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    1. 钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展
    殷秀平, 赵玉峰, 张久俊
    电化学(中英文)    2023, 29 (10): 2204301-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2204301
    摘要3705)   HTML92)    PDF(pc) (4161KB)(3890)    收藏

    本文系统地总结了近年来钠离子电池中硬碳负极材料的研究进展以及相应储钠机理的发展历程,并从结构设计和电解液调控两方面综述了硬碳材料性能的提升策略。简述了前驱体的选择、碳化温度、预处理、造孔剂、杂原子掺杂、材料复合、电解液调控以及预钠化等策略对硬碳负极材料储钠性能的影响。本文为高性能低成本硬碳材料的设计合成和电解液匹配提供了新的见解,并展望了未来硬碳负极材料进一步研发的方向。

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    2. 第29卷第6期封面和目次
    电化学(中英文)    2023, 29 (6): 0-0.  
    摘要60)      PDF(pc) (102768KB)(3827)    收藏
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    3. 固态锂硫电池研究进展
    罗宇, 马如琴, 龚正良, 杨勇
    电化学(中英文)    2023, 29 (3): 2217007-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217007
    摘要945)   HTML428)    PDF(pc) (4674KB)(3408)    收藏

    固态锂硫电池具有高能量密度和高安全性的潜在优势,被认为是最有前景的下一代储能体系之一。虽然固态电解质的应用有效地抑制了传统锂硫电池存在的“穿梭效应”和自放电现象,固态锂硫电池仍面临着多相离子/电子输运、电极/电解质界面稳定性、化学-机械稳定性、电极结构稳定性和锂枝晶生长等关键问题亟待解决。针对以上问题,本综述对近年来固态电解质、硫基复合正极、锂金属及锂合金负极以及电极/电解质界面的研究进行了详细的论述。作为固态锂硫电池的重要组成部分,固态电解质近年来受到了研究者们的广泛关注。本文首先对在锂硫电池中得到广泛应用的聚合物基、氧化物基、硫化物基固态电解质的种类和性质进行了概述,并对其在固态锂硫电池中的最新应用进行了系统的总结。在此基础上,对以单质硫、硫化锂、金属硫化物为活性物质的复合硫正极、锂金属及锂合金负极的反应机理以及面临的挑战进行了归纳和比较,对其解决策略进行了总结和分析。此外,对制约固态锂硫电池性能的电极/电解质界面离子/电子输运以及界面相容性问题及其改性策略进行了系统的阐述。最后,对固态锂硫电池的未来发展进行了展望。

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    4. 多孔陶瓷支撑型管式固体氧化物电解池性能研究
    汪恒吉, 陈文国, 全周益, 赵凯, 孙毅飞, 陈旻, 奥坚科·弗拉基米尔
    电化学(中英文)    2023, 29 (12): 2204131-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2204131
    摘要465)   HTML6)    PDF(pc) (9516KB)(2883)    收藏

    固体氧化物电解池是一种新型能源转换技术,能实现间歇式能源到氢能的高效转化,为能源的有效利用提供了新途径。本文针对固体氧化物电解池金属镍基阴极支撑体在电解过程中的局部氧化以及由此引发的电池结构稳定性问题,提出了一种多孔氧化钇稳定的二氧化锆(YSZ)支撑型管式固体氧化物电解池,其构型为多孔YSZ支撑体/Ni-YSZ燃料极电流收集层/Ni-YSZ燃料极电化学催化层/YSZ/Ce0.8Sm0.2O1.9双层电解质层以及La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ空气电极,研究了造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)的含量对多孔YSZ支撑体的孔隙率、孔径分布和支撑体机械强度的影响,考察了电解池在H2O-H2气氛中的电化学电解性能。研究结果表明,当PMMA含量为25wt.%时,电解池具有最优的综合力学性能和电解催化活性,在750 °C的工作温度下,电解池的产氢气速率为3 mL·min-1·cm-2,电解池在10次升降温热循环过程中电解性能衰减为~5%,表现出优良的电解稳定性。本研究结果验证了多孔YSZ支撑型管式电解池的应用可行性。

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    5. 固态锂硫电池综述:从硫正极转化机制到电池的工程化设计
    贾欢欢, 胡晨吉, 张熠霄, 陈立桅
    电化学(中英文)    2023, 29 (3): 2217008-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217008
    摘要836)   HTML208)    PDF(pc) (3083KB)(2470)    收藏

    锂硫电池具有超高的理论能量密度(2567 Wh·kg-1),且其实际能量密度最高可达600 Wh·kg-1。然而,液态体系的Li-S电池和传统锂电池一样存在着安全隐患。用固态电解质取代电解液有望提高锂电池的安全性能,在近二十年受到了广泛的研究。对于固态锂硫电池来说,除了由于正极材料本身的不同带来的转化机制上的差别,固态电解质的物理化学性质也会显著影响其电化学行为。这篇综述分类讨论了已报道的不同固态锂硫电池体系在性能上的优缺点及其中主要的失效机制,对其能量密度低、循环稳定性差的原因及改善电池综合性能的策略进行了归纳分析,旨在从固态锂硫电池微观机制到全电池水平的工程化设计提供全面的理解,推动固态锂硫电池的进一步发展。

