过程中,过渡金属M与Li2O反应,重新生成过渡金属氧化物MxOy,同时会分解部分的SEI膜,尺寸为2-8 nm金属颗粒具有高度的活性,这种高度活性使得逆反应得以发生?一般过渡金属氧化物的首次不可逆容量比较大,库伦效率比较低(约50%-70%),其主要原因是由于有些纳米过渡金属M和Li2O不能完全转化成MxOy,另一方面源于首次充电过程中不能完全分解首次放电过程中生成的SEI膜?3 3d过渡金属氧化物负极材料的研究进展3.1钴的氧化物对于钴氧化物的研究主要集中于Co3O4和CoO,它们与锂进行反应生成金属Co纳米颗粒与Li2O,这一特性早在1982年就被Thackeray等人[28]发现?然而,其真正应用于锂离子电池是在2000年Pizot等人[25]在Nature上进行相关报道之后?相对于传统碳负极材料,Co3O4与CoO表现出很高的容量(约为传统碳的2-3倍),其理论容量分别为892和716mAh/g?反应机理如下所示:Co3O4+8Li++8e-?3Co + 4Li2O (1-10)CoO + 2Li+ +2e-?Co + Li2O (1-11)其中Co3O4因比容量高而受到更多的关注,虽然Co3O4的理论容量很高,但其导电性差,并且在不断的循环过程中会出现体积的巨大变化,材料的结构会发生改变,甚至坊塌?需对Co3O4进行改性从而达到更好的实际应用?目前主要的改性方法有:合成特殊结构的Co3O4纳米材料,如纳米线?纳米管?纳米针?纳米片等[29-32]?以及与碳材料(石墨?碳纳米管?石墨稀等)进行复合[33-35]?Chen等人[36]通过球磨法和煅烧法分别合成了 Co3O4纳米颗粒以及纳米棒,表现出优异的电化学性能?Yan等人[37]通过化学沉淀法制备钴的前驱体,后在空气气氛下进行锻烧得到多孔Co3O4纳米笼状物,循环30次后可逆容量依旧高达970 mAh/g人表现出良好的循环稳定性?3.2猛的氧化物猛因具有廉价?资源来源广?无毒等特点引起了广泛研究?猛的氧化物主要有MnO, MnO2, Mn2O3和 Mn3O4,其中 MnO 理论比容量达 756 mAh/g, Mn3O4为936mAh/g,其反应机理如反应式1-9所示,可计算得出MnO2的理论比容量高达1233 mAh/g,尽管具有很高的理论容量,但是MnO2向金属Mn单质的转变过程需要克服很大的热力学势垒,反应不容易进行,这大大限制了 MnO2材料的实际应用?与其他过渡金属氧化物类似,猛的氧化物也面临着导电性差?体积膨胀与收缩大的问题,从而导致循环性能差?一般通过对材料进行改性来提高其电化学性能的稳定性,其中主要包括合成多孔结构材料?与碳材料进行复合等?Deng等人[38]通过热分解MnCO3得到多孔的Mn2O3微球,其表现出优异的电化学稳定性,在循环50次后比容量仍然能够保持796 mAh/g?Wang[39]等人合成石墨稀与Mn3O4的复合材料,其比容量约为900mAh/g,几乎与其理论容量接近?Reddy等人[40]通过AAO模板法合成MnO2/C同轴纳米管阵列,其表现出优异的循环性能?3.3铁的氧化物铁的氧化物负极材料主要有FeO?Fe3O4和Fe2O3,其理论比容量分别为744?922?1007mAh/g?其对锂反应式如下:FeO+ 2Li++2e-?Fe + Li2O (1-12)Fe3O4+8Li++8e-?3Fe + 4 Li2O (1-13)Fe2O3+6Li++6e-?2Fe+3 Li2O (1-14)其中Fe2O3因其具有比容量高?稳定性高?环境友好等特点而被广泛研究?但是,Fe203作为半导体,其导电性差,电子传递速度慢,加上在充放电过程中会出现材料聚集的现象,这使得多数的Fe2O3材料的循环稳定性都比较差,对于改善Fe2O3材料的循环性能的方法主要有两类,其一为合成不同特殊形貌的Fe2O3材料,如:纳米管,纳米片,纳米胶囊等?另一种方便?有效的改性方法为与碳材料进行复合?Reddy 等人[41]通过热处理的方法在铜箱上合成α- Fe2O3纳米片,作为锂离子负极材料表现出优异的循环性能,在65 mA/g电流密度下循环80次容量几乎没有衰减,保持在约700 mAh/g?Zhao等人[42]通过水热法合成单壁碳与Fe2O3;复合材料,其表现出极好的循环性能和倍率性能,在1 A/g大电流密度下可逆容量依旧可以保持约为680mAh/g?3.4镍的氧化物NiO的储锂机理中一般认为NiO与Li反应,转化为Ni纳米颗粒和Li2O,其理论比容量可达718 mAh/g,反应式可表达如下:NiO + 2Li+2e-?Ni+Li2O (1-15)虽然NiO具有较高的比容量,但是由于其导电性差,不利于电子的迁移和离子的扩散,造成NiO材料在首次循环中出现较大的不可逆容量损失(约为35%),加上在循环过程中的巨大体积变化,从而使得材料的容量衰减很快,导致循环性能差的缺点?