在新的国际竞争背景之下,我国产业结构必须进行调整,要尽快改变高投入、高排放、高污染的局面, 大力发展战略性新兴产业。最近国务院出台了关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定, 选择新能源、新材料和电动汽车等7个产业作为战略性新兴产业。

《化学进展》编辑部积极响应,特邀中国科学院物理研究所王兆翔研究员担任执行主编,组织了 “清洁能源材料与器件专辑”,对于促进这个学科领域的学术研究和技术创新很有意义。专辑撰稿人都是国内本领域著名的专家、学者,他们的文章反映了国内在能量转换与储存等方面的研究进展和发展方向,不仅有利于同行交流学术观点和经验,对想要了解这个领域进展的非专业人士也提供了一份营养丰富的知识 “套餐”。

新材料是产业技术进步的基础,特别是实现产业结构优化升级和提升装备制造业的基础,也是发展新兴产业的先导。当前新材料仍然是制约我国产业技术进步的瓶颈,部分关键材料仍受制于人,以企业为主体的系统创新能力亟待提升。

动力与储能电池及其材料产业是新材料产业的重要组成部分。由于各种便携式移动装备的快速发展,锂离子电池等动力与储能电池产业迅猛发展。电动汽车已经成为保障能源安全和实现汽车工业可持续发展的必然选择。预计未来5年将迎来电动汽车产业发展的高峰。根据IEA“世界能源展望2009”的研究,2030年全球电动汽车将占汽车销量的60%。动力电池是发展电动汽车的关键,为实现电动汽车的产业化,必须大力发展锂离子电池和燃料电池等动力电池及其材料产业。大力发展太阳能、风能等可再生能源,必须利用大规模储能系统保障电网稳定性和电力供应的连续性。有代表性的三种储能电池技术是钠硫电池、液流电池和锂离子电池,尚处于开发、示范应用的阶段。随着可再生能源产业的建设和发展,储能电池产业将迅猛发展。预计未来5年将以示范运行为主,应用于风能、太阳能等可再生能源的大规模并网发电。

动力电池的成本和性能依然是制约电动汽车产业发展的主要因素。从性能上看,目前用于纯电动汽车的锂离子动力电池比能量约为100 Wh/kg,一次充电行驶里程100—200km。为使电动汽车能够达到传统汽油车的水平,电池的比能量应达到500Wh/kg。降低电池成本、提高电池性能,电池材料是关键。在锂离子动力电池材料方面,形成了一定的产业规模,但产业技术水平有待进一步提升,急需加强基础研究,大力提倡创新,掌握自主知识产权。

围绕电动汽车产业化和可再生能源的利用,“十二五”期间,我国能够建成动力与储能电池及其材料产业体系,满足“十二五”电动汽车和可再生能源的需求,为中长期的发展奠定产业基础。希望《化学进展》组织的“清洁能源材料与器件专辑”能为此目标的实现助一臂之力。

硅基负极材料具有最高的储锂容量和较低的电压平台,是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而,硅负极巨大的体积效应、较低的电导率以及与常规电解液的不相容性限制了其商业化应用。目前,提高硅负极性能的措施主要包括:通过设计硅基负极材料的组成和微观结构来抑制其体积变化并改善导电性,研发适于硅负极的粘结剂和电解液添加剂,探索新型集流体及电极结构等。其中改进活性硅基材料的主要措施有纳米化、复合化等。本文论述了近年来硅基复合材料研究领域的一些最新进展和研究热点,阐述了本课题组在此领域的一些工作;讨论了硅-非金属复合材料、硅-金属复合材料各自存在的技术瓶颈并展望其未来发展方向。

商用锂离子电池发展至今已有20年,为了满足不同方面的社会需求,人们迫切需要新型锂离子电池电极材料。本文首先简要介绍了锂离子电池的相关知识,随后对多种新型锂离子电池正负极材料的制备、改进方法及电化学性能做了详细介绍,最后对各种电极材料的优缺点进行了简要的总结。本文还对锂离子电池在未来的应用进行了展望,以期待锂离子电池更好地为人类服务。