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    6. 锂硫电池电解液功能性添加剂研究进展
    张修庆, 唐帅, 付永柱
    电化学(中英文)    2023, 29 (4): 2217005-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217005
    摘要1181)   HTML342)    PDF(pc) (4829KB)(1490)    收藏

    由于具有能量密度高、成本低等优点,锂硫电池成为最有前景的下一代电池体系之一。然而,锂硫电池的实际应用仍面临着严峻挑战,如硫和硫化锂的低电导率、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶的生长等。通过电解液的优化,可以改善电极|电解质界面,减弱副反应,提高电池性能。其中,电解液中的功能添加剂能有效调节电极界面和电池的氧化还原机制。本文系统性总结了锂硫电池添加剂的最新研究进展,并根据添加剂对锂金属负极的保护作用和对硫正极的稳定作用进行了分类。另外,本文详细讨论了添加剂在硫正极的作用,如抑制多硫化物的溶解和穿梭、充当氧化还原介质、激活硫化锂的沉积与溶解等。最后,本文展望了锂硫电池添加剂的发展前景,希望能对高性能锂硫电池电解液的设计提供借鉴。

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    7. 超微电极实验:基本原理、制备方法和伏安性能
    马桢, 林佳阳, 南文静, 韩联欢, 詹东平
    电化学(中英文)    2023, 29 (7): 2216002-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2216002
    摘要1016)   HTML32)    PDF(pc) (1283KB)(1118)    收藏

    超微电极电极尺寸小,双电层电容小,IR降小,传质速率快,响应快,信噪比高,兼具时间和空间分辨率,不仅可以研究快速电极反应动力学性质,而且可以作为电化学扫描显微镜探针,实现基底反应活性的成像,在电化学各个领域均有重要应用,成为一种重要的电化学实验方法。本文将扼要介绍超微电极的基本原理、一种简易的制备方法及其伏安性能的表征实验,以期对开展超微电极实验研究的电化学工作者有所裨益。

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    8. PEG水系电解液用于高性能锌碘双离子电池
    屈小峰, 唐宇婷, 何鑫程, 周佳晟, 唐子恒, 冯文华, 刘军
    电化学(中英文)    2023, 29 (11): 211026-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.211026
    摘要971)   HTML18)    PDF(pc) (25108KB)(1112)    收藏

    碘因来源丰富和具有较快的氧化还原反应动力学使其作为电池的正极材料而倍受青睐,然而,由于碘单质在电解液中的高溶解性而带来的穿梭效应,使得电池的性能下降。本文在水系锌离子电解液中添加聚乙二醇(PEG400)和碘化钾,PEG400能与碘发生络合,抑制了单质碘和碘离子生成碘三离子(I3-)的反应,进而避免了碘的溶解;最后,该电解液搭配双层碳布集流体、锌片及双层隔膜组装成电池,在1 mA·cm-2电流密度下,首圈容量可达1.62 mAh·cm-2,参与氧化还原反应碘占该电池电解液中碘质量的47.52%,库仑效率为93%左右;而在7 mA·cm-2高电流密度下,库仑效率可达98%左右,循环1200圈后,循环保持率为58.33%。

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    9. 基于从头算分子动力学的金属/氧化物-水界面能带排列
    庄永斌, 程俊
    电化学(中英文)    2023, 29 (7): 2216001-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2216001
    摘要812)   HTML1327104020)    PDF(pc) (2412KB)(1019)    收藏

    金属/氧化物的界面能带排列对于理解电化学界面有至关重要的作用。本文介绍了如何基于从头算分子动力学模拟得到金属/氧化物-水界面的能带排列。计算能带排列可与实验能带排列直接进行比较,以获得该电位下分子层面上的理解。金属界面的能带排列可与实验测定的零电荷电位对比,半导体氧化物界面的能带排列可与实验上零电荷点下测定的平带电势相比较。

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    10. 碱性电解槽三维两相CFD模拟研究
    高玲玉, 杨琳, 王晨辉, 单桂轩, 霍欣怡, 张梦飞, 李韡, 张金利
    电化学(中英文)    2023, 29 (9): 2207081-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2207081
    摘要1021)   HTML32)    PDF(pc) (7051KB)(972)    收藏