近些年来人们采取一系列方法来对NiO材料进行改性,其中主要包括:与碳材料进行复合?合成具有纳米结构的NiO材料?Qian等人[43]通过超声方法合成石墨稀与3D NiO复合材料,其表现出优异的循环性能,在200mA/g电流密度下循环50次可逆容量依旧高达1065 mAh/g?Wei等人[44]通过溶剂热法合成NiO/C杂化微球,极大的改善了 NiO材料的循环稳定性,在电流密度为387 mA/g下循环20次可逆容量仍可以维持在400 mAh/g左右?Wang等人[45]通过热处理方法在泡沫镇上生成三维多孔NiO材料,表现出优异的循环性能,在0.2 C倍率下循环30次可逆容量可保持在540 mAh/g3.5铜的氧化物铜的氧化物也是过渡金属氧化物中的主要一员,研究较多的有CuO和Cu2O,其理论容量分别为674mAh/g和375mAh/g?与前面叙述的氧化物类似,铜氧化物也面临着首次不可逆容量损失大,循环性能差等缺点?目前,对铜氧化物材料进行了大量的改性工作,主要的改性方法包括制备不同形貌纳米材料,与碳材料进行复合等?Sun等人[46]通过阴极极化的方法在Cu片在合成一维针状CuO材料,用于锂离子电池负极材料,在2C电流密度下循环100次可逆容量依旧能保持在583.1 mAh/g,在15和20 C大倍率电流密度下容量分别为545.9和492.2mAh/g?表现出良好的循环性能和极好的倍率性能?Wang等人[47]通过简单的溶液法合成CuO/石墨稀的复合物,在65 mA/g电流密度下循环100次可逆容量依旧可保持在600mAh/g,即使在600mA/g高电流密度下其比容量依旧可达150mA/g?4 3d过渡金属氧化物负极材料的改性虽然过渡金属氧化物具有超高的理论容量,大多数都在700 mAh/g 以上?但是3d过渡金属氧化物一般都为半导体材料,其导电性都比较差,而且在反应过程中生成的惰性Li2O进一步导致材料导电性的恶化,从而阻碍材料的电子导电与离子扩散,产生电化学反应动力不足等缺点;并且,过渡金属氧化物在与锂发生反应过程中会产生很大的体积膨胀,这会产生较大的应力,导致活性颗粒的粉化,使得活性材料在不断的充放电过程中慢慢的与集流体等失去电接触,同时由于体积出现巨大膨胀,从而将导致纳米粒子产生电化学团聚现象,进而丧失电化学活性?这些因素导致3ci过渡金属氧化物的循环性能差?目前对过渡金属氧化物的研究主要集中于对其的改性,改性措施主要分为纳米化与复合化这两类?其中纳米化结构包括零维的纳米颗粒,一维的纳米棒?纳米管?纳米带?纳米线?纳米针,二维的纳米片?纳米小板等[36,37,41,46,48]?这些结构具有许多独特优势: 1.可以促进电子电导和缩短锂离子的传输路径;2.可以有效的增加电解液与电极的接触面积;3.纳米材料可以诱发新的储锂机制;4.能有效缓解充放电过程中的体积变化?实践也证明这种纳米化结构过渡金属氧化物材料具有优异的循环性能?Bruce等人[49]以SBA-15为模板通过化学沉淀法制备了介孔Co3O4纳米线,在100 mA/g电流密度下循环60次可逆容量依旧保持在约800mAh/g,表现出极好的循环稳定性?Zhu等人[50]通过水热法在Ni基片上合成Co3O4纳米棒阵列,其在1 C 倍率下循环20次可逆容量仍高达1000 mAh/g,具有优异的循环性能?复合化主要体现在与碳材料的复合,其中碳材料的来源主要有无定型碳?碳纳米管?碳纳米纤维?石墨稀等[18,21,35,43,44,47]?与碳复合是一种非常有效的改性方法,这些碳材料一方面可以提高活性物质的电子电导率?另一方面,碳材料一般表面积都比较大,这样可以有效的缓解活性物质在充放电过程中的体积变化?除此之外,碳材料本身也可以进行储锂?目前,与碳材料进行复合作来改善过渡金属氧化物材料的循环性能引起了人们的极大关注,特别是继石墨稀发现之后,全球掀起了一股以石墨稀与过渡金属氧化物进行复合的热潮?Yang等人[51]通过超声法合成CoO量子点与石墨稀的复合物,其量子点尺寸为3-8 nm,作为锂离子电池负极材料,在50mA/g 密度下循环50次可逆容量仍高达1600mAh/g,即使在1A/g这样大电流密度下可逆容量依旧可达l000mAh/g人其表现出极好的循环性能与倍率性能,主要归因于石墨烯可以极大提高CoO导电性,同时石墨稀较大的比表面积(约为2630 m2/g)可大大缓解CoO在充放电过程中的体积膨胀问题?Wang等人[52]通过水热法合成CoO纳米棒与碳纳米管的具有核壳结构的复合材料,表现出良好的循环性能,在电流密度高达3580 mA/g循环200次可逆容量还可保持730 mAh/g?Wang等人[53]通过原位还原法合成MnO/C复合材料,在200 mA/g电流密度下循环40次可逆容量依旧保持在600 mAh/g人展现了优异的循环性能?