电化学（中英文）

2019, 25(1): 0.

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《下一代二次电池》专辑序言

随着人类社会的迅速发展，能源和环境问题逐渐成为人们关注的焦点. 化石燃料的过度依赖和使用所导致的全球变暖和环境污染日趋严重，国内大范围高频率的雾霾天气引起了民众的广泛担心，迫切要求加快能源技术创新，建设清洁低碳、安全高效的新能源体系. 　　风能、太阳能和潮汐能等清洁可再生能源在空间和时间上分布不均，电化学储能是实现其广泛应用的关键环节. 以锂离子电池为代表的二次电池技术一经出现就在数码产品等移动电源市场占据了主导地位，然而长距离续航里程的电动汽车和发展新能源需要的智能电网等对储能技术提出了更高的要求. 因此，下一代二次电池储能体系的研究发展至关重要，对我国能源、交通、信息和国防等领域的高速发展和相关战略新兴产业的形成和壮大具有重要意义. 　　传统的锂离子电池被形象地称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负极，锂离子像运动员一样在摇椅的两端来回奔跑完成电池的充放电过程，但正负极活性材料有限的理论比容量限制了体系能量密度的进一步提升. 使用金属锂负极是下一代二次电池储能技术发展的重要方向，在其基础上发展了全固态锂电池、锂硫电池和锂空气电池等. 全固态锂电池的电解质固态化，有助于克服锂枝晶的生长和避免锂枝晶穿透隔膜引发电池短路，使其具有能量密度高、安全性能好等优势. 为了匹配锂金属超高的理论能量密度，陆续发展了以硫作为正极活性材料的锂硫电池和以氧气为活性材料的锂空气电池. 与传统锂离子电池的离子脱嵌机理完全不同，锂硫电池和锂空气电池的正极不仅物质结构与性质发生较大变化，而且还存在大幅变化的固固、固液、固气、气液等多相反应界面. 此外，由于全球锂资源的匮乏和分布不均衡，开发一种替代电池成为各国科学家努力的重要方向. 钠离子电池因其电化学储能机理与锂离子电池类似，并且地球上钠资源十分丰富，开采费用仅为锂的百分之一，相关研究发展受到了广泛关注. 上述二次电池储能体系无疑具有广阔的应用前景，在研发上已经取得一系列令人瞩目的进展，但各项技术均处在早期研发阶段，仍需进行大量深入的研究工作. 　　本专辑围绕下一代二次电池专题，收录了在相关研究领域具有丰富经验积累和影响力的团队所撰写的9篇相关研究进展的综述文章和研究论文. 希望借助此专辑的出版，能使广大读者更好地了解当前新型储能体系研究领域的研究现状、研究趋势和存在的问题及挑战，以推动我国下一代二次电池研究的进一步发展. 　　最后，对本专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤工作和付出表示由衷的感谢！

锂硫电池结构设计研究现状及展望

陈加航, 杨慧军, 郭城, 王久林

2019, 25(1): 3-16. doi:10.13208/j.electrochem.180544

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锂硫电池体系由于理论能量密度高和硫材料资源丰富，成为了极具发展潜力的二次电池之一. 但由于放电过程中间产物多硫化物溶于有机电解液，产生穿梭效应，导致活性物质利用率低，造成电池容量损失和循环性能下降，而锂金属枝晶和界面问题同样限制了锂硫电池的进一步发展和利用. 研究表明，电池结构设计和改造，如隔膜结构设计、正极夹层设计、正极载硫结构设计以及负极结构设计等方面，有效地缓解了上述问题. 本文整理总结了近年来国内外在锂硫电池结构设计上研究思路和进展，并对今后的发展趋势做了进一步展望.

先进成像技术在全固态锂电池关键问题研究中的应用

赵一博, 刘蕙蕙, 陈松良, 薄首行

2019, 25(1): 17-30. doi:10.13208/j.electrochem.180545

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全固态锂电池因其高能量密度和安全性良好而备受关注. 然而，要提高其充放电效率和延长其使用寿命需要其在固态电极、固态电解质及两者间的界面实现快速离子传导. 另外，全固态锂电池中的固态电解质隔膜需要限制锂枝晶的生长，从而使得应用高能量密度的锂金属负极变为可能. 本文基于上述全固态锂电池中的重要问题，讨论了电子显微镜、扫描探针显微镜、X射线断层摄影术、磁共振成像和光学显微镜五种先进成像技术在其中的应用.