    电解槽的结构和运行参数对碱性水电解的性能起着重要作用。针对工业碱性水电解槽紧凑的装配结构,特别是在电流密度大于5000 A·m-2时,本文首次建立了耦合电场和欧拉-欧拉k-ε湍流流场的三维数值模型,以准确模拟碱性水电解槽的性能。将模拟结果与实验数据进行比较,验证了模型的准确性。通过电解槽内部电场和流场特性的反馈,确定了适合的浓度、流量的操作条件和流道结构的优化设计方法。适当增加电解液浓度和流速有利于降低槽电压。KOH水溶液的最佳浓度和流速分别为6.0 - 8.0 mol·L-1和30.0 - 45.0 mL·min-1。随着电极与隔膜距离的增加,欧姆过电压显著增加;流道高度和双极板上导流柱的排列方式对电压的影响微弱,但三角形排列的导流柱和流道高度的增加有利于提高流体的分布均匀度,适当增加导流柱之间的距离有利于降低槽电压。多流体出入口电解槽有利于产生更均匀的流体分布,流道高度对多出入口电解槽同样影响不大。宽导流柱间距的多流体出入口电解槽G-2.5-T-0-5-3,配合高流量,既能降低槽电压,又能提高电解质在电极面的法向流速,使电解槽发挥最佳性能。本工作对碱性水电解高效电解槽的放大设计和优化具有一定指导意义。

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    11. 铜互连电镀中有机添加剂的合成与分析
    翟悦晖, 彭逸霄, 洪延, 陈苑明, 周国云, 何为, 王朋举, 陈先明, 王翀
    电化学(中英文)    2023, 29 (8): 2208111-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2208111
    摘要745)   HTML25)    PDF(pc) (2649KB)(832)    收藏

    铜互连是保障电子设备的功能、性能、能效、可靠性以及制备良品率至关重要的一环。铜互连常通过在酸性镀铜液电镀铜实现,并广泛用于芯片、封装基材和印制电路板中。其中,有机添加剂在调控铜沉积完成沟槽填充、微孔填充以形成精密线路和实现层间互连方面起着决定性作用。添加剂主要由光亮剂、抑制剂和整平剂三组分组成,在恰当的浓度配比下,添加剂对于盲孔超级填充具有协同作用。目前,已报导的文献聚焦于代表性添加剂的超填充机理及其电化学行为,而对于添加剂的化学结构与制备方法鲜有深入研究。本文重点研究了各添加剂组分的制备工艺和快速电化学筛选方法,为电镀铜添加剂的未来发展提供理论指导。

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    12. 氮掺杂石墨毡对水系醌基氧化还原液流电池性能的影响
    张衡, 夏力行, 姜珊, 王福芝, 谭占鳌
    电化学(中英文)    2023, 29 (12): 2203231-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2203231
    摘要401)   HTML13)    PDF(pc) (5605KB)(810)    收藏

    电极的性能是实现水系醌基氧化还原液流电池(AQRFBs)高能量效率的关键。本文采用尿素水热反应对石墨毡(GF)进行改性,同时研究了水热反应时间对氮掺杂石墨毡表面官能团和结构的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、比表面积及孔隙度分析仪(BET)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)对改性电极的表面形貌、比表面积、碳缺陷、元素含量和表面官能团进行了表征。然后,通过循环伏安法、电化学阻抗谱和单电池循环对改性电极的电化学性能进行了研究。结果表明,氮掺杂提高了石墨毡的比表面积、亲水性和电导率。氮掺杂石墨毡(NGFs)具有优异的电化学催化活性和较低的电荷转移电阻。与GF相比,在100 mA·cm-2时,电池负极使用NGF-6电极后,醌基氧化还原液流电池的能量效率提高了8.0%。

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    13. 高性能锂硫电池用钴/碳复合材料硫宿主
    杨云锐, 董欢欢, 郝志强, 何祥喜, 杨卓, 李林, 侴术雷
    电化学(中英文)    2023, 29 (4): 2217003-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217003
    摘要599)   HTML168)    PDF(pc) (4726KB)(694)    收藏

    锂硫电池由于具有较高的能量密度而被认为是极具发展前景的储能设备之一。然而,硫正极遭遇迟缓的反应动力学、缓慢的电荷转移、大的体积膨胀、严重的多硫化锂穿梭效应,这些问题不可避免地导致锂硫电池表现出低的可逆容量、差的倍率性能、短的循环寿命,限制了锂硫电池的实际应用。本文总结了钴/碳复合材料(包括钴纳米颗粒和钴单原子)作为硫宿主的研究进展。总的来说,钴扮演着电催化剂的角色,能够抑制多硫化锂的穿梭效应,加快电化学反应动力学,促进离子/电子转移以及缓解体积膨胀。同时,我们展望了钴/碳复合材料作为锂硫电池硫宿主的发展前景。本工作可为钴/碳复合材料作为锂硫电池硫宿主提供完整的蓝图和建设性的建议,同时这些策略也可用于其他金属-硫电池。

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    14. 胺类添加剂对NCM811‖SiC电池热失控抑制效果研究
    侯博文, 何龙, 冯旭宁, 张伟峰, 王莉, 何向明
    电化学(中英文)    2023, 29 (8): 2211141-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2211141
    摘要645)   HTML25)    PDF(pc) (1361KB)(690)    收藏