另外,合成具有多孔结构(复合)材料也可以有效的改善过渡金属氧化物的循环性能,这些多孔结构可以有效缓解材料在充放电过程中的体积变化,提高材料的循环稳定性[29,31,38];同时多孔结构可以增加电解液与电极材料的接触面积,为电化学反应提供更多的反应点,有利于电化学反应的快速进行,从而增强倍率性能?Zhou等人[54]通过水热法合成介孔Fe3O4/C微胶囊复合材料,在186 mA/g电流密度下循环50次可逆容量可达800 mAh/g,具有优异的循环性能?Chen等人[55]通过水热法在Cu片上合成具有多孔结构的Co3O4纳米针材料,其首次放电容量可达到1600mA/g,在0.5 C倍率下循环20次可逆容量依旧保持在800mA/g?Huang等人[56]通过水热法在Ti片上生长CoO多孔纳米线,在716 mA/g电流密度下循环20次可逆容量还可保持约为700 mA/g?目前,对于过渡金属氧化物的改性方法趋向于综合化,通过简单易行?能耗低的方法来对材料进行改性是未来的方向?5总结与展望综上分析,3d 过渡金属氧化物MxOy负极材料具有很高的可逆容量,较好的倍率性能,同时,也具有首次放电容量损失大?循环稳定性差的缺点?研究者已采用各种方法进行掺杂包覆,提高MxOy的导电率,抑制纳米颗粒的团聚,改善其电化学性能,并取得了良好的效果?总之,将MxOy负极材料结构化( 空心?核壳?多孔等) ,发挥微米?纳米结构的优势,做成微/ 纳米复合材料,或者将MxOy与其他功能材料复合,克服MxOy的缺点,发挥多组分优势,做成多元复合材料,是制备高性能3d 过渡金属氧化物MxOy负极微/ 纳米材料的发展趋势?相信随着研究的不断深入,3d 过渡金属氧化物负极微/ 纳米材料会有更好的应用前景?参考文献:[1] Guo P, Song H, Chen X. Electrochemical performance of graphene nanosheets as anode material for lithium-ion batteries [J].Electrochem Commun,2009,11:1320[2] Kim H, Seo D H, Kim S W, et al. Highly reversibleCo3O4/graphene hybrid anode for lithium rechargeable batteries[J].Carbon,2011,49:326[3] Sun B, Chen Z, Kim H S, et al. MnO/C core-shell nanorods ashigh capacity anode materials for lithium-ion batteries [J].J Power Sources,2011,196:3346[4] Xiang J Y, Tu J P, Zhang J, et al. Incorporation of MWCNTs into leaf-like CuOnanoplates for superior reversible Liion storage[J]. Electrochem Commun,2010,12:1103[5] Xiang J Y, Tu J P, Yuan Y F, et al. Improved electrochemical performances of core-shell Cu2O/Cu composite prepared by a simple one-step method[J]. ElectrochemCommun, 2009,11:262[6] Bai Y P, Xing J D, Wu H L, et al. ,The mechanical alloying mechanism of various Fe203-Al-Fe systems [J]. Advanced Powder Technology, 2013,24(1): 373-381.[7] Ahmmad B, Leonard K, Islam M S, et al. , Green synthesis of mesoporous hematite (alpha-Fe2.3) nanoparticles and their photocatalytic activity [J] Advanced Powder Technology, 2013,24(1): 160-167.