正极材料是目前锂离子电池中锂离子的唯一或主要提供者,也是锂离子电池能量密度提高和价格降低的瓶颈。本文在简要介绍几类典型的正极材料结构、性能特点及存在的主要问题后,重点介绍本实验室近年来在正极材料的表面改性和结构设计方面的研究进展。

自由基聚合物是一种新近发展迅速的电荷储存与传输材料,在电化学超级电容器、光电转换器件、二次电池等方面具有诱人的应用前景。本文着重介绍这类新颖电极材料的结构特征、电化学反应机制,以及国内外的研究发展现状;分析了采用自由基聚合物构建新型二次电池的技术途径和发展趋势。

Li₄Ti₅O₁₂具有充放电循环性能好、电压平台平稳、安全性高、价格低、环境友好、易于制备等优点,在锂离子电池负极材料中得到广泛研究。本文基于国内外近期的研究进展,综述了制备Li₄Ti₅O₁₂的方法,着重介绍了固相、溶胶-凝胶、熔盐、燃烧、喷雾、水/溶剂热等几种主要的合成方法,并针对Li₄Ti₅O₁₂电导率低的缺点,详细阐述了Li₄Ti₅O₁₂电化学性能的改善方法,包括元素掺杂和导电材料改性。文章最后对此类材料的发展趋势做了展望。

硅基材料由于其高电化学容量是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料,但其在充放电过程中体积变化大、循环寿命差、首次库仑效率低等是阻碍其商业化的主要问题。本文综述了硅在脱嵌锂时晶体结构及表/界面的变化,以及改善其电化学性能方面的研究进展,并阐述其作为锂离子电池负极材料的研究前景。

锂离子电池兼具高比能和高比功率特性,是目前最为理想的动力与储能电源体系。然而,由于存在安全隐患,大容量和高功率锂离子电池的商业化应用受到了很大程度的限制。因此,发展自激发安全保护技术,提高锂离子电池的使用安全性,是近年来锂离子电池的研究热点之一。本文简要介绍了几种旨在提高锂离子电池安全性的自激发安全保护技术的作用原理,包括可聚合单体添加剂、氧化还原穿梭剂、电压敏感隔膜和温度敏感电极,分析了这些技术的应用特点和研究现状,并对相关领域的发展方向进行了展望。

本文总结了近年来纳米薄膜锂离子电池电极材料的研究情况,特别是本课题组在这方面的工作进展。我们从纳米颗粒和纳米结构两方面对各种纳米电极材料进行了分类和归纳,对于纳米颗粒组成的薄膜电极材料,除了对传统的锂-金属氧化物(LiMO₂,LiMn₂O₄等)电极材料和聚阴离子型(LiFePO₄等)电极材料薄膜化的研究做了介绍之外,着重介绍了一系列基于纳米效应的具有新型反应机理的正负极材料,包括二元金属化合物薄膜电极(MX)、含锂复合薄膜电极(M-LiX)以及多元复合薄膜电极(MXY,M₁X-Y,M₁X-M₂Y)。这些新型电极材料及其反应机理的研究为锂离子电池的发展开辟了新的方向。对于纳米结构组成的薄膜电极材料,我们主要对三维结构的纳米丝电极和三维微网碳膜电极进行了介绍,指出这些三维纳米结构材料的研究将为未来三维微电池的开发奠定基础。

锂离子二次电池界面反应主要包括锂离子嵌入/脱出、溶剂化/去溶剂化、电解液分解和固体电解质界面膜的形成与变化等。这些过程直接影响锂离子二次电池能源转换和储存的效率以及安全性能。运用红外光谱从分子水平上认识锂离子二次电池的各种界面反应过程并阐述其反应机理,有助于设计锂离子二次电池新体系、提升其性能并发展非水电解质理论。本文综述了锂离子二次电池界面过程的红外光谱(FTIRS)研究的最新进展,重点阐述锂离子二次电池研究中非原位红外光谱、原位红外反射光谱和原位红外透射光谱方法的建立及其对界面反应的分析。

