储能器件的安全性能、耐热性能、电解液研究等相关科技近期进展汇总

1. 混合电解质“保驾”高安全性、高压锂离子电池

期刊：Journal of Power Sources , 2018, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.060

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304038

背景：锂离子电池(LIB)作为目前最受欢迎的化学电源之一，具有能量密度高、循环寿命长、环境影响小等优点，其作为混合动力汽车(HEV)和插电式电动汽车(PHEV)的动力源也是当前的研究热点。电解质作为锂离子电池的重要组成部分之一，在很大程度上影响着电池的性能和安全性，目前，液态电解质由于成本低、制备方便、离子电导率高等优点占据着市场主导地位。然而，电解质高度易燃的特性往往会加剧电池的热失控，导致火灾甚至爆炸等危险现象。而固态电解质因为它可以克服液体电解质遇到的大多数安全问题，如泄漏、挥发等，是一种很有潜力的高安全性储能系统，但在制造和对固态电解质技术的基本理解方面仍存在许多挑战，例如，固体聚合物电解质的离子导电率通常过低，不能在室温下进行电池操作，因此开发混合电解质现在被认为是克服上述挑战的一种新策略。

成果进展：本工作报道了一种用于高电压锂离子电池的混合电解质，期望能有效地提高电池的安全性，将硅烷-Al₂O₃(Al₂O₃-ST)与固体电解质和液体电解质的优点结合起来制备出一种混合电解质，Al₂O₃-ST纳米粒子有助于提高锂离子的迁移数和电池的安全性，而液体电解质有助于提高锂离子的迁移率和电池的安全性。采用该混合电解质提高了LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li电池的循环稳定性和倍率容量，钉穿实验表明，采用混合电解质的LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂/石墨电池具有明显的安全性。

2. 耐高温高效锂离子电池——TiSnSb材料

期刊：Journal of Power Sources , 2018,  DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.068

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304117

背景： 开发寿命超过十年的高温应用高效锂离子电池仍然是当前电池研究人员面临的最具挑战性的问题之一，主要在于高温下电池内部会发生严重的电解质降解，导致电极/电解质界面电阻化、性能衰减、寿命减短，为了克服这种限制，最简单、经济和有效的方法是使用电解液添加剂；而在高温下稳定电解质反应性的另一种方法是用更稳定的盐如LiBOB代替常用的不稳定的LiPF₆盐。其中碳基材料是最常用的负极，但是在高温下的循环和储存也显示一定的短板；然而，负极为过渡金属氧化物和后过渡元素时，只有很少的研究报告显示其具有高温性能；近年来，以CMC为粘结剂，FEC和VC作为电解质添加剂的TiSnSB材料是一种很有前景的负极材料，其性能可以得到了很好的改善。

成果进展：本工作报道了在高温下一种具有较好寿命的电极材料——TiSnSb，含有1M LiPF₆ EC：PC：3 DMC+ 5%FEC 1%VC电解液的TiSnSb/Li纽扣电池在60℃温度下还具有较好的库伦效率和极化性能。为了解释这一意外现象，通过互补气相色谱结合电子冲击质谱(GC/MS)和X射线光电子能谱(XPS)表征对电化学性能进行了详细分析。XPS结果表明，由于电解液的比活性，在60℃处的TiSnSb电极表面形成了更稳定、钝化程度更严重的SEI膜，GC/MS表征分析表明，在60℃时FEC/VC添加剂只有部分消耗/反应，但是在25℃时添加剂完全被消耗且EC溶剂退化严重。因此，XPS和GC/MS的研究结果可以确定在60°C时TiSnSb/纽扣电池仍具有优良的电化学性能。

3. 通过层状/尖晶石相的调谐增强Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂正极材料的电化学性能

期刊：Journal of Solid State Electrochemistry, 2018, DOI: 10.1007/s10008-018-3953-8

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10008-018-3953-8

背景：近几十年来，锂离子电池(LIBs)因其在便携式电子设备、电动汽车和大规模智能电网中的实际应用而受到世界各国的关注，随着电动汽车和化学储能设备的迅速发展，迫切需要寻找高能量密度的锂离子电池以满足工业应用的需要。锂离子电池的能量密度取决于电极材料的比容量和氧化还原电位，尤其是正极电极材料，但LiCoO₂和LiFePO₄等典型正极材料的极限容量不能满足电动汽车中能量/功率密度的增加要求，因此寻求高能量密度的正极材料是这一领域最重要的工作。层状富锂锰氧化物由于其高容量和高工作电压，引起了相当大的注意，但是有许多阻碍其实际应用的缺点，包括第一周期不可逆的容量损失、容量衰减和电压衰减，尤其是长期循环过程中富锂材料不理想的尖晶石状生长。近几年来，为克服这些缺点和改进这些缺点，人们作出了许多努力，如元素掺杂、表面改性和结构设计等。其中，层状/尖晶石杂化结构富锂正极材料的制备是当前国际上研究的热点，然而，通过传统的样品制备方法很难调节LLO/尖晶石材料中尖晶石相的含量。

