纳米材料在锂电池中的应用

纳米材料在锂电池中的应用

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□摘要：纳米结构材料因其性能优越，应用日益广泛。本文讨论了纳米材料

在锂电池应用上作为锂电池的正负极与电解液时，与传统锂电池相比的优越性能（高容量、高功率、高安全性）以及尚存的一些问题，进而畅想了纳米材料在锂电池上的发展前景。

□关键词：纳米材料 锂离子电池 电极 电解液 高容量 高功率 高安全性

未来发展趋势

锂离子电池是现代材料电化学学科的一个巨大的成功，虽然这类电池已被成功地商业化，但可携式电子产品对电池轻、薄、短、小与高容量的需求越来越高，而先进的纳米科技在此一趋势下扮演了重要角色，採用纳米材料的锂电池技术可达到高容量、高功率、高安全性的效果，在未来的市场应用上具备深厚潜力。 \" Y. t7 Q: i/ Y! A5 M$ X 一、电极

【锂离子电池纳米电极存在一些潜在的优缺点】

5 W8 l优点：1.更好地释放锂嵌入和脱嵌过程中的应力，提高循环寿命；2.可发生在块体材料中不可能出现的反应；3.更高的电极、电解液接触面积提高了充放电速率；4.短的电子输运路径与短的锂离子传输路径。

缺点：1.高比表面积带来的不可预期的电极、电解液反应增加，导致自放电现象，差的循环性能及寿命；2.劣等的颗粒包装技术使其体积能量密度很低，会限制它的应用；3.电极合成过程可能会更加复杂。

认识了这些优缺点，人们已经加大在负极材料及最近展开的正极材料的研发力度。

+ M/ ~Ⅰ、负极 【储锂金属存在的问题】

储锂金属中锂的嵌入再加上相变会导致体积发生巨大的变化，产生的应力致使金属电极断裂破碎，电阻增大，存储电荷的能力骤降。 【活泼/惰性纳米复合】

该方法包含了两种材料的混合，一种与锂反应，另一种作为惰性的局域缓冲。在这种复合材料中，活泼相纳米级金属团簇被包裹在惰性非晶相基体中，在嵌锂过程中很好地消除了产生的内应力，从而提高了合金化反应的可逆性。 【纳米形貌特征对循环性能的贡献】) |/ P: y8 `/ t

' [' a TiO2-B纳米管或纳米线材料可由简单的水相合成途径大量合成，是一种优秀的锂嵌入载体，具有优异的可逆循环容量。研究发现纳米碳管的充放电容量可以超过石墨嵌锂化合物

理论容量的一倍以上，但同时也发现与其它碳材料相比,纳米碳管作为负极材料存在电位滞后,而且存在明显的双电层效应。

【颗粒度的降低拓宽了对电极材料的选择范围】d6 W5 c. t# s2 ~8 w$ N ) l+ t+ 纳米尺寸研究上的突破可能会迅速地改变人们对无机材料的化学、电化学反应原有的认识，先前因不满足传统锂插层标准而被否决的材料现在也值得重新思考。宏观&纳米级赤铁矿颗粒与锂的反应活性的对比实验显示，纳米级赤铁矿颗粒在可逆插锂过程中容量达0.6Li per Fe2O3，而无相变发生。# {5 ]' Z2 K& F

Ⅱ、正极 9 [9 B\" n: y3 p) M4 `

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【纳米正极材料使用中的稳定性问题仍待解决】

传统正极材料的使用致使与电解液的反应大大增强，特别是在高温区，出现了在微米级别正极材料的使用中未尝遇到过的安全性问题，如Mn的溶解，Jahn-Teller效应，极化增大等。为解决这些问题的研究方向主要有：优化设计合成方法、掺杂、进行表面改性、优化电解液来改善LiMn2O4 和电解液的相容性等。6 O) {\" s8 @. G( [( y+ K5 H

【调整电极材料形貌是增强电极容量的重要途径】}0 H* Z* a1 j! z

研究表明，V2O5气溶胶比多晶无孔的V2O5粉末具有更大的电活性容量，这些气溶胶与电解液有很大的接触面积，可以支持高频工作，尽管由于过程中结构的改变或非常易发生反应的表面官能团导致循环性能成为一个问题。

【插锂反应并不排斥相变的发生】0 u0 u( H6 z$ j. X/ m9 [ 3 j( g; 越来越多的例子表明，插锂过程中尽管有相变的发生，锂的嵌入仍是很容易的，特别是最终两相有较强的结构相似性时。

5 Q4 c9此外，碳包裹纳米粒子的制备使所选择的材料不再需要好的电导性能，也不再需要高的锂扩散系数，从而进一步拓宽了电极材料的选择范围。* ~. ~; y6 J% V1 O& |6 J 0 o$ E% ~\" ~: C) m( w9 P4 ?$ u

\" R6 二、电解液

锂离子电池的进展不仅需要电极性能的提高，也需要依靠电解液性能的增强。固态

聚合物电解质代表了电池所需性能的终极形式。最理想的聚合物电解质是那些无溶剂薄膜形成的，然而这些材料在室温下差的离子传导性使之无法实现那么高的期望。

将纳米级无机填充物分散于无溶剂、聚醚基的电解质中，可以使其传导性增加数个量级，人们也在开发其它可以达到高导率的聚合物电解质与这方面相关的有聚合物-盐纳米结构和离子液体的控制。按6：1比例复合的PEO5：LiXF6晶态复合体（X=P，As,Sb）显示出了离子导电性，说明在电解质中控制材料维度使之达到纳米级别会对其性能产生深远的影响。V4 z4 F3 |. M, w8 h5 I' F/ a 2 o8 C+ n& D0 A% i4 {8 U

三、未来发展趋势

高能量密度、高功率特性，又兼顾高安全性之纳米锂电池，可以分为进程、中程、长程等三个阶段目标，可以先开发纳米表面改质与纳米结构材料技术，再跨入纳米复合材料技术与纳米粉体制造与应用技术。

未来纳米锂电池，除了强调高能量化外、也将特别重视高功率与高安全性之要求。针对不同应用产品，将导入不同纳米技术于下世代纳米锂电池与材料的开发。如此，不但可以获得具有高容量与高功率的纳米电池材料，来解决目前锂电池之技术瓶颈，增加电池的性能，除了可作为3C可携式电子产品之电源外；未来更可作为电动自行车、电动机车及电动车之动力来源。藉由纳米级电池材料及制程技术的创新开发，所发展之薄膜锂电池，将有机会应

用于新世代的产品上面，包括IC 卡、MEMS、生医元件所需之薄膜锂电池。

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