电解质材料是锂离子电池的关键材料之一,它直接影响电池的性能。新型硼酸锂盐由于种类繁多且环境友好而越来越引起人们的重视。双草酸硼酸锂(LiBOB)是一种新型的锂盐,具有很好的成膜性能和热稳定性,是一种很有潜力替代现有商品化锂盐LiPF₆的物质。本文介绍了近期新型硼基锂盐的发展状况,归纳了LiBOB基电解质的研究概况,综述了影响LiBOB基电解质的因素,讨论了LiBOB与正负极材料的相容性,并对LiBOB基聚合物电解质和LiBOB塑晶电解质的应用进行了介绍。

离子液体由于具有热稳定性好、电导率高、电化学窗口宽、不挥发、不燃烧等特点,其作为新一代功能电解质材料在不同电池体系中的应用成为当前研究的热点。本文对离子液体在电池体系中的最新研究进展作了较为全面的阐述,其中着重介绍了本研究团队近年来面向锂二次电池、超级电容器和燃料电池等不同电化学体系应用研究开发的离子液体基功能电解质材料,探讨了当前存在的问题及研究的方向,并对其应用前景进行了展望。

当前的微型低能耗电子设备以及微机电系统(MEMS)器件大都使用传统的体积较大的外接电源供能,这就限制了这些微型器件的发展和应用。通过设计集成微型电源并将其与这些微器件一体化,可构筑自主微器件系统。本文主要综述了本课题组开展的与微电子技术兼容的全固态微型锂离子电池的研究,包括LiCoO₂正极薄膜材料、固态电解质-电极LiPON/LiCoO₂界面的研究以及微型锂离子电池制备工艺等。

随着锂离子电池对高安全性、高容量、高功率等性能的技术需求,新型功能电解质材料的研究开发成为锂离子电池新材料领域研发工作的重点。本文对面向锂离子电池应用的功能电解质材料锂盐和添加剂的最新研究进展作了较为全面的阐述,其中重点介绍了本研究团队近年来在面向改善锂离子电池安全性能、提高其温度适应性、增强电解质与电极材料相容特性等方面研究开发的系列基于双草酸硼酸锂 及二氟草酸硼酸锂 等有机硼酸锂盐和亚硫酸酯类等添加剂的新型功能电解质材料,其表现出高的热稳定性和良好的电化学性能。而且,其中的有机硼酸锂盐和亚硫酸酯还可以作为SEI成膜材料进行应用,其在石墨电极表面可形成稳定的SEI膜,有利于改善电池的循环寿命、自放电、库仑效率和不可逆容量衰减。最后,本文探讨了当前存在的问题及未来的研究方向,并对其应用前景进行了展望。

电极界面特性是影响锂离子电池充放电循环容量与稳定性的重要因素。本文总结了目前对电极界面特性进行研究的方法,主要包括传统的电化学方法、显微方法、谱学方法、电化学石英微晶天平等,重点论述了上述研究方法的原理、优缺点和在研究电极界面特性中的应用,以及这些方法相结合所取得的一些研究进展,并指出在今后的工作中,无论是对新材料的研究还是传统材料的研究,这些方法都仍将发挥重要作用。

随着锂离子电池能量密度进一步提高,成本进一步降低,其应用领域越来越广泛,特别是最近几年来在电动汽车和储能领域的应用被寄予厚望。然而,锂离子电池的安全性是目前制约其应用领域扩展的主要瓶颈之一。锂离子电池的安全性归根结底取决于锂离子电池材料的热稳定性,本文综述了锂离子电池材料热稳定性的理解和提高方面的最新进展。过充、热箱、针刺、挤压和内短路是最为关键和具有代表性的安全测试项目,本文在结合本课题组研究成果的基础上讨论了影响这些安全测试项目的影响因素,并总结了改善锂离子电池安全性能的方法。

锂过量层状有序/无序锂离子电池正极材料因具有出色的电化学性能而被人们广泛关注,并成为研究热点之一。所有该类型材料可以被表述为Li_1＋xM_1－xO₂ (M是一种或一种以上的过渡金属元素,x≥0)。但M通常是多个金属元素比如M= Ni_1-x-yCo_xMn_y,一些金属元素在材料中也可以具有多种价态形式例如Ni和Mn,而且可有不同的层间/层内阳离子有序。这种材料的成分、结构复杂性以及化合价多变性极容易引起读者理解上的混淆。目前文献中对此类材料的本质的理解仍不够清晰准确。在一些报道中甚至错误地翻译了一些材料的本质,而且已被报道的很多材料本质上可归结为同一类固溶体材料。本文在准确理解此类材料的结构定义基础上,首先用LiAO₂-Li₂BO₃固溶体概念诠释此类材料的本质。结合我们的研究结果,进一步讨论怎样利用相图帮助理解和设计此类材料,并评述它们的最新研究进展。