二氧化钛基钠离子电池负极材料研究进展

廉思甜, 吕建帅, 于强, 胡光武, 陈卓, 周亮, 麦立强

2019, 25(1): 31-44. doi:10.13208/j.electrochem.180547

摘要 ( 1723 )

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二氧化钛（TiO₂）是一种稳定、廉价、无毒的钠离子电池负极材料，具有良好的应用前景．然而其导电性较低，限制了其电化学活性（比容量）和倍率特性，阻碍了其规模化应用．本文系统总结了微观结构调控、引入氧缺陷、异质元素掺杂和纳米复合等策略对TiO₂导电性和电化学性能的影响．最后，文章展望了TiO₂基钠离子电池负极材料的发展方向．

钒基电极材料研究进展

孙梦雷, 张达奇, 冯金奎, 倪江锋

2019, 25(1): 45-54. doi:10.13208/j.electrochem.180541

摘要 ( 1681 )

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发展低成本、高性能、高安全的锂离子、钠离子电池是解决能源储存问题的一个重要途径. 由于具有丰富的化学价态，开放式的化学结构和较高的理论容量，钒基材料是一种非常有潜力的锂离子电池、钠离子电池电极材料. 在过去的几年中，钒基电极材料如钒的氧化物、硫化物、磷酸盐等在电池中的应用取得了长足的进展，有必要对相关的研究进展作一个总结. 本文介绍了钒基电极材料的近期研究进展，重点总结了钒基电极材料应用所面临的离子扩散系数低、结构稳定性差等科学问题，并从活性材料本身的改性以及与外部材料复合作用两个角度重点分析了应对这些问题所采用的策略. 一方面，通过对钒元素的化合价态进行调控来提高材料的电导性，并采用异原子掺杂来加快离子扩散系数. 另一方面，借助同/异种纳米结构间的耦合作用增强材料的结构稳定性. 基于基底的骨架作用，实现三维有序阵列结构电极的制备，进而促进材料能量密度与功率密度的共同提升. 最后，讨论了钒基材料进一步发展所面临的挑战，希望能够为将来相关电极材料的研究提供一些参考.

室温钠离子电池关键材料研究进展

王凡凡, 刘晓斌, 陈龙, 陈程成, 刘永畅, 范丽珍

2019, 25(1): 55-76. doi:10.13208/j.electrochem.180542

摘要 ( 1474 )

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钠离子电池凭借钠资源丰富、价格低廉在大规模储能领域有着重要应用前景. 然而，钠离子相对锂离子较大的半径和质量限制了它在电极材料中的可逆脱嵌，导致其电化学性能不佳. 因此研发稳定、高效储钠的高比能电极材料是钠离子电池实用化的关键. 另外，进一步优化与电极材料相匹配的电解质来实现高安全、长寿命钠离子电池的构建，推动其商业化进程，也是迫切需要解决的问题. 本文主要对室温钠离子电池关键材料（包括正极、负极和电解质材料）的研究进展进行简要综述，并探讨了其面临的困难及可行的解决方案，为钠离子电池的发展提供一定参考依据.

锂-空气电池正极催化剂表界面调控及构效关系研究进展

高睿, 王俊凯, 胡中波, 刘向峰

2019, 25(1): 77-88. doi:10.13208/j.electrochem.180543

摘要 ( 1375 )

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锂-空气电池被认为是最具潜力的新一代化学电源体系之一，具有能量密度高、质量轻便、可逆性高、环境污染小等优点. 但其电极上缓慢的氧还原（ORR）与氧析出（OER）动力学过程导致了能量效率降低、过电位高、循环性能差等问题，制约了锂-空气电池的发展. 双效正极催化剂的设计与开发是解决上述问题的重要途径之一. 作者通过总结近几年锂-空气电池正极催化剂的研究进展，并结合其课题组自身的工作，综述了锂-空气电池正极催化剂表界面调控及构效关系研究方面的最新进展，并展望了未来关于锂-空气电池研究的切入点，对设计、开发高效锂-空电池催化剂具有重要指导意义.

