金属锂以其高比容量和低电化学势被认为是理想的高能量密度负极材料。然而由于液态金属锂电池中金属锂不均匀沉积形成的锂枝晶易刺穿隔膜导致电池内部短路,存在严重的安全隐患,很大程度上限制了高能量密度金属锂电池的发展。目前,通过引入电解质添加剂、构建保护层或采用固态电解质等手段来构造坚固而稳定的SEI层,从而缓解锂金属阳极存在的问题。但仅限于低电流情况下,在快速充放电过程中,即使相间设计良好,金属锂的体积变化也会导致SEI出现破损。最近,具有垂直排列通道的多孔主体材料陆续被研究者开发,可为离子和电子提供快速的传输通道,从而促使整个电极上的Li+和Li沉积分布更加均匀。但是其占电极的70%以上,大大降低了复合锂阳极的能量密度。而轻质多孔聚乙烯和玻璃纤维是垂直锂阳极阵列并实现“侧沉积”的理想选择。但可惜的是,受疏油性表面或低电活性表面积的限制,这些不导电主体材料无法满足商用锂阳极3 mAh cm-2面积容量的目标。而且,值得一提的是,尽管由于脆性SEI的形成,商业上使用的碳酸盐电解质对于锂金属阳极并不是很好,但是考虑到氧化稳定性、安全性和成本等问题,碳酸盐电解质无疑是较好的选择。因此,迫切需要新的方法来确保在商用碳酸盐电解质中,锂金属阳极在大电流和容量下保持长循环稳定性。
高比表面积的多孔碳纳米片是最具发展前景的超级电容器电极材料,但其高孔隙体积导致密度相对较低,体积电容较差。在这项工作中,通过一种新型的D -葡萄糖酸钙爆炸技术,成功地合成了具有支柱支撑的三维非聚集结构的氮掺杂分层多孔碳纳米片(SNPCNS)。通过调节热解温度、热解时间、D -葡萄糖酸钙与脲醛树脂的质量比,优化SNPCNS的比表面积、孔容和电容性能。优化后的SNPCNS具有较高的比表面积(539 m2g-1),丰富的表面杂原子(N: 8.1 %)和高密度(1.1 1 g cm-3)。因此,由SNPCNS电极组装的超级电容器具有非常高的重量/体积电容286 F g-1/317 Fcm-3(在6M KOH)和355 F g-1/ 394 F cm-3(在1M H2SO4中)。重要的是,高重量/体积能量密度为40.5 W h kg-1/ 44.9 W h L-1(在离子液体中),优于以前报道的基于碳纳米片的对称超级电容器。这项工作为高性能多孔碳纳米片的大规模低成本生产提供了新的策略。
锂-金属阳极因其高理论比容量(~3860mAh g 1)和低氧化还原电位(3.04 V vs. NHE)而被公认为可充电电池的圣杯。单质硫是一种很有前途的阴极材料,具有同样大的理论容量1675 mAh g−1。锂硫(LiS)电池将锂阳极与硫(S)阴极耦合,具有高比能(~2600Whkg-1)和巨大的能源密集型应用潜力。然而,有两个关键的障碍限制了它的应用:锂-金属阳极的界面不稳定和硫阴极中可溶性中间多硫化物的穿梭。
在电动汽车等领域,可充电锂离子电池得到了广泛应用。然而,这些电池在温度过高时可能停止工作并着火。在一定程度上,这是因为电池内部的电解质具有易燃性。据外媒报道,斯坦福大学(Stanford University)与SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的研究人员共同开发了一种不易燃的锂离子电池电解质。使用这种电解质的电池在高温下仍能继续工作,而不会起火。
为实现“碳中和、碳达峰”的目标,亟需寻找下一代清洁的高能量密度电池。与石墨负极相比,锂金属负极展现出高理论容量(3860 mA h g-1)和低的电位。然而,金属锂的超高反应活性、固体电解质中间相(SEI)的生成与破裂、锂枝晶的产生,导致了低的库仑效率(CE)低,甚至会导致电池内部短路、过热及起火。在前期研究中,中国科学院苏州纳米所蔺洪振团队等构筑人工SEI层调控Li传输以抑制枝晶的形成;引入活性催化剂/活化剂改变界面位点活性,可以降低锂扩散与反应势垒,以获得长的锂电池循环寿命。
钠离子电池(SIB)是一种新型储能技术,由于钠矿石来源丰富且成本低廉,被广泛认为是锂离子电池(LIB)的有前途的替代品。商用锂离子电池负极材料在酯基电解液中储钠能力较差(31 mAh g−1),较低的插入电压容易导致钠镀层和枝晶形成,造成安全隐患。钛基材料以其高活性、低成本和环境友好等优点吸引了研究人员的兴趣。但是其宽温适应性和循环寿命仍然是阻碍其实际应用的基本问题。
锂(Li)电池一直被认为是一种可靠的清洁能源储存技术。然而,基于石墨负极材料的现有锂离子电池的能量密度无法满足长途汽车驾驶等实际应用的要求,用金属锂取代石墨阳极被认为是进一步提高锂电池能量密度的可行途径,因为金属锂具有低氧化还原电位(-3.04 V,相对于标准氢电极)和高比容量(3,860 mAh g-1)。然而,锂阳极在充电过程中容易产生枝晶,导致库仑效率低下,甚至引发灾难性的安全隐患(例如内部短路),这严重阻碍了锂电池的实际应用。