固体氧化物燃料电池 (SOFCs) 作为一种高效的能量转化装置,其成功应用将有效地节约能源和降低能源利用过程中环境污染物的排放,对人类社会的可持续发展意义重大。低温化可加快SOFCs商品化的步伐,而其关键在于开发高性能的阴极材料。本论文对近年来在中低温SOFCs阴极材料方面的研究进展进行了较全面的综述,其中包括Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ系列材料、具有两维氧离子传导特性的LnBaCo₂O_5+δ双钙钛矿型材料及其他的钴基钙钛矿型材料、非钴基阴极和贵金属修饰阴极,以及浸渍法制备的纳米修饰阴极等,指出了各种材料的优缺点及将来的发展趋势,重点介绍了本课题组在最近5年来在此方面所做的努力。质子导电型SOFCs最近几年来受到了人们的广泛关注,由于其阴极的氧还原行为与常规以氧离子导体为电解质的SOFCs有所不同,所以我们对其进行了单独的综述。最后,提出了SOFCs阴极材料的发展趋势。

固体氧化物燃料电池作为新型的能源转换装置,具有高效、清洁、稳定性高、灵活多样等特点,有着良好的发展前景。它的中低温化对于商业应用具有十分重要的意义,现阶段的研究重点主要集中于将操作温度从传统的800—1 000℃降低到600℃甚至以下。本文集中介绍了应用于600℃以下的中低温固体氧化物燃料电池,分别从低温电解质、阴极和阳极等方面进行了比较和讨论。电解质方面可以采用在低温下具有较高氧离子电导率的氧化铈基电解质,降低电解质的有效厚度,加入电子阻隔层的双层电解质结构来阻挡电子传导从而提高开路电压的方法来实现其中低温化。电极方面不仅可以通过新材料的开发来提高在低温下的催化活性,同时还可以利用离子浸渍法对电极微结构进行优化,增加三相界面长度和反应活性位,在实现电极电阻减小的同时改善阳极的燃料适应性,从而可使用更多种类的碳氢化合物作为燃料而不产生积炭现象。此外,文章还对近年来兴起的用于低温的单室固体氧化物燃料电池和微型固体氧化物燃料电池进行了介绍,这一系列新型固体氧化物燃料电池在其中低温化进程中也具有重要的影响。

无机质子导体是一类重要的功能材料,具有许多潜在的电化学应用,包括燃料电池、氢传感器、氢的电解制备和分离提纯、氢泵、水蒸气泵、氮氧化物消除、有机物的催化氢化和脱氢,核聚变反应堆废气中的氢同位素气体的回收利用,以及常压合成氨等。本文综述了无机质子导体的研究进展,尤其是近年来的最新研究进展,主要包括典型的无机质子导体,无机质子导体的缺陷化学及质子传导机制,无机质子导体材料可能的应用、问题及展望。

单气室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)是一种与传统的双气室结构燃料电池不同的新型燃料电池。SC-SOFC的阴极和阳极都暴露在单一气室中, 在工作时通入含有燃料和氧化剂的混合气体,利用阳极和阴极的选择催化作用实现发电。SC-SOFC具有结构简单、无需密封、易于进行堆叠等很多独特的优点。本文介绍了SC-SOFC近期的研究进展,内容包括工作原理的介绍、SC-SOFC的关键材料选择与研究现状、影响SC-SOFC运行的主要因素的讨论,以及微堆(电池组)系统结构设计和试验等。着重介绍了本课题组在SC-SOFC的研究工作,包括对复合阴极材料、Ni修饰氧化物阳极的研究,以及星型和阵列式等多种新型SC-SOFC微堆结构设计与实验等。最后,基于对其优缺点的分析,展望了SC-SOFC各种潜在的应用。

