エネルギー貯蔵とパワーバッテリーに関する2018年の研究進展

リチウム イオン電池の正極材料は、主にリチウム リッチ マンガン系材料、三元複合材料、スピネル型 LiMn 2 O 4 、リン酸鉄リチウム、ニッケル マンガン酸リチウムに分けられます。高比容量 (> 200 mAh/g)、高エネルギー密度、低コスト、環境保護、フレンドリーなどの利点がありますが、初期放電効率が低い、クーロン効率が低い、サイクル寿命が短い、高温性能が不十分、レート性能が低いなどの欠点があります。中国科学院物理学研究所の Wang Zhaoxiang 研究員は、実験研究と理論計算を組み合わせています。本論文では、Mn マイグレーションの駆動力の解明から、Mn マイグレーションによって引き起こされる一連の問題を検討し、Mn マイグレーションを抑制する方法を提案します。 Xiangtan UniversityのWang Xianyou教授は、材料構造と性能の関係から出発し、材料構造の最適化、材料組成の設計（O過剰）、材料相組成の制御（Coドープ）、および表面改質（ポリアニリンでコーティング）によって改善および改善しました。 .リチウム材料の性能の方法。コーティングの変更では、長沙科学技術大学の Chen Zhaoyong 教授が詳細な研究を実施しました。リチウムが豊富なマンガンベースのカソード材料の表面に、微孔質の Al 2 O 3 /PAS 二重層クラッド構造が構築されました。 、およびカソード材料は 0.1 C の速度でした。比容量は最大 280 mAh/g であり、0.2 C で 100 サイクル後でも、98% の容量保持があり、材料の構造変換はありません。 Ni-Co-Mn三元カソード材料の研究は、容量、サイクル特性、およびレート性能をさらに改善するために、主に組成および調製条件の最適化、コーティングまたはドーピングの変更などに焦点を当てています。初回放電比容量の初回放電比容量は２０９．４ｍＡｈ／ｇ、１．０℃である。材料の初回放電比容量は０．１ＣｍＡｈ／ｇ、１．０℃である。７１ＴＰ２Ｔ。 95.5%、高温での容量維持率は87.7%のままです。コーティング材料は、ＬｉＴｉＯ ２ 、Ｌｉ ２ ＺｒＯ ３ などであってもよく、三元正極材料の安定性を向上させることができる。固相燃焼合成によるスピネル LiMn 2 O 4 の調製は、反応温度を下げ、反応速度を加速し、生成物の結晶構造を改善することができます。スピネルＬｉＭｎ ２ Ｏ ４ を改質するための主な方法は、コーティングおよびドーピングであり、例えば、ＺｎＯ、Ａｌ ２ Ｏ ３ のコーティング、Ｃｕ、ＭｇおよびＡｌのドーピングである。リン酸鉄リチウムの修飾が挙げられる。使用される方法は、元素の同時ドーピング（バナジウム イオンやチタン イオンなど）、フェロセンなどの触媒黒鉛化添加剤の添加、グラフェンやカーボン ナノチューブなどとの複合化です。ニッケルマンガン酸リチウム正極材料の場合、高温安定性は、ドーピング修飾とコーティング、および合成方法とプロセスの改善によっても改善できます。他の研究者は、初期放電比容量が 850 mAh/g のカルボニル共役フタロシアニン化合物など、他のタイプのカソード材料を提案しています。グラフェン-メソポーラス カーボン/セレン (G-MCN/Se) 三元系 複合フィルム正極の場合、セレン含有量が 62% の場合、1 C の最初の放電比容量は 432 mAh/g であり、その後も 385 mAh/g のままでした。 1 300 サイクル、良好なサイクル安定性を示します。

グラファイト材料は現在主なアノード材料ですが、研究者は他のアノード材料を調査しています。カソード材料と比較して、アノード材料には明確な研究ホットスポットがありません。電解液は、バッテリーの最初のサイクル中にグラファイトアノードの表面で還元的に分解して、固体電解質相界面（SEI）膜を形成し、最初の不可逆的な容量損失を引き起こしますが、SEI膜は電解液がグラファイト表面で分解し、電極を保護します。役割。華南師範大学の張亭は、グラファイトのアノードと電解質の間の適合性を改善し、バッテリーの電気化学的性能を改善するために、亜硫酸ジメチルをSEIフィルム形成添加剤として追加しました。一部の研究者は、ナノチタン酸炭素複合材料をアノード材料として使用し、レート性能とサイクル安定性を改善するためにマグネトロンスパッタリングによってZnO、Al 2 O 3およびその他の材料でコーティングしました。噴霧乾燥熱分解この方法で調製されたシリコン-炭素複合アノード材料は、100 mA / gの電流で1033. 2 mAh / gの最初の放電比容量、77.3%の最初の充放電効率を持ちます。自己支持型フレキシブルシリコン/グラフェン複合膜のアノード材料は、100 mA / gの電流で50回サイクルされ、比容量は1 500 mAh / gのままであり、クーロン効率は99%以上で安定しました。その理由は、グラフェンシートが高い導電性と柔軟性を持っているからです。

