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    2021年 第27卷 第4期    刊出日期:2021-08-28
    目次
    第27卷第4期封面和目次
    2021, 27(4):  0. 
    摘要 ( 321 )   PDF (12249KB) ( 254 )  
    相关文章 | 计量指标
    论文
    ORR催化剂Nim@Pt1Aun-m-1 (n = 19, 38, 55, 79; m = 1, 6, 13, 19)的密度泛函研究
    李文杰, 田东旭, 杜红, 燕希强
    2021, 27(4):  357-365.  doi:10.13208/j.electrochem.210329
    摘要 ( 753 )   RichHTML ( 52)   PDF (727KB) ( 540 )  
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    燃料电池的阴极反应的反应动力学速率非常慢,限制了燃料电池技术的发展。因此,寻找低成本、高活性的氧还原催化剂具有重要的意义。多元金属核壳团簇表现出优良的氧还原活性。在本文中,以原子个数为19、38、55和79的八面体团簇作催化剂模型,采用密度泛函理论(GGA-PBE-PAW)方法,研究了一系列不同尺寸核壳Nim@Mn-m (n = 19, 38, 55, 79;m = 1, 6, 13, 19; M = Pt, Pd, Cu, Au, Ag)团簇催化剂的活性规律。优化*O、*OH和*OOH吸附中间体结构,计算了吸附自由能和反应吉布斯自由能,以超电势为催化活性的描述符,研究了单原子Pt嵌入Nim@Aun-m团簇的活性规律。结果表明,Ni6@Pt1Au31具有最好的ORR活性,并且Ni1@Pt1Au17、Ni6@Pt1Au31、Ni13@Pt1Au41、Ni19@Pt1Au5表现出比Pt38团簇以及Pt(111)表面更高的催化活性。Bader电荷和态密度分析表面,核壳之间的电荷转移以及单原子Pt嵌入Nim@Aun-m表面,改变了吸附位的电子性质,降低了*OH的吸附强度,提高了ORR活性。单原子Pt嵌入Nim@Aun-m表面可能是一种合适的多元金属核壳ORR催化剂设计策略。

    一锅法制备Fe2O3@Fe-N-C氧还原电催化剂及其锌-空气电池的性能研究
    林华, 吴艺津, 李君涛, 周尧
    2021, 27(4):  366-376.  doi:10.13208/j.electrochem.210303
    摘要 ( 885 )   RichHTML ( 46)   PDF (1394KB) ( 560 )  
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    在金属空气电池和燃料电池阴极上的氧还原反应(ORR)对相关电化学能量转换装置的整体性能有重要影响,金属-氮-碳催化剂有望替代传统的商业Pt-C成为新一代ORR电催化剂。本文通过简便的一步热解工艺合成了具有Fe-Nx活性位点和Fe2O3纳米颗粒共存的电催化剂,Fe2O3@Fe-N-C-1000催化剂在0.1 mol·L-1 KOH溶液中表现出良好的ORR活性,半波电位为0.84 V,应用在锌-空气电池中时也具有可以和商业Pt-C媲美的性能,能量密度为88.3 mW·cm-2,同时和Pt-C相比具有更好电化学稳定性,表现出优良的ORR应用潜力。

    MXene-碳黑/硫复合材料在锂硫电池一体式电极的研究
    范业鹏, 罗业强, 沈培康
    2021, 27(4):  377-387.  doi:10.13208/j.electrochem.201231
    摘要 ( 938 )   RichHTML ( 84)   PDF (1649KB) ( 477 )  
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    锂硫电池的实际能量密度不高和多硫化物(LiPSs)的穿梭效应等问题严重影响了该电池的实际应用。本文通过将二维的Ti3C2Tx Mxene纳米片与碳黑/硫(CB/S)材料进行混合,制备了Ti3C2Tx-CB/S正极材料并将其涂覆在商业隔膜(PP)上,最终获得了Ti3C2Tx-CB/S-PP一体式电极并用于锂硫电池。利用Ti3C2Tx纳米片对CB/S进行修饰,不仅能提高活性物质硫的导电性,还能对扩散的LiPSs进行物理阻挡和化学吸附。而一体式电极的设计有利于提高电池的能量密度。恒流充放电测试结果表明,Ti3C2Tx-CB/S-PP电极在0.1 C电流下的初始放电容量为1028.8 mAh·g-1,高于不含Ti3C2Tx的CB/S-PP电极的896.8 mAh·g-1。Ti3C2Tx-CB/S-PP电极还展示出了比基于传统铝箔集流体的Ti3C2Tx-CB/S-Al电极更好的循环稳定性,前者在0.5 C下400圈长循环测试中的每圈衰减率为0.072%,而后者则为更高的0.10%。本文利用Ti3C2Tx-CB/S构建一体式电极的策略为实现高性能和高能量密度的锂硫电池提供了新的研究方向。

