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化学工业与工程
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玻璃钢/复合材料
2020年 37卷 1期
刊出日期 2020-01-15
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能源存储材料和器件专辑
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2020 Vol. 37 (1): 0-0 [
摘要
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能源存储材料和器件专辑
1
贺艳兵
序:能源存储材料和器件驱动低碳发展
一次能源的过渡消耗和城市交通的大量排放是环境污染尤其是城市雾霾的主要污染源。发展新能源和电动汽车是解决环境污染和能源枯竭的根本途径，成为我国优化能源结构、振兴能源产业的重要组成部分，也是世界各国竞相发展的新兴产业。当前，在国家一系列政策的推动下，太阳能、风能等新能源和电动汽车虽然已经取得了一定的发展，但是规模化发展难以进行，最主要原因是新能源存储和电动汽车用储能和动力电池在能量密度、功率密度和循环寿命等方面仍然不能满足理想需求。因此，发展高性能储能器件及其关键材料对推动新能源和电动汽车的发展具有重要意义。
储能器件主要包括锂离子电池和超级电容器，已经得到规模化应用，学术界和产业界重点通过开发高能量密度、高功率密度和长循环寿命电极材料来提高锂离子电池和超级电容器的综合性能。为了提高锂离子电池的安全性，固态电池及其固态电解质成为锂电池的重要研究方向；为了提高锂电池的能量密度，锂金属、硅碳、氧化物和硫化物等负极材料，富锂锰基固溶体和高镍三元正极材料也是研究重点。此外，新型储能器件如锂硫电池、钾离子电池、钠离子电池燃料电池也得到大量的研究，但主要集中在高性能电池材料开发，还未实现产业化。因此，未来需要进一步开发可实用化的电池材料，加强新型储能器件的产业化技术研究。
为了集中地报道能源存储材料和器件方面的最新研究进展，我们组织了本期专辑，内容涵盖了当前能源存储材料和器件的热点研究方向和领域，主要包括锂离子电池固态聚合物电解质、富锂锰基正极材料、三维锂金属负极、锂硫电池正极材料、超级电容器电极材料、钾离子电池炭负极材料、WS
2
纳米电极材料、燃料电池催化剂等方面的研究。专辑内容系统、深入、全面，涵盖了上述领域的重要研究成果和进展，尤其包括专辑论文作者对该研究方向的理解和解读。本专辑对科研工作者及时了解该领域的发展动态和推动我国在该领域的发展将有很大帮助。
本人非常荣幸受邀作为特邀编辑组织这期专刊，诚挚感谢本期文章的所有作者，感谢他们高水平的研究论文和专题评述，感谢他们将能源存储材料和器件研究成果、研究心得和理解撰写成文贡献给本专辑，使本专辑高效率完成并与读者分享其中的精彩内容；同时感谢本专辑所引用高水平研究成果的所有作者。希望本专辑能够为我国储能材料和器件的发展和人才培养贡献力量。
2020 Vol. 37 (1): 1-1 [
摘要
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1926
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541KB] (
718
)
2
陈立坤, 胡懿, 马家宾, 黄妍斐, 俞静, 贺艳兵, 康飞宇
Li
+
电池固态聚合物电解质研究进展
固态聚合物电解质具有高安全性、高成膜性和黏弹性等优点，并与电极具有良好的接触性和相容性，是实现高安全性和高能量密度固态Li
+
电池的重要电解质体系。然而聚合物电解质室温离子电导率较低（10
-8
~10
-6
S·cm
-1
），不能满足固态聚合物电池在常温运行的需求。因此，在提高离子电导率、机械强度和电化学稳定性等本征属性的基础上，同时探究改善电解质/电极的界面处及电极内部的离子输运是研发固态聚合物Li
+
电池面临的关键问题。主要从改性聚合物电解质用以提高Li
+
电池电化学性能的角度出发，综述了凝胶聚合物电解质、全固态聚合物电解质和复合固态电解质中的离子输运机制及其关键参数，总结了近年来聚合物电解质的最新研究进展和未来的发展方向。
2020 Vol. 37 (1): 2-16 [
摘要
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3184
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10948
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17
李艳梅, 郝国栋, 崔平, 伊廷锋
超级电容器电极材料研究进展
化石燃料的枯竭、环境污染以及清洁能源输出不连续性和不稳定性是目前社会电力发展需求中的主要问题，在各种电化学储能技术中，超级电容器因具有充放电速度快、使用寿命长、功率密度大而被广泛研究。在众多影响超级电容器的因素中，电极材料对其整体性能起到决定性作用。综述了超级电容器用电极材料，如碳基材料、导电聚合物、金属氧化物和氢氧化物、金属硫化物的储能机理及其研究进展。最后，对目前电极材料研究所面临的挑战及未来发展方向进行了展望。
2020 Vol. 37 (1): 17-33 [
摘要
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4161
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978
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34
刘彦辰, 陈雅芬, 王静, 武俊伟, 贺艳兵
富锂锰基材料的电压衰减与改性策略
富锂锰基正极材料
x
Li
2
MnO
3
·（1-
x
） LiMO
2