電解質従来の炭酸塩電解質システムには、可燃性や不十分な熱安定性などの問題があります。高い引火点、不燃性、広い電気化学的安定性ウィンドウ、広い温度適応性を備えた電解質システムを開発しています。リチウムイオン電池のキーマテリアルです。

ニッケル水素電池の研究のホットスポットは、水素吸蔵合金材料です。広西大学の Guo Jin 教授は、液体窒素温度での急速冷却と機械的ボールミルによる非平衡処理が、Mg 17 Al 12 合金の水素貯蔵性能を調節していると考えています。広西大学の Lan Zhiqiang 准教授は、Mg 90 Li 1 – x Si x (x = 0、2、4、および 6) 複合水素貯蔵材料を調製するために熱処理プロセスとメカニカルアロイングを組み合わせて使用し、Si の添加を研究しました。 Mg-Li系の固溶体貯蔵。水素性能の効果。希土類元素の導入は、水素吸収および脱着サイクル中の合金組成の非晶質化現象および不均化プロセスを抑制し、合金の可逆的な水素吸収および脱着を増加させることができる。市場に出回っている従来の水素吸蔵合金材料は、ほとんどが希土類元素 (La) でドープされています。 、Ce、Pr、Ndなど）、PrとNdの価格は高くなります。 Zhu Xilin は、Pr および Nd をドープしていない AB 5 水素吸蔵合金のニッケル水素電池への応用について報告しました。電気バスに適用された角型電池は、100 000 km にわたって安全に動作しています。水素貯蔵材料のもう 1 つの研究ホットスポットは、Mg(BH 2 ) 2 -2LiH、4MgH 2 - Li 3 AlH 6 、Al-Li 3 AiH 6 および NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 などの金属窒素水素化物です。粒子サイズを小さくし、アルカリ金属添加剤を添加すると、金属配位水素貯蔵材料の水素貯蔵性能を向上させることができます。この粒子サイズは、主に高エネルギーの機械的ボールミル粉砕によって達成されます。桂林電子技術大学のSun Lixian教授によって報告されたAmine-Decorated12-Connected MOF CAU-1材料は、優れたH 2 、CO 2 およびメタノール吸着特性を有し、CO 2 排出削減および水素貯蔵にとって非常に重要であり、応用価値がある.また、4MgH 2 -Li 3 AlH 6 、Al-Li 3 AiH 6 、NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 など、さまざまなアルミニウムベースの合金水素発生材料を開発し、燃料電池と組み合わせて使用しています。

高速性能と長いサイクル寿命を備えた電極材料の探索は、スーパーキャパシタの研究の焦点です。その中でも、炭素材料は、多孔性炭素材料、バイオマス炭素材料、炭素複合材料などの最も一般的なスーパーキャパシタ電極材料です。一部の研究者はナノポーラスカーボンエアロゲル材料を準備し、優れた電気化学容量特性が3次元ネットワークの骨格構造と超高比表面積に由来することを証明しています。 Huazhong科学技術大学のNie Pengru氏は、3次元多孔質炭素材料を入手し、クエン酸湿式浸出によって廃鉛蓄電池を回収するプロセスでスーパーキャパシタの電極材料として使用しました。この方法は、エネルギー貯蔵産業と環境保護産業の緊密な統合を促進し、優れた生態学的および環境的利益を生み出すことができます。研究者はまた、スーパーキャパシタの電極材料として、さまざまなバイオマス炭素材料（スクロース、花粉、藻類など）の使用についても調査しました。複合材料の側面では、研究者はサンドイッチ形状のMoO 3 / C複合材料を設計しました。α-MoO3層とグラフェン層は水平に交互配置され、積み重ねられています。これは優れた電気化学特性を持っています。グラフェン/カーボン量子ドット複合材料この材料は、0.5 A / gの電流で256 F / gの比容量を持つ電極材料としても使用できます。陝西師範大学のLiu Zonghuai教授は、比表面積456 m 2 / g、比容量281 F / g、電流0.25 A / gの酸化マンガンナノ粒子から組み立てられたメソポーラス酸化マンガンナノ電極材料を準備しました。サウスチャイナ工科大学のLiu Peipeiは、3つのナノフラワーのNiO-Co 3 O 4複合材料を準備しました。比容量は1 988です。電流11 A / gで6 F / g、容量保持率1,500サイクル。 94. 0%;南海大学のWang Yijingは、さまざまな形態のNiCo 2 O 4材料の成長メカニズム、微細構造、および性能を研究しました。重慶芸術科学大学のTang Ke氏は、等価抵抗と充電電流の関係を分析しました。等価回路モデルを使用して、スーパーキャパシタの静電容量、ストレージ容量、および充電効率の変化を電流で調査しました。スーパーキャパシタの温度保存性能について議論されました。影響。

プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の商品化は、主にコストと寿命によって制約されます。 PEMFCで使用される触媒は主にPtなどの貴金属であるため、高価であり、作業環境で劣化しやすく、触媒活性が低下します。中国科学院の大連化学物理研究所のShao Zhigang研究員は、Pdを導入してPtの使用量を減らし、触媒の活性を高めるPd-Ptコアシェル触媒を報告しました。さらに、研究者らは、ポリマーの安定化、表面のグループ化、および金属表面の炭素クラスター修飾を使用して、高活性および高安定性のPEMFC金属酸素還元触媒を得ることにより、金属と担体間の相互作用を改善しました。北京工業大学の曹泰は、コバルトナノ粒子が上部にある均一な窒素ドープの竹型カーボンナノチューブの合成のために、軽量で低コストの大規模合成法を導入しました。製品は優れた特性を持っています。レドックス触媒活性。従来の白金系触媒に置き換わる可能性のある、燃料電池用の炭素系触媒およびその他の非白金触媒は、水熱炭化、高温熱分解などによって得られ、市販の白金炭素触媒と同等の性能を備えています。

Na 0. 44 MnO 2材料の充放電プロセスは、ノースイースタン大学の大Kehuaで研究されました。 Mn 2+が低電位で材料の表面に形成されることがわかった。導電性樹脂フェノール樹脂PFMは、純粋なSn粉末の可逆比容量を改善できます。安定した充放電を実現します。中南大学小中興他水熱法と高温固相法で焼結して高純度のNa 0.44 MnO 2を合成し、金属ナトリウムを負極として使用して、容量0のボタン型電池を組み立てました。 5 Cサイクルを20回。保持率は98.9%でした。上海電力大学校の張潤西は、かんらん石構造のNaFePO 4微結晶を合成しました。これは、ナトリウムイオンバッテリーのカソード材料として使用され、良好な電気化学的性能を備えていました。桂林電子工科大学のDeng Jianqiu准教授は、ナノリニア硫化ストロンチウムを水熱法で調製し、ナトリウムイオン電池の負極材料として使用しました。この材料は、100 mA / gで552 mAh / gの最初の放電比容量を持っています。 55サイクル後の容量保持率は85.5%です。 2 A / gで40回サイクルし、100 mA /に戻ります。gの電流と放電の比容量は580 mAh / gに戻り、負極材料のサイクル性能が良好であることを示しています。大電流サイクル後も構造を安定させることができます。

リチウム硫黄電池の研究は現在、電池の安全性、サイクル寿命、エネルギー密度の向上を目的とした多孔質炭素材料、複合材料などの電極材料に焦点を当てています。中国科学院大連化学物理学研究所の張紅章が開発した炭素材料は、細孔容積が大きく（> 4.0 cm 3 / g）、比表面積が大きく（> 1500 m 2 g）、硫黄含有量が高い（> 70%）。高硫黄含有量（3 mg / cm 2）の条件下で、0.1 C放電の比容量は1 200 mAh / gです。海南大学のChen Yong教授は、2次元アコーディオン構造のTi 3 C 2を正極材料として使用しています。 S / Ti 2 C 3複合材料を得るために硫黄と組み合わせると、初期放電比容量は200 mAh / gの電流で1 291 mAh / gに達し、サイクルの可逆比容量はまだ970 mAh / gでした。

中国科学院大連化学物理学研究所の張華民研究員は、液体電池のエネルギー貯蔵技術の研究の進展と応用について報告し、液体電池の電解質、非フッ化物イオン伝導膜および高特定の動力炉。フローバッテリーシステムの研究成果。彼らは、81.2%のエネルギー効率で120 mA / cm 2の電流密度で充放電される32 kWクラスの高出力密度フローバッテリースタックを開発し、5 MW / 10 MWhフローの大規模生産を可能にしましたバッテリーエネルギー貯蔵システムがグリッドに実装されています。

リチウムイオン電池、スーパーキャパシタ、燃料電池は、依然として電池に関する研究の焦点です。ナトリウムイオン電池、フロー電池、リチウム硫黄電池などの他の電池も進化しています。さまざまなタイプの電池の現在の研究の焦点は、より高い容量、効率、サイクル性能、および安全性能を達成するために電極材料を開発することです。

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