    高镍三元电池的高能量密度是取代化石能源,推动清洁能源发展的核心优势,同时也是导致电池严重安全隐患的根本原因。初级胺类与次级胺类能与常见的含碳酸乙烯酯电解液发生开环聚合,从而形成正负极间隔离层,提高电池热安全性。本文基于胺类和电池组分间的化学反应,在电池材料层面和单体层面对电池的安全性展开了研究。在材料层面,利用差示扫描量热法测试锂离子电池中有无胺类添加剂对不同组分间的热稳定性影响。在单体层面,使用绝热加速量热仪对有无添加剂全电池的安全性进行测试,提取热失控特征温度。加入胺类添加剂后电池组分间部分化学反应被提前,同时总放热量明显减少,最大温升速率下降,电池热失控得到有效抑制。

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    15. 紫外光引发原位交联多功能粘结剂构筑稳固硫正极
    李莎, 湛孝, 王顾莲, 王慧群, 熊伟明, 张力
    电化学(中英文)    2023, 29 (4): 2217004-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217004
    摘要422)   HTML85)    PDF(pc) (2950KB)(686)    收藏

    锂硫电池因其高理论比容量和高能量密度的独特优势,在下一代储能体系中展现出重要的应用前景。然而,锂硫电池的商业化进程仍面临诸多挑战:如可溶性多硫化锂中间产物造成的“穿梭”问题、充放电过程中体积变化剧烈以及电极硫负载增大时的严重极化等,易导致硫正极的结构坍塌和电化学性能的快速衰变。电池作为一个有机整体,其性能优化是一个系统工程,上述挑战对电池内的每一个组分都提出了更高的要求,例如发展具有更好机械性能的新型粘结剂。在本工作中,我们首次在硫正极中引入乙氧基化三羟甲基丙烷三丙酸酯单体,通过紫外光辅助固化实现原位交联,并与传统聚偏氟乙烯粘结剂构成二元粘结剂(简称c-ETPTA/PVDF),用于制备高强度、高硫负载的长寿命锂硫电池。结果表明,采用共价交联的c-ETPTA/PVDF粘结剂不但能显著增强电极极片的机械性能,保持循环过程中的结构稳定性,还可借助其丰富的含氧官能团对溶解性多硫化锂中间产物进行高效地捕获。此外,c-ETPTA/PVDF中的醚氧键与锂离子之间适度的相互作用也有助于锂离子的快速输送。因此,S-c-ETPTA/PVDF电极在2 C倍率下可稳定循环1000次以上,且每个周期的容量衰减率仅为0.038%。即使当硫面载量提高至7.8 mgS·cm-2时,经过50个周期循环后,仍可输出6.2 mAh·cm-2的高平均放电面容量。本工作展示了紫外光引发原位交联技术在制备稳固的高能量密度锂硫电池方面的巨大应用前景。

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    16. 磷掺杂的Ru-Pt合金催化剂及其电催化碱性析氢性能
    黄荣钦, 廖卫平, 晏梦璇, 刘石, 李远明, 康雄武
    电化学(中英文)    2023, 29 (5): 2203081-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2203081
    摘要681)   HTML202)    PDF(pc) (2451KB)(672)    收藏

    可再生能源驱动电催化水分解产氢气在现代氢能及氢燃料电池可持续发展方面,有着极其重要的地位。其中,性能优良催化剂的设计与开发又是重中之重。本文重点发展了一种磷掺杂的铂-钌合催化剂(Ru-P)#Pt/C),TEM分析确认Ru金属纳米粒子的球形形态,XRD表征Ru纳米粒子以六方密堆积形式存在。XPS分析进一步说明了Ru以金属态存在,Pt的原子比在14.5%左右,且以轻微氧化的状态存在,表明其可能与P成键。(Ru-P)@Pt合金催化剂在碱性电解液中表现出优异的电解水析氢性能,在10 mA·cm-2的电流密度下的过电位仅为17 mV vs. RHE,Tafel斜率值为27 mV·dec-1,表明该催化剂析氢决速步为Tafel步骤。而同等条件下,仅P掺杂的Ru催化剂及Pt负载的P掺杂的CNT,其性能均远逊于该目标催化剂,表明了P与Pt共掺杂的协同作用。(Ru-P)#Pt/C合金催化剂经过24 h耐久性测试,其10 mA·cm-2的过电位及稳定性测试后LSV电流仅出现轻微衰退。这表明P掺杂的Ru-Pt合金催化剂中Ru、Pt、P活性位点间的协同作用,显著提高了电催化析氢活性与稳定性,为高性能碱性电解水析氢催化剂的设计打开了广阔的前景。