本文综述了固体氧化物燃料电池的关键材料——电解质、阴极以及阳极材料,总结了目前的研究现状以及今后的发展趋势,阐明了各种材料的作用与意义。按照不同类别比较了各关键材料的优缺点,以及改进各种关键材料的方法与途径,为提高电池各个组件的性能,从而提高固体氧化物燃料电池的整体性能,即电池堆的性能提供参考。另外,本文对中科院上海硅酸盐研究所在电池堆方面的研究也进行了相应的总结与阐述: 经过系列研究,目前已成功解决了平板堆高温密封难题,实现了电池堆的冷热循环;在双极连接板方面,不仅对气道和密封结构进行了成功的设计,而且攻克了等离子喷涂法制备合金抗高温氧化涂层的技术关键。自主设计开发了1 000W级和5 000W级的SOFC电池堆测试平台,运行的电堆中最大功率超过800W,最长运行时间超过1 400h,衰减率小于3%/1 000h。

固体氧化物燃料电池(SOFC)及其组元的低温制备有利于材料和电池性能的优化,降低制备成本。立方相的全致密氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质是SOFC中最通用的电解质。传统的烧结工艺需要在1 400—1 450℃才能实现YSZ电解质的致密,而使用纳米粉体和三步烧结工艺可以在1 200—1 300℃得到致密电解质。氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)电解质可以使用3nm的粉体在900℃下致密化,氧化钆掺杂的氧化铈可以通过加入烧结助剂在800℃下实现致密化烧结,这些工艺已广泛用于SOFC制备。SOFC的低温制备工艺可有效推进SOFC的产业化。

质子型可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide cells based on proton conducting electrolyte, H-RSOC)是一类可用于实现可再生电能的储存、转换和再利用的高效能量转换装置。本文根据H-RSOC的运行特点,概括介绍了H-RSOC电极、电解质材料的选择要求及新型材料研究进展,并着重介绍了H-RSOC的空气极电化学反应机理,以进一步优化和发展适宜的空气极材料和微结构,促进H-RSOC的实际应用。

质子交换膜燃料电池是最接近商业化的一种燃料电池,最有希望作为未来电动汽车的发动机,近二十年取得了长足的发展。目前限制质子交换膜燃料电池进入商业化的最主要原因是成本和寿命两大问题,寻找和开发新型材料成为解决这两大问题、推进商业化进程的必然选择,也是质子交换膜燃料电池近些年来的研究重点和热点。本文对构成质子交换膜燃料电池的几大关键材料的发展进行了介绍,首先重点介绍了质子交换膜的发展状况,包括含氟膜、非氟膜、高温膜、陶瓷膜等若干方向的发展;其次介绍了燃料电池用铂系及非铂系催化剂的研究现状;然后气体扩散层的性质及材料研究进行了综述;最后介绍了石墨、金属及复合双极板材料及加工方法的发展。本文还对每种材料的发展现状进行了简要的评述,并展望了这些材料今后的发展方向。

Pt基合金化是提高Pt系催化剂的催化活性、选择性及稳定性的常用手段,Pt基合金按其结构有序性可分为两类,一类是Pt基无序固溶相合金,常用的商用PtRu催化剂即属此类;另一类则是结构有序的Pt基金属间化合物。Pt基金属间化合物由于其特有的优点而近年来被广泛地关注。本文综述了近年来金属间化合物在低温燃料电池中的应用进展,主要包括金属间化合物的制备技术进展,介绍几种Pt基金属间化合物及非Pt基金属间化合物在低温燃料电池中的应用,并展望了金属间化合物在低温燃料电池中未来的研究方向。

作为绿色能源,直接甲醇燃料电池(DMFC)发展潜力无限,有着独特优势,且已有商业化萌芽。本文以DMFC中关键组件膜电极(MEA)为基础,主要介绍了制备高催化性能的电催化剂、高阻醇性能的质子交换膜(PEM)和高性能的MEA工艺,阐述了高效多层次活化、MEA性能再生等研究概念以及CO₂分电流的测试技术,还对催化剂成核机理、PEM传质机理、甲醇的有益渗透理论和北京科技大学关于利用高分子成型理论将催化剂浆料直接喷涂在PEM上形成立体三维网格结构实现梯度催化的催化层制备思路进行了探讨。最后,本文还介绍了流场设计,性能测试和系统控制等方面的研究现状。