    复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能影响的研究
    王东浩, 晏鹤凤, 龚正良
    2021, 27(4):  388-395.  doi:10.13208/j.electrochem.200527
    摘要 ( 1001 )   RichHTML ( 232)   PDF (1241KB) ( 807 )  
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    使用硫化物固体电解质的全固态锂硫电池由于多硫化物不溶于硫化物固体电解质及硫化物电解质不可燃的特性,得以完全避免穿梭效应并显著提高了电池的安全性能而被认为是极具潜力的下一代储能电池。如何建立并平衡复合正极中离子/电子导电网络且维持复合正极中较高活性物质含量对于全固态锂硫电池至关重要。本文以单质硫为活性物质研究了复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能的影响,发现以乙炔黑(AB)为导电碳材料明显优于Super P和Ketjen Black;优化复合正极的组成,发现硫:乙炔黑:固体电解质的质量比为40:20:40时,全固态锂硫电池在室温和60℃下均具有良好的电化学性能。

    电沉积法制备石墨烯纸-金属复合材料的初步研究
    刘双娟, 王海静, 郭靖, 王鹏程, 周昊, 孟才, 郭汉杰
    2021, 27(4):  396-404.  doi:10.13208/j.electrochem.200614
    摘要 ( 956 )   RichHTML ( 168)   PDF (1388KB) ( 764 )  
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    石墨烯纸具有优良的导电导热性能,但强度和硬度较低。为了获得良好的综合力学性能以提高石墨烯纸的实用价值,本文提出了制备石墨烯纸-金属复合材料的构想,从实验上初步研究了电沉积法制备石墨烯纸-金属复合材料的可行性,并探究了石墨烯纸与电沉积金属界面结合情况。采用两种常见镀层金属Cu、Cr,在实验室使用电沉积法制备了石墨烯纸-Cu,石墨烯纸-Cr两种复合镀层材料。利用扫描电镜对复合材料的表面形貌和横截面进行了表征,结果显示石墨烯纸-Cr复合材料的界面结合相对紧密。本文首次将二维错配度应用到石墨烯纸与金属镀层界面结合力分析中,通过计算分析,常温下C 的(0001)面与Cr的(110)面的二维错配度为7.26%,晶格匹配度良好. 随温度升高,C-Cr界面错配度值减小,即晶格匹配度增加,另外C-Cr二元相图显示C与Cr发生反应生成的碳化物将进一步增强其界面结合。

    锂离子电池正极材料Li[NixCoyMnz]O2 (x = 0.6, 0.85)相变对比
    李丽娟, 朱振东, 代娟, 王蓉蓉, 彭文
    2021, 27(4):  405-412.  doi:10.13208/j.electrochem.200615
    摘要 ( 915 )   RichHTML ( 103)   PDF (1345KB) ( 1048 )  
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    本文主要对高镍三元材料(Li(Ni0.85Co0.1Mn0.05)O2,Ni85)和常规低镍三元材料(Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2,Ni60)两种三元材料的相变电压范围进行了划分和测定,以研究两种材料相变规律的区别,并进一步分析得出高镍材料在充电过程中的结构稳定性相对较弱的原因。本文主要采用了XRD、dQ·dV-1以及SEM的表征方式对两种材料的相变、结构变化及颗粒表面的形貌进行分析。并得出以下结论,高镍正极在3.0 V ~ 4.2 V范围内充电时经历了H1→M→H2→H3的三次相变过程,最终产物为H3相。而传统Ni60材料在相同电压范围内只经历了H1→M的相变过程,当过充至4.550 V时,Ni60材料可达到H2相,继续过充至5.000 V后,可完成H3相的转变。因此,高镍正极材料在正常充电电压范围内即完成了H3相的相转变过程,其较低的相变电压阈值是其结构稳定性较差的原因。