    图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    17. 暗场显微镜下的彩色“纳米星”
    静超, 龙亿涛
    电化学(中英文)    2023, 29 (6): 2218006-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2218006
    摘要438)   HTML179)    PDF(pc) (2752KB)(665)    收藏

    具有独特局域表面等离子共振散射特性的贵金属纳米粒子,在可见光区域表现出明显的吸收和散射光谱特性。在过去的几十年中,基于纳米金和纳米银溶液的可视化颜色传感器,被广泛应用在金属离子、生物分子、农药等灵敏检测。自2000年,暗场显微镜的出现,实现了纳米尺度下等离子共振散射光谱的精准获取,将传感尺度从传统的实验试管发展到单纳米颗粒界面。单颗粒检测消除了本体溶液中大量纳米粒子产生的平均效应,可提供更加准确的反应信息。纳米粒子的散射光谱主要取决于颗粒的尺寸、形貌、成分以及颗粒间耦合作用等,因此,具有特定散射颜色的单个纳米粒子,可以作为优异的纳米探针。这篇综述聚焦于单颗粒纳米传感,首先介绍了纳米粒子局域表面等离子共振的原理和发展历史。随后,主要讨论了单个贵金属纳米粒子作为颜色编码传感器,在生物分子、环境污染物以及能源等领域的应用,尤其是基于单颗粒的原位纳米光谱电化学传感及其在电催化反应中的应用。例如,利用纳米粒子的溶出和生长过程,精巧地设计了针对不同待测物的纳米探针。另一方面,对单纳米粒子结构演变过程的原位监测,也有助于对纳米材料制备机理的理解。最后,着重探讨了纳米颜色传感器信号提取放大的检测手段,包括将肉眼识别的颜色转换为可读的三原色信息以及偏振光检测技术等,进一步扩展单颗粒颜色传感的应用范围。

    图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    18. 金属和合金作为锂-硫电池硫正极催化载体
    王振宇, 高学平
    电化学(中英文)    2023, 29 (4): 2217001-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217001
    摘要480)   HTML96)    PDF(pc) (3728KB)(656)    收藏

    锂-硫电池具有2600 Wh·kg-1的理论能量密度,被认为是最具发展潜力的下一代能量存储体系之一。然而,锂-硫电池的应用严重受制于单质硫和放电产物(Li2S2/Li2S)迟滞的电化学反应动力学以及可溶性多硫化锂中间体的“穿梭效应”,这些问题导致电池的循环稳定性差、硫利用率以及库仑效率低下。将催化载体引入硫正极,可加快锂-硫电池中含硫物种反应速率,进而抑制活性物质溶解流失。这篇综述简要总结了金属和合金材料作为硫正极核心催化载体的最新研究进展,同时阐明了金属及合金载体对含硫物种的催化转换机理,最后对催化载体的构筑以及高能锂-硫电池的发展进行了展望。

    图表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    19. 质子交换膜燃料电池阴极催化层疏水性优化
    陈浩杰, 唐美华, 陈胜利
    电化学(中英文)    2023, 29 (9): 2207061-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2207061
    摘要571)   HTML27)    PDF(pc) (2641KB)(653)    收藏

    本文采用CCM法(catalyst coated membrane)技术,结合单电池极化曲线、电化学阻抗谱、极限电流法和表面接触角等多种表征技术,系统研究了直接聚四氟乙烯(PTFE)分子添加以及PTFE修饰的疏水性碳(PTFE@XC72)等不同疏水化方法对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阴极催化层电化学性能、氧气传输阻抗和质子传输阻抗的影响。在此基础上,通过构建PTFE梯度化疏水性结构来进一步优化PEMFC的性能。结果表明,与添加PTFE@XC72相比,直接添加适量的PTFE分子对膜电极(MEA)性能提升效果更为显著,这主要与该疏水结构可在维持高速质子传导的同时,极大降低催化层的氧气传输阻抗有关。当直接添加的PTFE与催化层中碳载体的质量比为0.1时,MEA呈现最好的性能。在添加PTFE@XC72的MEA中,由于额外的碳颗粒导致催化层厚度增加,延长了反应物质的传输路径,从而使得质子传输阻抗和氧气传输阻抗均上升。在此基础上,通过在催化层不同位置直接添加PTFE构建梯度化疏水性结构。结果表明,当适量PTFE靠近催化层与气体扩散层界面分布时,MEA呈现最好的性能,峰值功率密度比未经疏水性处理的膜电极高接近20%,氧气传输阻抗大幅降低。

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    20. 多活性中心双金属硫化物促进多硫化锂转化构建高性能锂硫电池
    化五星, 夏静怡, 胡忠豪, 李欢, 吕伟, 杨全红
    电化学(中英文)    2023, 29 (3): 2217006-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217006
    摘要761)   HTML108)    PDF(pc) (3349KB)(650)    收藏