CVD 法制备三维石墨烯的电化学储能性能

夏永康, 顾明远, 杨红官, 于馨智, 鲁兵安

2019, 25(1): 89-103. doi:10.13208/j.electrochem.180548

摘要 ( 1116 )

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维石墨烯是由二维石墨烯构成的三维网络结构，多孔的网络结构赋予了三维石墨烯超大的比表面积、超高的机械强度以及优异的电子传输通道. 因其优异的性能，三维石墨烯及其复合材料已经广泛地应用于能源、化学和生物等研究领域. 在三维石墨烯的合成方法中，化学气相沉积法由于制备的三维石墨烯具有高纯度、良好结晶性和优异的机械性能而备受推崇. 本文结合当前研究热点，综述了化学气相沉积法制备三维石墨烯及其复合材料在电化学储能领域（铝电池、锂离子电池、锂-硫电池、钠离子电池、金属-空气电池、超级电容器）中的应用，并简要评述当前化学气相沉积法制备三维石墨烯在应用中所面临的挑战及发展前景.

花球状二硫化钒的制备及其储锂研究

李攀, 刘建, 孙维祎, 李海霞, 陶占良

2019, 25(1): 104-111. doi:10.13208/j.electrochem.180549

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采用一步水热法并添加表面活性剂聚乙二醇400制备出花球状二硫化钒，利用X射线粉末衍射仪、场发射扫描电子显微镜等方法对产物的物相和形貌进行了表征. 观测生长过程发现花球状二硫化钒由若干六边形二硫化钒纳米片堆叠穿插组成，该花球状结构使材料拥有较高的比表面积及出色的结构稳定性. 将花球状二硫化钒用于锂离子电池正极材料测试，结果表明花球状二硫化钒在电压区间为1 ~ 3 V，电流密度为200 mA·g^-1时具有出色的循环稳定性且循环50周之后容量可达450 mAh·g^-1.

Ni/Mn₃O₄/NiMn₂O₄@RGO空心微球负极的制备及其储钠性能

颜冲, 寇华日, 颜波, 刘晓静, 李德军, 李喜飞

2019, 25(1): 112-121. doi:10.13208/j.electrochem.180546

摘要 ( 881 )

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采用溶剂热法制备前驱体，后经350 °C热处理，首次合成了空心结构的NiMn₂O₄微球以及不同含量氧化石墨烯包覆的Ni/Mn₃O₄/NiMn₂O₄@RGO复合材料. 电化学性能测试表明，复合负极材料中，含25wt%还原氧化石墨烯的材料储钠性能最佳，其在50 mA·g^-1电流密度下，100次循环后放电比容量保持在187.8 mAh·g^-1，且800 mA·g^-1电流密度下的可逆容量高达149.9 mAh·g^-1，明显优于NiMn₂O₄及其他石墨烯基复合材料. 研究指出，复合材料性能的提升得益于空心微球和还原的氧化石墨烯构成的特殊结构，一方面缩短了电子/离子传输距离，缓解了体积效应，另一方面高导电网络有效增强了活性物质利用率.

预嵌锂硬碳和软碳用于锂离子电容器负极的比较研究

李钊, 孙现众, 刘文杰, 张熊, 王凯, 马衍伟

2019, 25(1): 122-136. doi:10.13208/j.electrochem.180306

摘要 ( 1679 )

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锂离子电容器是一种应用前景广阔的电化学储能器件. 目前，活性炭作为锂离子电容器正极被广泛使用. 然而，锂离子电容器负极却有多种不同选择，如硬碳和软碳等碳材料. 本文使用两种具有不同结构和电化学特性的硬碳和软碳材料作为锂离子电容器负极，进行了对比研究. 研究表明，软碳相比于硬碳有更好的电子导电性和更高的可逆容量. 通过在电流范围0.1 ~ 12 A·g^-1下进行充放电测试，分别研究了两种碳基电极在不同涂覆厚度下的倍率性能. 结果显示，硬碳电极在大电流下有更好的倍率特性. 然后，以活性炭为正极，预嵌锂的硬碳和软碳为负极，锂片为锂源和参比电极，分别组装了三电极软包锂离子电容器. 根据三电极充放电测试，分别研究了不同预嵌锂量的硬碳和软碳所组装的锂离子电容器的电化学性能. 结果表明，合适的负极预嵌锂容量可以提升锂电容的能量密度、功率密度和循环稳定性. 最后，大容量硬碳和软碳基软包锂离子电容器被分别组装，软碳基锂电容实现了最高的能量密度21.2 Wh·kg^-1（基于整个器件质量），硬碳基锂电容实现最高的功率密度5.1 kW·kg^-1.

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詹东平

2019, 25(1): 137-138.

摘要 ( 363 )

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