    锂金属电池用三维半互穿网络聚合物电解质的制备
    张运丰, 王佳颖, 李晓洁, 赵诗宇, 何阳, 霍士康, 王雅莹, 谭畅
    2021, 27(4):  413-422.  doi:10.13208/j.electrochem.200915
    摘要 ( 800 )   RichHTML ( 20)   PDF (1551KB) ( 770 )  
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    锂金属电池作为下一代高比能量电池技术受到人们越来越广泛的关注。然而由锂枝晶生长引发的安全问题是锂金属电池商业化面临的最大挑战之一。具有高锂离子迁移数和离子电导率的聚合物电解质是抑制锂枝晶生长的重要策略之一。本文将季戊四醇四丙烯酸酯和自由基引发剂AIBN添加至商业化电解液中,采用具有单离子传导功能的多孔聚合物电解质为锂金属电池的电解质隔膜,通过在电池内部发生热诱导原位聚合制备三维半互穿网络单离子传导聚合物电解质,达到提高电解质隔膜离子电导率和机械拉伸性能,以及有效抑制锂枝晶生长的目的。通过该策略的实施,成功获得了室温离子电导率0.53 mS·cm-1和锂离子迁移数0.65的良好结果。应用于锂金属电池,证明该电解质能够有效抑制锂枝晶的生长和倍率性能的提高,为锂金属电池的开发提供了良好的解决路径。

    碳酸酯类电解液中Mg(NO3)2添加剂抑制锂枝晶生长的研究
    张彪, 帅毅, 王玉, 杨纳川, 陈康华
    2021, 27(4):  423-428.  doi:10.13208/j.electrochem.200711
    摘要 ( 906 )   RichHTML ( 43)   PDF (825KB) ( 988 )  
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    在锂-硫化聚丙烯腈电池体系中,负极锂枝晶的形成和生长严重恶化了电池充放电性能,并给电池带来了安全隐患。而在更有利于稳定正极硫化聚丙烯腈材料的碳酸酯类电解液中,锂枝晶生长尤为严重。本文通过将硝酸镁添加到碳酸酯类电解液中,研究硝酸根和镁离子对锂金属表面改性的共同作用。实验数据发现,在硝酸根和镁离子共同作用下,锂枝晶生长被有效抑制。当硝酸镁浓度为100 mmol·L-1时,锂铜半电池的库仑效率明显提高,并显著改善了锂-硫化聚丙烯腈电池的循环性能。300次循环后容量保持率为71%,远高于硝酸锂的61%和无添加剂的50%。

    MoS2/GQDs催化剂的制备及微生物电解池的产氢性能研究
    代红艳, 杨慧敏, 刘宪, 宋秀丽, 梁镇海
    2021, 27(4):  429-438.  doi:10.13208/j.electrochem.200725
    摘要 ( 651 )   RichHTML ( 30)   PDF (1149KB) ( 774 )  
    数据和表 | 参考文献 | 补充材料 | 相关文章 | 计量指标

    通过水热法合成了一系列MoS2/GQDs复合材料,并制成碳基复合电极。利用电化学测试手段挑选出最佳电极后用于微生物电解池(MEC)阴极的产氢性能研究。实验结果显示: Na2MoO4、半胱氨酸和GQDs的最佳原料配比为375:600:1,制备出的MoS2/GQDs呈现明显的爆米花样纳米片结构,片层厚度在10 nm左右,当碳纸负载量为1.5 mg·cm-2时,MoS2/GQDs碳纸电极的析氢催化能力最佳。在MEC产氢实验中,MoS2/GQDs阴极MEC的产气量、氢气产率、库仑效率、整体氢气回收率、阴极氢气回收率、电能回收率和整体能量回收率分别为51.15±3.15 mL·cycle-1、0.401±0.032 m3H2·m3d-1、91.16±0.054%、66.64±5.39%、72.44±2.60%、217.26±7.42%和77.37±1.50%,均略高于Pt/C阴极MEC或与之媲美。另外,MoS2/GQDs具有良好的长期稳定性,且价格便宜,有利于实际应用。