    锂硫电池是极具应用潜力的下一代高能量密度电池体系之一。然而,其充放电中间产物多硫化锂的“穿梭效应”不仅消耗大量电解液,还导致硫活性物质利用率低、循环寿命短,是锂硫电池产业化进程中的主要瓶颈之一。引入催化剂加速硫活性物质转化速率,减少多硫化锂在电解液中的累积浓度,是抑制穿梭效应的有效解决策略。高效的催化剂应具备丰富的催化活性位点,以确保高效吸附多硫化锂并加速其向不溶的充放电产物转化。本文制备出硫掺杂石墨烯表面原位负载的双金属硫化物NiCo2S4(NCS@SG)并将其作为催化剂应用于锂硫电池的中间层。相比于单金属硫化物(CoS),NiCo2S4催化剂具有多活性中心催化位点,可以更好地吸附多硫化锂并促进其向放电产物快速转化。应用上述中间层后,电池的充放电比容量、库仑效率和循环稳定性得到了明显提升。当硫的负载达到15.3 mg·cm-2时,经过50次循环后,具有NCS@SG中间层的电池获得了高达93.9%的容量保持率。上述结果表明,设计双金属基催化剂是优化锂硫电池催化剂活性和反应效率的重要方向。

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    21. 应用于大马士革工艺的纳米孪晶铜脉冲电沉积研究
    王玉玺, 高丽茵, 万永强, 李哲, 刘志权
    电化学(中英文)    2023, 29 (8): 2209231-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2209231
    摘要623)   HTML12)    PDF(pc) (3782KB)(644)    收藏

    本文在前期优化的电镀液的基础上,使用脉冲电镀工艺获得了高密度的纳米孪晶铜。为了进一步揭示孪晶形成的影响因素,研究了系列MPS浓度在镀液中的作用。当镀液中并未添加MPS时,镀层由粗大的晶粒组成,平均晶粒大小为0.9 μm,晶粒内部含有少量的垂直或倾斜于膜面的孪晶界,镀层的晶粒取向为(110)和(111)共存,两者织构比例分别为49%和27.8%。从FIB微观组织观察和X射线衍射的结果可知,当镀液中添加10 ppm的MPS后,镀层组织变为柱状纳米孪晶铜组织,柱状晶内部含有高密度水平方向的孪晶界,同时晶粒取向变为高度择优的(111)。当MPS含量从10 ppm持续上升至40 ppm,镀层组织和晶粒取向无明显变化。具体地,当镀液中添加40 ppm的MPS时,镀层晶粒大小为0.6 μm,且镀层晶粒(110)和(111)的织构比例分别为3.45%和95.1%。这说明,可以通过MPS的含量调节提高纳米孪晶铜电镀液的填充能力,而纳米孪晶微观组织的形成并不受影响。基于上述结果,我们使用该电镀液配方及工艺进行了大马士革微盲孔的填充。结果表明,当MPS含量为40 ppm时,可以实现大马士革微盲孔的无孔填充。纳米孪晶铜电镀液填充能力的提升使得纳米孪晶铜在IC制造应用成为可能,很大程度上促进了下一代互连材料的发展。

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    22. FeNi-CoP/NC双功能催化剂的制备及电催化性能研究
    刘思淼, 周景娇, 季世军, 文钟晟
    电化学(中英文)    2023, 29 (10): 211118-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.211118
    摘要456)   HTML18)    PDF(pc) (7559KB)(620)    收藏

    以ZIF-67为前驱体,采用异原子掺杂、高温热处理等方法制备了含有多种过渡金属、非金属粒子的多孔碳材料作为锌-空气电池催化剂。通过SEM、XRD、XPS和电化学方法对催化剂进行物理化学表征和催化性能测试,最后组装成全电池进行充放电性能实验。结果表明,制得的FeNi-CoP/NC的ORR半波电位达到了0.83 V,高于商用的Pt/C催化剂;OER电流密度在10 mA·cm-2时过电位为290 mV并可平稳地保持12 h,显示了良好的催化活性与稳定性。全电池性能测试显示其峰值功率密度较高为150 mW·cm-2,在3 mA·cm-2电流密度下保持了0.6 V的较窄电势间隙。

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    23. 一体式可再生燃料电池双功能氧催化剂的研究进展
    郑天龙, 欧明玉, 徐松, 毛信表, 王释一, 和庆钢
    电化学(中英文)    2023, 29 (7): 2205301-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2205301
    摘要527)   HTML22)    PDF(pc) (1805KB)(616)    收藏

    双功能氧催化剂的催化活性及稳定性是决定一体式可再生燃料电池能否高效运作的关键因素之一。得益于分别对于氧还原及氧析出反应特定中间产物适当的结合能,铂与铱、钌及其氧化物所制成的贵金属催化剂,常被应用于一体式可再生燃料电池中作为双功能氧催化剂。同时,近年来对于非铂族双功能氧催化剂的研究也取得了较大进展。本篇综述从一体式可再生燃料电池中氧还原及氧析出反应的作用机理出发,首先着重对传统铂基双功能催化剂的构效关系进行了总结,其次介绍了钙钛矿型、尖晶石型氧化物、非金属等新型双功能氧催化剂的发展趋势。此外,本文对于该研究领域所存在的限制条件和发展路线也进行了总结与展望。