成果进展：本篇工作采用改进的一步溶剂热法合成了Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂(LNMO)正极材料，结构表征表明，所有样品均由层状和尖晶石相组成，尖晶石相含量可通过Na掺杂或还原锂在LNMO材料中调谐，尖晶石相含量由2.6%增加到9.2%。结果表明，该系列样品的电化学性能与尖晶石相含量密切相关，尖晶石相含量最大的缺锂样品具有最佳的循环性能和倍率性能。缺锂样品在5C速率下放电容量为118.9 mAh/g，在0.1C下循环50次后容量保持率为89.4%，而电流密度为5C时，钠掺杂量为x=0、0.01和0.02C时电容值分别为66.7、27.4和2.7mA/g。尖晶石相含量较高的电极具有良好的循环性能和倍率性能，其原因是尖晶石骨架中的三维锂离子扩散通道较多，通过适当的调谐尖晶石相比例可以改善层状结构的相对稳定性。

4. 多孔石墨烯薄膜紧密堆积制备高体积容量超级电容器

期刊：Electrochimica Acta , 2018, DOI: 10.1016/j.electacta.2018.04.156

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468618309174

背景：石墨烯是由于其优异的物理、化学和力学性能，在各个领域得到了广泛的研究，近年来石墨烯基超级电容器由于其的良好导电性、较大的理论比表面积和较高的理论电容而被广泛研究。石墨烯直接用作电极材料时，其可能发生团聚和再沉积会引起的电解质离子传输通道减少，使得石墨烯基超级电容器的电化学性能低于理论值，进一步阻碍了其实际应用。为了满足电极材料高电化学性能的要求,石墨烯的结构和性能需要优化,如设计新型结构、掺杂元素改性和空穴刻蚀等。其中适当的层间距和多孔结构是制造高性能电容的关键因素，因此，多孔石墨烯(PG)作为石墨烯改性的产物之一，解决了石墨烯基电极材料的一些缺陷并且实现了高电容性能，得到了广泛的研究。电池、超级电容器等储能装置在实际工业中应用于各种机械设备时，都倾向于设计相对较轻、体积较小的储能装置，因此实际应用中对高密度电极材料的要求越来越高。尽管制备方法多种多样，但要得到均匀的多孔构型和具有高容量电容的致密填充石墨烯电极仍然面临着巨大的挑战。

成果进展：本工作报道了在室温下，用醋酸锌刻蚀制备得到多孔氧化石墨烯(PGO)，然后用模板辅助法制备致密填充的多孔石墨烯薄膜(PGF)，在6.0M KOH电解液中，当电流密度为1A/g时，多孔PGF电极材料的体积电容(C_v)高达318.8 F/cm³，且具有良好的循环稳定性。在电流密度为5 A/g的条件下，10000次充放电循环后的电容保持率为88%，组装成对称超电容后的电容保仍能保持219.0 F/cm³ (电流密度为1A/g)，循环稳定性为113%(电流密度为5 A/g时10000次充放电循环)，因此PGF在高性能储能器件中具有广阔的应用前景。

5. 自支撑凝胶聚合物电解质——提升超电热稳定性和电化学稳定性

期刊：Journal of Power Sources , 2018, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.073

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304166

背景：在所研究的电化学储能系统中，超级电容器(SC)特别是电化学双层电容器具有很高的功率性能，可以与电池一起结合使用，其中EDLCs通常由两个电极组成，电极之间用浸有液体电解质的多孔膜隔开，但是隔膜仍存在不可避免的问题，如电解质泄漏、腐蚀或包装复杂等。解决这些问题的方法之一就是设计超级电容器可使用的固态电解质(SSES)。固态电解质是一种通常由聚合物组成的离子导电材料，它们可以作为具有双重功能的电解质/隔膜，即防止两个电极之间的接触，以避免短路并允许两个电极之间存在有良好的离子迁移性。固体凝胶聚合物电解质可分为三类：水凝胶(含水)、有机凝胶(含有机溶剂)和离子凝胶(含离子液体)，现如今研究者们将固体电解质的优点与液体电解质的高离子导电性结合起来，也就是将大量的液体电解质与聚合物基体结合形成稳定的凝胶，该中凝胶电解质具有广阔的应用前景。

成果进展：本工作报道了一锅法合成的一种自支撑凝胶聚合物电解质，该凝胶聚合物电解质是由聚环氧乙烷(PEO)网络和非交联丁腈橡胶(NBR)聚合物网络组成的自支撑结构，制备得到的自支撑凝胶聚合物电解质以薄膜形式作为固态电解质，并作为隔膜用于单壁碳纳米管(SWCNTs)纸基超级电容器。文章中的热分析表明合成的薄膜电解质在较宽的操作温度范围内都是适宜的，在20℃时，自支撑凝胶聚合物电解质的电化学稳定性接近纤维素隔膜系统(ESW∼3.2-3.6V)，且相对于电池的稳定性较高。此外，在100°C（保持电压为2V）下的浮动实验显示SGPE具有极高的稳定性，500小时测试后的剩余电容为93%，这种高电化学性能显示了semi-IPN SGPE作为高性能超级电容器隔膜/电解质的潜力。

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