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1、鋰離子電池納米電極材料摘要：納米材料因為其具有尺寸小、比表面積大等特點，在鋰離子電池電極材料的研究中倍受人民關(guān)注。使用納米電極材料之后鋰離子電池容量明顯比傳統(tǒng)的塊體材料提高很多，然而納米材料的使用也帶來了相應(yīng)的問題。本文主要討論納米材料在鋰離子電池電極材料上的應(yīng)用，分析其優(yōu)缺點和改進方法，并對未來鋰離子電池電極材料做出了展望。關(guān)鍵詞：納米材料，鋰離子電池，1.鋰離子電池原理和結(jié)構(gòu)作電壓與重量能量密度優(yōu)于常用的鎳鎘電池(Ni/Cd)與Ni/MH電池，又無記憶效應(yīng)及環(huán)保問題(鋰離子電池的金屬含量最低)，因此成為目前商業(yè)開發(fā)二次
2、電池的主流；還以其薄形化及形狀有高度的可塑性等特點，因此符合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求，所以備受各國科學(xué)家及電池業(yè)的重視，發(fā)展極快。鋰離子電池被人們稱為“綠色環(huán)保能源”和“跨世紀(jì)的能源革命”。鋰離子電池是照相機、電子手表、計算器、各種具有儲存功能的電子器件或裝置的理想電源。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1.鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池由正負電極、電解質(zhì)、隔膜和外部控制電路組成。所以研究鋰離子電池材料包括：電極材料、電解質(zhì)材料和隔膜材料。鋰離子電池工作原理如下[1]：圖2.鋰離子電池工作原理正極反應(yīng)：LiCoO2→CoO2+Li++e
3、負極反應(yīng)：Li++e+C6→LiC6電池反應(yīng)：LiCoO2+C6→CoO2+LiC6放電時：鋰離子由負極中脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，重新嵌入到正極中。充電時：鋰離子從正極中脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，嵌入到負極中。1.納米電極材料的優(yōu)缺點鋰離子電池納米電極存在一些潛在的優(yōu)缺點。優(yōu)點：（i）更好地釋放鋰嵌入和脫嵌過程中的應(yīng)力，提高循環(huán)壽命；（ii）可發(fā)生在塊體材料中不可能出現(xiàn)的反應(yīng)；（iii）更高的電極/電解液接觸面積提高了充/放電速率；（iv）短的電子輸運路徑（允許在低電導(dǎo)或高功率下使用）；（v）短的鋰離子傳輸路徑（允許在低鋰離
4、子傳導(dǎo)介質(zhì)或高功率下使用）。缺點：（i）高比表面積帶來的不可預(yù)期的電極/電解液反應(yīng)增加，導(dǎo)致自放電現(xiàn)象，差的循環(huán)性能及壽命；（ii）劣等的顆粒包裝技術(shù)使其體積能量密度很低，除非開發(fā)出一種特殊的壓縮工藝，否則會限制它的應(yīng)用；（iii）電極合成過程可能會更加復(fù)雜。認識了這些優(yōu)缺點，人們已經(jīng)加大在負極材料及最近展開的正極材料的研發(fā)力度。2.1鋰離子電池的負極材料鋰離子電池負極材料是鋰離子的主要宿主，其要求如下：（1）鋰貯存量高。（2）鋰在碳中的嵌入脫嵌反應(yīng)快，即鋰離子在固相的擴散系數(shù)大，在電極－電解液界面的移動阻抗小。（3）鋰離
5、子在電極材料中的存在狀態(tài)穩(wěn)定。（4）在電池的充放電循環(huán)中，碳負極材料體積變化小。（5）電子導(dǎo)電性高。（6）碳材料在電解液中不溶解。負極材料的選擇對電池的性能也有很大的影響。而最常用的是石墨電極，因為石墨導(dǎo)電性好。結(jié)晶度較高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)。適合鋰的嵌入脫出。而且它的插鋰電位低且平坦，可為鋰離子電池提供高的平穩(wěn)的工作電壓。大致為：0.00——0.20V之間（vsLi＋/Li）負極材料的種類包括：碳石墨材料（石墨，碳纖維，碳素，裂解等）、金屬合金、金屬氧化物（錫、鐵、錳、鎳、鈷等過渡金屬氧化物）、含鋰金屬氮化物和復(fù)合材料
6、等。碳負極材料嵌鋰容量高，其鋰論容量為372mAh/g。嵌鋰電位低且平坦，為鋰離子電池提供高而平穩(wěn)的工作電壓。容量受溶劑的影響程度較大，與有機溶劑的相容能力差。與鋰電位相近，容易在使用過程中石墨層之間形成金屬鋰枝晶。目前用石墨作炭負極的生產(chǎn)制造商主要有Panasonic（松下），Sanyo（三洋），Varta（瓦爾塔）等公司。而碳材料又包括下面分類。軟碳：軟碳主要有石油焦、針狀焦、碳纖維、碳微球等。其中，普通石油焦的比容量較低，約為160mAh/g，循環(huán)性能較差。硬碳中主要有樹脂碳(如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚糠醇PFA—C等
7、)，有機聚臺物熱解碳(PVA、PVC、PVDF、PAN等)以及碳黑(如乙炔黑)等。石墨：與普通碳材料相比，石墨的導(dǎo)電性和結(jié)晶性更好，因而得到最廣泛的應(yīng)用。石墨又分為人工石墨，天然石墨和改性石墨。目前學(xué)術(shù)界研究熱門的碳納米管在鋰離子電池負極材料上也有研究，如下圖所示：——D.A.C.Brownsonetal./JournalofPowerSources196(2011)4873–4885和普通碳材料相比，碳納米管有導(dǎo)電性好，具有多孔結(jié)構(gòu)能夠給鋰離子提供更多的儲存空間。因此碳納米管具有遠高于普通碳負極材料的理論容量，超過100
8、0mAh/g。然而正是因為碳納米管的多孔結(jié)構(gòu)，使得碳納米管負極材料容易受到電池電解液的侵蝕而遭到破壞。為了解決這個矛盾，D.A.C.Brownson等[2]，使用濃硫酸和硝酸對碳納米管進行了表面修飾，提高了鋰離子電池的循環(huán)性能。過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負極材料，因為其特殊的反應(yīng)機理（不同于石墨等的嵌