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    24. CeO 2电子调控FeNi纳米片大电流密度电解水催化剂
    丁明宇, 蒋文杰, 余天琦, 卓小燕, 覃晓静, 尹诗斌
    电化学(中英文)    2023, 29 (5): 2208121-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2208121
    摘要483)   HTML217)    PDF(pc) (3314KB)(588)    收藏

    开发高活性的大电流密度非贵金属双功能催化剂对于电解水制氢的发展意义重大。本文通过水热法和高温退火处理制备了自生长在泡沫镍上的CeO2电子调控的FeNi双金属复合物多孔纳米片(NiFe2O4-Fe24N10-CeO2/NF)。电化学测试结果表明,NiFe2O4:-Fe24N10-CeO2/NF 在1.0 mol·L-1KOH电解液中具有出色的析氧和析氢反应(OER和HER)活性,在±1000 mA cm-2电流密度下所需的过电位分别为352 mV和429 mV。将其组装成电解水(OWS)两电极体系,只需1.81V的电池电压就能达到100 mA ·cm-2的电流密度。对于OER、HER和OWS,可以在+500 mA cm-2的电流密度下稳定运行30小时,其优异的大电流密度催化性能可以归功于CeO2对于FeNi复合物的电子结构调控增强了催化剂的本征活性和反应中间体的吸附。原位生长在泡沫镍(NF)上的多孔纳米片可以增强活性位点与电解质的接触,并利于气体产物的释放,从而提高其化学稳定性和机械稳定性。本工作为制备双功能非贵金属电解水催化剂提供了一种新思路。

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    25. LiF-Sn复合修饰层改性石榴石/锂金属界面
    杨武, 郑雪凡, 武玉琪, 汤士军, 龚正良
    电化学(中英文)    2023, 29 (11): 2204071-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2204071
    摘要283)   HTML20)    PDF(pc) (4991KB)(586)    收藏

    锂金属和固态电解质在能量密度和安全性能上有巨大的提升潜力,被视为全固态电池的重要组成部分。具有高锂离子电导率(约10-3 S·cm-1)和高剪切模量(55 GPa)的无机石榴石型固态电解质被认为是理想的固态电解质之一,然而锂枝晶生长的问题依旧难以解决。在本文中,通过在石榴石表面蒸镀一层LiF-Sn复合修饰层,增加石榴石与锂金属的界面浸润性的同时构建了离子快速传输通道,阻挡了电子向石榴石体相的注入,有效地抑制了锂枝晶的生长。界面修饰层的存在使得界面阻抗由969 Ω·cm2降低至3.5 Ω·cm2,对称电池的临界电流密度提升至1.3 mA·cm-2,对称电池在0.4 mA·cm-2的电流密度下稳定循环200 h。

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    26. 低共熔溶剂辅助合成新型的网状纳米结构用于加速甲酸电氧化
    张俊明, 张小杰, 陈瑶, 房英健, 樊友军, 贾建峰
    电化学(中英文)    2023, 29 (5): 2206231-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2206231
    摘要499)   HTML87)    PDF(pc) (2050KB)(540)    收藏

    低共熔溶剂(DESs)是一种用于可控合成金属纳米结构的溶剂。在氯化胆碱-尿素DESs中,使用抗坏血酸作为还原剂可以制备由交错的纳米片和纳米球组成的花状Pd纳米颗粒,并且其自发地转化为三维网络纳米结构。此纳米网状结构的形成机制也有系统的研究,其中,DESs作为溶剂和软模板用于形成3D花状钯网络纳米结构(Pd-FNNs),CTAB和NaOH的用量在Pd-FNNs的各向异性生长和生成中起着至关重要的作用。Pd较低的电催化性能是阻碍燃料电池商业化应用的主要挑战之一。然而,具有较低表面能和丰富晶界的3D Pd-FNNs对甲酸氧化反应表现出增强的电催化活性和稳定性,其质量活性和本征活性分别是商业Pd黑催化剂的2.7和1.4倍。因此,此策略为合成独特的Pd基纳米结构提供了一种可行的路径。

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    27. 氧化钨和磷钨酸对LiNi 0.96Co 0.02Mn 0.02O 2材料的表面包覆改性研究
    赵刚, 龚正良, 李益孝, 杨勇
    电化学(中英文)    2023, 29 (10): 2204281-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2204281
    摘要414)   HTML13)    PDF(pc) (1915KB)(536)    收藏