    热塑性聚氨酯基聚合物电解质的制备与表征
    周莉, 吴勰, 薛照明
    2021, 27(4):  439-448.  doi:10.13208/j.electrochem.200606
    摘要 ( 1137 )   RichHTML ( 299)   PDF (1847KB) ( 701 )  
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    采用非溶剂诱导相转化法(NIPS)制备了热塑性聚氨酯/醋酸纤维素(TPU/CA)新型聚合物隔膜。然后,将隔膜浸入液体电解质中得到TPU/CA凝胶聚合物电解质(GPEs)。研究TPU与CA的质量比对GPEs性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重(TG)、差示扫描量热(DSC)、线性扫描伏安(LSV)、电化学阻抗(EIS)等对TPU/CA膜进行表征。结果表明,在共混隔膜中引入CA可以降低TPU的结晶度,增加隔膜的吸液率。其中,室温下TPU/CA = 7/3基电解质的离子电导率为1.04 mS·cm-1,电化学窗口为5.1 V(vs. Li/Li+)。组装的电池LiFePO4/TPU/CA/Li在0.5 C循环100次后,仍具有较高的放电比容量和较好的容量保持率,具有良好的循环稳定性。这些结果表明,这种新型的TPU/CA共混GPEs是锂离子电池的理想选择。

    还原氧化石墨烯@泡沫镍载CoO纳米花电极制备及催化CO2性能
    郭茜, 富佳龙, 张成燕, 蔡超越, 王城, 周丽华, 许瑞波, 王明艳
    2021, 27(4):  449-455.  doi:10.13208/j.electrochem.200513
    摘要 ( 1509 )   RichHTML ( 235)   PDF (1278KB) ( 1130 )  
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    本文以氧化石墨烯包覆泡沫镍电极(GO@NF)作为基底,采用水热法在GO@NF基底上原位生长CoO纳米花,同时GO在水热过程中被同步热还原为还原氧化石墨烯(RGO),从而一步制得还原氧化石墨烯包覆泡沫镍负载CoO纳米花电极(CoO/RGO@NF)。使用XRD和SEM对CoO/RGO@NF电极进行表征,发现CoO纳米花均匀生长在泡沫镍三维网络结构上,CoO纳米花为大量针状纳米棒围绕一个中心而成的花状结构,纳米棒的长度约为10 ~ 15 μm,直径约为100 ~ 200 nm。使用循环伏安和线性扫描法测试了CoO/RGO@NF电极电催化CO2的还原性能,在-0.76 V(vs. SHE)电位下,CoO/RGO@NF电极电催化CO2还原的电流效率达到70.9%,产甲酸法拉第效率达到65.2%,甲酸产率为59.8 μmol·h-1·cm-2,且电极可持续稳定电催化还原CO2 4 h,表明CoO/RGO@NF电极对CO2电还原有着优良的催化活性、选择性和稳定性。

    二硒化钼纳米球储锂和储镁的性能和机理研究
    彭依, 张伟, 左防震, 吕浩莹, 洪凯骏
    2021, 27(4):  456-464.  doi:10.13208/j.electrochem.200511
    摘要 ( 1149 )   RichHTML ( 395)   PDF (1292KB) ( 841 )  
    数据和表 | 参考文献 | 补充材料 | 相关文章 | 计量指标

    二硒化钼是一种二维过渡金属硫族化合物材料,凭借其具有较快的离子迁移率、较弱的范德华力的层状结构,在锂离子电池的应用研究中吸引了广泛的关注。同时在镁离子电池应用中表现出潜在的研究前景。然而,有关二硒化钼在锂离子电池中的报道多集中在如何提高储锂性能上,对其离子存储机理缺乏深入研究。此外,在储镁性能和机理上均没有报道。本项工作通过湿化学和高温煅烧两步法合成了二硒化钼纳米球,当二硒化钼纳米球用作锂离子电池负极材料时,在5 A·g-1的电流密度下展示了高于100 mAh·g-1的优异高倍率容量;同时,作为镁离子电池正极材料时,在20 mA·g-1的电流密度下表现出了120 mAh·g-1的高储镁可逆容量。另外,通过电化学、原位和非原位X射线衍射表征技术,分别揭示了二硒化钼纳米球低平台发生的转化式和高平台发生的类锂硒电池反应并存的储锂机理,以及赝电容式为主,嵌入式为辅的储镁机理。本项工作不仅为二维过渡金属硫族化合物材料的储锂机理提供了深刻的理解,同时也为新型层状储能材料的设计开发提供了方向。

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    2021, 27(4):  465-466. 
    摘要 ( 292 )   PDF (243KB) ( 240 )  
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