[8] Winter M, Besenhard J 0,Spahr M E, et al. ,Insertion electrode materials for rechargeable lithium batteries [J], Advanced Materials, 1998,10(10): 725-763.[9] Reeves S D and Morris R S. Improved MCMB anodes by surface modification with self-assembling nonionic surfactants [J]. Electrochemical and Solid State Letters,2004,7(8): B29-B30.[10] Mochida I, Ku C H and Korai Y. Anodic performance and insertion mechanism of hard carbons prepared from synthetic isotropic pitches [J]. Carbon, 2001,39(3):399-410.[11] Che G L, Lakshmi B B, Fisher E R, et al” Carbon nanotubule membranes for electrochemical energy storage andproduction[J]. 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三元材料锂含量
三元材料锂含量
三元材料中的锂含量比例与具体类型和应用领域有关。
三元锂电池是采用镍钴锰三元材料作为正极材料，碳基材料作为负极材料，电解质为有机液体或聚合物电解质的一种电池。
这种电池的性能与其正极材料的锂含量比例密切相关。
目前主流的三元锂电池的锂含量比例大多在4%至8%之间。
具体来说，锂含量为4%的三元锂电池较为稳定，能够提供较长的循环寿命，适用于低电量的应用场景，比如移动电源、智能手环等；锂含量为5%的三元锂电池拥有比较高的能量密度和良好的循环寿命，是目前用于智能手机、手持设备等中高端移动电子设备的主流电池之一；锂含量为6%的三元锂电池较为常见，其容量和能量密度均处于中等水平，适用于对电池性能有一定要求的电动工具、电动车等领域；锂含量为8%的三元锂电池拥有极高的能量密度，适用于高功率需求领域，如电动汽车、储能系统等。
此外，根据采用热重法研究锂离子电池三元正极材料中游离锂在不同温度期间的变化，进而测定游离锂在其中的含量，并与水分仪、容量法测试的结果对比，发现正极材料中的碳酸锂（Li2CO3）含量为1.34%。
以上内容仅供参考，如需获取更详细准确的信息，建议查阅相关行业研究报告或咨询电池行业专家。
碳基材料的研发与应用
碳基材料的研发与应用近年来，碳基材料在领域内的研发和应用引起了极大的关注。
碳基材料具有优异的物理、化学和电学性质，被广泛应用于特种材料、电池、化学传感器、储能材料等领域。
本文将从碳基材料的分类、研发和应用三个方面进行探讨。
一、碳基材料的分类碳基材料，指以碳为主要成分的材料。
按照碳的结晶度不同，可分为非晶态碳、微晶态碳和单晶态碳。
非晶态碳是指碳原子排列无序的不具有明显晶体结构的材料，典型的材料是软碳和人造石墨。
微晶态碳是指具有一定晶体结构的材料，但是晶粒直径一般在10纳米或以上，不同微晶有不同的结构和形貌，如碳纳米管、石墨烯、纳米碳球、碳基负载材料等。
单晶态碳是指晶粒直径在1纳米以下，具有长程有序的晶体结构的材料，如金刚石、石墨等。
二、碳基材料的研发碳基材料的研发主要涉及制备方法的研究和表征方法的研究。
其中，制备方法主要包括物理方法、化学方法和生物制备法。
物理方法包括化学气相沉积、物理气相沉积、机械合成等，可以制备出大量的碳纳米管、石墨烯等微晶体材料。
化学方法包括水热合成、溶胶凝胶法、射流化学气相沉积法等，可以制备出灵活、可控的微晶材料。
生物制备法主要应用于制备天然的碳基材料，如利用硅藻、藻类等生物合成硅藻土、骨炭等材料。
表征方法主要包括成分分析、结构表征和性能测试。
对于碳基材料而言，结构表征特别重要，常用的表征手段有透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜、拉曼光谱、X射线衍射等。