锂-硫氧化还原对的比能量为2600Wh/Kg,几乎是所有的二次电池氧化还原对中最高的,当锂-硫电池放电产物为Li₂S时,电池的比容量可达到1 675mAh/g。近年来,人们在提高锂硫电池的循环可逆性和硫的利用率方面开展了大量的研究工作。本文结合本实验室的工作综述了锂硫二次电池的最新研究进展,对电池的正极、黏结剂、电解质和负极四个方面的研究进行了介绍,对锂硫电池容量衰减的因素进行分析,最后展望了锂硫电池的发展趋势。

以锂为负极、硫为正极的锂/硫二次电池,由于其较高的理论能量密度(2 600Wh/kg),而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系。但是,硫正极材料存在的活性物质利用率偏低和循环性能较差等缺点制约了锂/硫电池的快速发展。本文主要综述了基于多孔碳材料负载硫来构筑硫/碳复合材料,进而改善硫电极材料电化学性能的研究进展,多孔碳材料的高比表面积和孔隙结构有利于硫的均匀分散,其微孔和介孔的强吸附力能有效限制多硫化物的溶解与流失。因此,本文重点阐述了多孔碳的孔径因素对硫活性物质的循环性能和电化学容量的影响,并在此基础上,分析了硫/碳复合材料的研究趋势,提出基于微孔和介孔多级孔道结构的碳材料负载将有助于确保活性物质的循环性能和高电化学容量,这将可能成为硫/碳复合材料下一步研发的主要方向。

锂硫电池是一类极具发展前景的高容量储能体系。通过近10年的研究和开发,人们对这一体系的了解不断深入。虽然对其电化学过程中的复杂反应机理尚没有完整系统的理论描述,但是围绕正极材料的研究工作仍取得了很多成果,这为我们深入了解该体系的复杂性提供了诸多素材。本文回顾了过去10年间在该领域取得的成果,从锂硫电化学体系、正极材料、电解质、电极结构和基于锂硫电池反应的新体系几个方面展开,结合本实验室的研究工作,介绍了锂硫电池的研究现状,分析了该体系的缺陷和存在的问题,并展望了今后的发展方向和前景。

锂硫电池具有突出的高比能量优势和原料廉价、环境友好等优点,有望成为新一代高能电池体系,但循环性能差是制约其实用化的主要障碍。本文介绍了锂硫电池的国内外发展水平,综述了锂硫电池在正极材料、电解质、负极及体系方面的重要进展,并着重介绍了防化研究院近5年在这一领域的主要成果:制备了硫化导电高分子材料和介孔炭/硫复合材料两类正极材料,提高了硫的利用率和循环性能,其中后者在提高硫含量上更有优势;开发了高性能黏合剂明胶并设计了多孔正极;探索了适宜的电解液组成;研究了锂负极在锂硫电池特殊环境中的界面特性;集成上述技术,研制出比能量达300Wh/kg以上,100%DOD放电循环100次后容量保持率接近60%的锂硫软包装电池。展望了锂硫电池的研究方向。

柔性染料敏化太阳电池作为具有低生产成本的实用化技术受到高度重视。本文研究以金属钛为基底的纳晶TiO₂薄膜电极和以导电涂层聚合物为基底的对电极组成的柔性染料敏化太阳电池。为提高光电转换效率,采用直流低场电泳沉积、直流和脉冲电压下的电化学阳极氧化及丝网印刷,结合高温烧结方法,制备金属钛为基底的纳晶TiO₂薄膜电极和TiO₂纳米管薄膜电极;用恒电流电化学沉积、化学还原等低温技术制备导电涂层聚合物为基底的载铂对电极和碳对电极。对不同的制备方法及优化技术的机制和特点进行了分析探讨,比较了不同方法制备的纳晶TiO₂薄膜电极和对电极的性能。在此基础上,研制全柔太阳电池,最大光电转换效率达到6.74%。