    随着电动汽车的高速发展,对锂离子电池的能量密度、循环性能和成本提出了更高的要求,目前已有的高镍材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)能量密度可以达到760 Wh·kg-1,已成为锂离子正极材料发展的重要方向。超高镍三元正极材料( LiNixCoyMn1-x-yO2x ≥ 0.90)具有超过210 mAh·g-1比容量,因而可实现更高的能量密度,但目前关于超高镍材料的研究工作仍然比较少。超高镍正极材料的研究极具实用意义,因此,本文选择LiNi0.96Co0.02Mn0.02O2(NCM96)这一超高镍材料进行研究。为了提升超高镍三元正极材料NCM96的电化学性能,本工作采用了氧化钨和磷钨酸来对其进行包覆改性,并系统研究了材料改性前后的结构、形貌及电化学性能。其中,氧化钨包覆能有效提升三元材料的电化学性能,但目前尚未有利用氧化钨对超高镍正极材料进行包覆改性的报道。此外,磷钨酸是一种可以同时实现氧化钨和磷酸盐双重包覆的物质,双重包覆有望实现比单一元素包覆更优的电化学性能。本工作通过NCM96前驱体与磷钨酸和氧化钨液相共混,烘干后混锂烧结实现氧化钨和磷钨酸包覆。研究结果表明,两种表面改性方法对超高镍三元正极材料首圈放电比容量影响都较小,且能有效改善材料的长期循环性能。对比两种改性材料的高温电化学性能,发现经磷钨酸包覆改性后的材料其高温循环性能优于氧化钨包覆改性,说明磷钨酸的P/W双元素改性优于WO3的W单元素改性。

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    28. 电极过程动力学反应速率常数测量的若干方法
    韩联欢, 郭佳瑶, 崔苗苗
    电化学(中英文)    DOI: 10.13208/j.electrochem.2303241
    录用日期: 2023-06-14

    29. CoNi基双金属-有机骨架衍生碳复合材料多功能改性锂硫电池隔膜
    王妍洁, 程宏宇, 侯冀岳, 杨文豪, 黄荣威, 倪志聪, 朱子翼, 王颖, 韦克毅, 张义永, 李雪
    电化学(中英文)    2023, 29 (3): 2217002-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2217002
    摘要399)   HTML76)    PDF(pc) (4954KB)(531)    收藏

    严重的多硫化物穿梭效应和转化缓慢等问题导致锂硫电池容量迅速衰减,其大规模应用受限。本文将金属有机框架材料(MOF)衍生碳(Ni,Co)/C用于锂硫电池隔膜改性,很好地解决了上述问题。钴镍双金属的协同作用分别实现了大量又快速的化学固硫和抑硫的可逆性,显著提高了锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。在1 C的电流密度下,(Ni,Co)/C改性隔膜电池的容量在第1次循环时可以达到1035.6 mAh·g-1,在500次循环后容量仍保持662.2 mAh·g-1,容量保持率为63.9%。此外,本工作克服了二元金属基MOF制备难的问题,使用简单快速的室温液相合成法制备了柱状镍钴二元MOF,该法有望实现MOF的宏观制备。

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    30. 电解液中Cu(111)晶面电溶解/沉积势垒施加电荷相关性的跨尺度计算
    乔行, 朱勇, 孙升, 张统一
    电化学(中英文)    2023, 29 (10): 2205171-.   DOI: 10.13208/j.electrochem.2205171
    摘要398)   HTML5)    PDF(pc) (2659KB)(527)    收藏

    电化学沉积和电化学腐蚀的核心问题是不同电压/电荷作用下的电极/电解质界面行为,其控制量是溶解/沉积反应路径的势垒,但是势垒的测量和计算难度比较大。本文采用密度泛函和连续介质耦合方法研究了不同加载电荷面密度下平整表面和含阶梯表面的Cu(111)面薄板电极直接和间接溶解/沉积两种路径的能量形态。结果发现,不同加载电荷面密度下溶质Cu原子在Cu(111)面的表面扩散和溶解过程中初末态能量分别和最高过渡态能量存在简单的线性关系,符合经典的Brønsted-Evans-Polanyi关系。在直接/间接溶解和沉积过程中,势垒和加载的电荷面密度呈线性或二次函数关系。通过这些表达式可以直接从稳态能量计算溶解/沉积和表面扩散的势垒,也可以直接计算不同加载电荷面密度下的势垒,极大的降低实验和计算工作量。通过拟合公式计算出不同临界加载电荷面密度时的势垒大小可以得出:对于溶解过程中,随着加载电荷面密度逐渐增大至0.135 |e|/Å2,阶梯处原子首先以直接溶解的方式进入到电解质溶液中;对于沉积过程,随着加载电荷面密度降低至0.105 |e|/Å2,电沉积首先发生在平整表面,并可越过较低的表面扩散势垒移动至台阶处,表面扩散是速率控制步骤。当加载电荷面密度进一步减小为0.086 |e|/Å2,此时的沉积方式以直接沉积到阶梯位置为主。

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