凭借高比容量和低成本的优势，被认为是未来最有潜力的锂离子电池正极材料。然而富锂锰基材料难以解决的电压衰减问题，缩短了富锂锰基材料的循环寿命，限制了富锂锰基材料的产业化进程。围绕富锂锰基材料的电压衰减问题进行阐述，总结了电压衰减对晶体结构的影响，介绍了影响富锂锰基材料电压衰减的因素，并给出了缓解富锂锰基材料电压衰减的改性策略，展望了富锂锰基正极材料的应用和发展方向。
2020 Vol. 37 (1): 34-44 [
摘要
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2554
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45
田晓冬, 王腾飞, 宋燕, 刘占军
钾离子电池炭负极材料的研究进展
随着社会对大规模储能系统需求的不断攀升，迫切需要开发可持续、低成本的新型电池技术。鉴于钾离子储量丰富、成本可控，钾离子电池近年来受到越来越多关注。不仅介绍了目前研究较多的几种炭基材料及其储钾性能，还尝试总结了炭基材料可能的储钾机理，展望了钾离子电池用炭基电极材料面临的问题及未来发展方向。
2020 Vol. 37 (1): 45-57 [
摘要
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3309
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8408KB] (
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)
58
柏玲, 方言武, 谷小天, 蔡宇晴, 张宸宇, 张恩聪, 余学治, 高陈陈, 张萌, 黄镇东
WS
2
纳米结构的构筑及其储能性能研究
针对市场对于高性能储锂、储钠负极材料的巨大需求和解决金属硫化物存在的关键制约问题，设计并开发了一系列纳米棒、纳米块和微米球等不同形貌和纳米结构的硫化钨，研究了形貌和石墨烯表面修饰对硫化钨储能性能的影响。研究结果表明：相比于WS
2
纳米块和WS
2
微米球，WS
2
纳米棒比表面积更大、结晶性更好，展现了更好的储能性能。进一步通过冷冻干燥法，在WS
2
纳米棒表面包裹上一层石墨烯，有效地提升了所制硫化钨的循环稳定性和倍率性能。在500 mA·g
-1
下循环500圈，其储钠放电容量仍保持在65.9 mAh·g
-1
，在1 000 mA·g
-1
下循环500圈，其储锂放电容量可保持在288.3 mAh·g
-1
。
2020 Vol. 37 (1): 58-68 [
摘要
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3078
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69
李慧君, 武宏钰, 王晓敏
N掺杂石墨烯负载Pt-Sn催化剂的制备及电催化性能研究
氮掺杂石墨烯负载Pt在直接乙醇燃料电池（DEFCs）中表现出较好的性能。Pt的高成本极大地限制了DEFCs的商业化应用。因此，采用一系列不同浓度水合肼还原氧化石墨烯的简单方法，合成了氮掺杂石墨烯负载Pt-Sn （Pt-Sn/G-N）。研究了Pt-Sn/G-N催化剂纳米粒子的均匀分散对乙醇氧化的电催化活性影响。通过控制不同的氮含量，进一步研究了Pt和Sn金属颗粒最适宜协同效应的比例。结果表明：当氧化石墨烯与水合肼的质量比为1∶7时，催化剂的Pt和Sn负载均最大，Pt与Sn的比值为1.41，Pt/Sn合金的平均粒径最小（1.8 nm）。此外，与其他催化剂相比，Pt-Sn/G-N （1∶7）具有最高的电催化活性，稳定性好，抗CO中毒能力强。即Pt-Sn/G-N （1∶7）的Pt与Sn实现了催化协同作用，为Pt-Sn催化剂在直接乙醇燃料电池（DEFCs）中的应用提供了更多的途径。
2020 Vol. 37 (1): 69-76 [
摘要
] (
2394
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1412
)
77
魏慧洁, 柳勇, 王飞, 翟小亮, 任凤章
石墨烯基自支撑夹层材料在锂硫电池中的研究进展
近年来，高比能锂-硫电池作为最具前景的新能源储存装置之一引起了人们的广泛关注。然而，在该电池体系中，中间产物聚硫化物的溶解造成的穿梭效应会明显降低电池的循环性能和硫利用率，严重阻碍锂-硫电池的推广应用。综述了近年来石墨烯和石墨烯基复合自支撑中间层材料在锂-硫电池中的应用，例如，通过物理或化学限域的方法减缓多硫化物的穿梭并改善锂-硫电池电化学性能等，并对石墨烯基复合自支撑中间层材料未来在锂硫电池中的实际应用进行了展望。
2020 Vol. 37 (1): 77-87 [
摘要
] (
5114
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5685KB] (
1296
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88
邹品娟, 熊训辉
三维锂金属负极的研究进展
金属锂具有高的理论比容量（3 860 mAh·g
-1
），低的电极电位（-3.04 V与标准氢电极相比）和低的密度（0.53 g·cm
-3
），是最有前途的锂二次电池用的负极材料。但仍存在循环过程中枝晶生长及其导致的低库伦效率、短循环寿命等问题。而3D锂金属负极因具有高比表面积和内部空腔能有效缓解上述问题。特别是纳米技术的发展为3D锂金属负极提供了更高效的形貌与结构。基于金属基和碳基3D锂金属负极对三维锂金属负极的设计及研究进展进行了详细的概述。
2020 Vol. 37 (1): 88-95 [
摘要
] (
2745
) [
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2141KB] (
881
)
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