染料敏化太阳能电池(DSCs)具有成本低廉、制作工艺简单、光电转换效率较高等优点,在新一代薄膜太阳能电池中,被认为是最具市场潜力的新型太阳能电池之一。电解质在染料敏化太阳能电池中起到桥梁作用,担负着还原染料、输运载流子完成电池内部循环的作用。液态电解质虽然效率高,但是易挥发和泄露,对电池的稳定性和寿命有很大的影响。因此,设计、制备高性能的固态电解质是DSCs电池发展的必然趋势,并且对电池实用化和产业化具有重要意义。本文介绍了DSCs电池的基本结构和工作原理,结合本实验室在DSCs电池方面的工作,着重阐述固态电解质的研究现状及发展趋势。

染料敏化太阳能电池是太阳能电池的重要发展方向之一,染料敏化剂是影响电池光电转换效率的重要组分,也一直是太阳能电池材料的研究热点。经过20多年的研究,现已开发的光敏染料主要有金属配合物染料和纯有机染料两大类。本文依据染料结构特征,将金属配合物染料分为钌的多吡啶配合物、其它金属(如Os、Pt)的多吡啶配合物、卟啉及酞菁类配合物分别加以讨论,对其光敏性能进行了详细评述。纯有机染料结构主要遵循电子给体-π桥-电子受体的电子推拉体系(donor-π-acceptor,D-π-A),本文将其分为多烯类、香豆素类、咔唑类、吲哚类、芴类和三苯胺类染料分别阐述,详细讨论了各类有机染料结构和光电性能之间的关系。

本文对以嵌入化合物为正极的混合超级电容器的发展做了扼要介绍,重点阐述了本试验室在水系电解液、电极材料(活性炭、MnO₂、V₂O₅、LiCoO₂、LiMn₂O₄、Na_xMnO₂和K_xMnO₂)和混合超级电容器体系的研究结果。值得注意的是,以含碱金属的嵌入化合物为正极材料的混合超级电容器更具良好的应用前景,因为该体系不同于其他超级电容器体系,不需要电解质给电极材料提供阴、阳离子,且电极材料的容量密度高,功率密度高,循环寿命长。最后,对今后的发展方向进行了展望。

与传统的二次电池相比,超级电容器具有长寿命、高功率密度的特点,但是能量密度较低。本文主要介绍了混合超级电容器的发展状况以及电极材料的最新研究进展。目前有许多研究工作者都致力于改善超级电容器体系的能量密度,一个有效的途径是提高电容器电极材料的比电容,另一个途径则应用不对称混合型超级电容器体系,即一个电极采用电极活性炭电极,而另一个电极采用赝电容电极材料或电池电极材料,通过提高电容器的工作电压,从而提高电容器的能量密度。针对提高混合型超级电容器能量密度的工作主要集中在采用具有氧化还原活性的材料与活性炭组成不对称超级电容器,比如:活性炭/NiOOH (FeOOH), 活性炭/石墨, 活性炭/金属氧化物以及活性炭/聚合物等混合超级电容器。近年来,锂离子嵌入化合物以及锂离子电池碳材料作为混合超级电容器的正极材料得到了广泛的关注。同时,介绍了针对由水系锂离子电池电极材料作为正极,活性炭作为负极组成的混合型超级电容器开展的研究工作,其正极材料包括LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiTi₂(PO₄)₃以及LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂等。以上混合型超级电容器相比于活性炭/活性炭双电层电容器,均在能量密度的提高以及工作电压的提高上得到了较大的进展。最后本文还对近几年比较热门的几种混合型电化学电容器和相关材料的未来发展趋势作了简单介绍。

炭电极材料是超级电容器的核心,该领域的研究近年来相当活跃,活性炭粉、活性炭纤维、碳凝胶、碳纳米管、玻态炭、模板炭、碳化物衍生炭、石墨烯等各种多孔炭材料用作超级电容器电极材料的研究都有报道。本文概述了我们近年来在超级电容器炭电极材料方面的研究工作,主要介绍了强碱化学活化制备活性炭电极材料、纳米CaCO₃模板法制备介孔炭电极材料、碳纳米管阵列电极以及富含杂原子的多孔炭电极材料等,并对超级电容器用炭电极材料的发展趋势进行了评述。