三、碳基材料的应用碳基材料应用广泛，其中电池、化学传感器和储能材料是两个重要领域。
在电池领域，碳基材料可以用于负极、正极、电解质及集流体等部分，能够有效提升电池的能量密度和功率密度。
在化学传感器领域，碳基材料能够通过氧化还原反应、酸碱反应、生物作用等方式来检测化学物质，具有灵敏度高、响应时间短、重复性好等优点。
在储能材料领域，碳纳米球、石墨烯等材料可以制成高能量密度、高功率密度、长循环寿命的储能材料，如超级电容器和锂离子电池。
固态锂离子电池用氧化物类负极材料
随着科技的发展，电池作为能源存储和释放的重要设备，在日常生活和工业生产中扮演着至关重要的角色。
在各种类型的电池中，锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命而被广泛应用。
而固态锂离子电池由于具有更高的安全性和能量密度，成为了当前研究和发展的热门方向。
固态锂离子电池的正负极材料是影响其性能的重要因素之一，其中负极材料作为电池的“负极”，在其充放电过程中扮演着至关重要的角色。
氧化物类负极材料因其特殊的化学性质和结构特点，被研究者广泛关注和认可。
下面我们将从以下几个方面来详细介绍固态锂离子电池所使用的氧化物类负极材料及其优势和挑战。
一、氧化物类负极材料的类型1. 金属氧化物类负极材料金属氧化物类负极材料是氧化物类负极材料中的一种重要类型，常见的有二氧化钛、二氧化锰等。
这些材料由于其高比容量和优异的电化学性能，被广泛研究和应用。
2. 碳基氧化物类负极材料碳基氧化物类负极材料是近年来备受关注的一种新型氧化物类负极材料，具有优异的导电性和化学稳定性，能够有效增加电池的循环寿命和安全性。
二、氧化物类负极材料的优势1. 高能量密度氧化物类负极材料具有相对较高的比容量和能量密度，能够为固态锂离子电池提供更大的储能容量，满足不同领域的需求。
2. 良好的化学稳定性氧化物类负极材料在充放电过程中具有较高的化学稳定性，能够有效降低电池的安全风险，提高电池的循环寿命。
三、氧化物类负极材料的挑战1. 循环性能一些氧化物类负极材料在循环寿命方面存在一定的挑战，充放电过程中容易发生极化现象，影响电池的性能和稳定性。
2. 成本目前一些氧化物类负极材料的生产成本较高，限制了其在大规模应用中的竞争力。
固态锂离子电池使用氧化物类负极材料具有诸多优势，但也面临一定的挑战。
在未来的研究和发展中，研究者需要不断努力，克服固态锂离子电池的问题，推动其在新能源领域的广泛应用。
相信在不久的将来，氧化物类负极材料将会迎来更大的突破和发展，为固态锂离子电池的应用带来新的机遇和挑战。
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碳基负极材料
近几年来，储能技术是经济社会发展的重要支柱。
在电动汽车、风力发电、太阳能发电等领域，为了改善储能系统的性能，研究人员一直在密切关注新型电池发展。
在新型电池中，碳基负极材料在储能领域的应用显得尤为重要。
本文将重点介绍碳基负极材料的性能特征及其在电池储能领域的应用。
碳基负极材料，即采用碳基材料如石墨烯、碳纳米管等制作的电池负极材料，具有优异的储能性能。
首先，由于碳基材料具有高熵热容量，可以有效减少电池的热量释放；其次，由于碳基材料的导电性能优越，可以改善电池的充放电效率；此外，碳基材料还具有较高的能量密度，可以在有限空间内提供更多储能量。
另外，碳基负极材料还具有较好的安全性，可以防止电池过充、过放电及电池温升。
先，其具有较低的电池温升，在高电流密度下也能保持其稳定性；其次，其具有较高的动力密度，能够实现高功率的放电；此外，碳基材料还具有较低的自放电率，能够更有效地提高电池的循环寿命。
碳基负极材料的出现，已经为电池储能技术的发展带来了巨大的变革。
的出现不仅大大提高了电池的安全性和性能，还在微纳尺度上提高了电池的工作效率，为电池技术的发展奠定了坚实的基础。
前，碳基负极材料已经广泛应用于电动汽车、风力发电、太阳能发电等方面，有效改善了储能系统的稳定性和效率。
同时，碳基负极材料也存在一定的不足之处。
首先，其制备过程
复杂，成本较高；其次，碳基材料的稳定性及寿命仍有待改善。
为了在电池储能系统中发挥更大的效用，研究人员正在不断开发新型碳基材料，如能量型碳基负极材料，以提高电池的安全性和性能。
综上，碳基负极材料已被大量应用于电池储能领域，其优越的储能性能及安全性，不仅大大提高了电池的稳定性和效率，还有助于电池技术的发展。
然而，由于其制备过程复杂，需要不断开发新型碳基材料，以改善其稳定性及寿命，为电池储能技术的发展提供完整的解决方案。