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低維碳納米材料在鋰離子電池負極中的應用

鉅大LARGE  |  點擊量:1974次  |  2018年08月15日  

鋰離子電池目前已產業化的負極材料主要是石墨,但其比容量較低,理論容量僅為372mAh/g,且首次循環效率比較低。此外,一些高容量材料的不可逆容量大,無法滿足高比能電池的需要。因此,高可逆容量和高穩定性能的鋰離子電池材料急需開發。

1、低維碳納米材料應用于鋰離子電池負極的優勢

如何最大程度地嵌入鋰離子以提高比容量是鋰離子電池碳負極材料的主要發展方向,而碳納米管和石墨烯的微觀結構特點符合其要求。這類材料的比表面積大,鋰離子脫嵌深度小且行程短,在大電流下,電極充放電的極化程度減小,循環穩定性好;碳納米管和石墨烯的高孔隙率為有機分子的遷移提供了足夠空間,并且它們與有機溶劑的相容性好,高孔隙率也給鋰離子的脫嵌提供了大量的空間,進一步提高了鋰離子電池的可逆容量和比能量。

2、碳納米管在鋰離子電池負極材料中的應用

2.1碳納米管直接作鋰離子電池負極材料的缺點

碳納米管的微觀結構使得鋰離子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多,同時因碳納米管導電性能很好,具有較好的電子傳導和離子運輸能力,適合作鋰離子電池負極材料。但采用碳納米管直接作為鋰離子電池負極材料也存在不足之處:(1)第一次不可逆容量較大,首次充放電效率比較低;(2)碳納米管負極缺乏穩定的電壓平臺;(3)碳納米管存在電位滯后現象。這些都限制了碳納米管作為鋰離子電池負極材料的實際應用。

2.2碳納米管-硅基復合材料在鋰電池負極材料中的應用

硅作為鋰電池負極材料,具有很高的理論比容量(4200mAh/g),同時硅材料具有較低的放電電位,有利于鋰離子電池輸出較高的電壓,且硅的儲量非常豐富。然而,硅在充放電過程中體積變化非常大(大約400%),使得硅材料在數個循環后迅速粉化失效,導致循環穩定性急劇變差;還有硅的導電性也不好。碳納米管的引入不僅可以抑制充放電過程中硅材料的體積變化;同時,碳納米管優異的導電性也有助于提高鋰離子在材料中的運輸擴散速率,從而提升復合材料的儲鋰性能。

2.3碳納米管-金屬氧化物復合材料在鋰電池負極材料中的應用

與硅材料類似,金屬氧化物也存在電導率低,在充放電過程中體積變化太大的問題。碳納米管可以在納米尺度上與金屬氧化物實現復合,從而克服金屬氧化物導電性差的缺點,減少充放電過程產生的極化現象;此外,碳納米管也為金屬氧化物顆粒提供了力學骨架,避免其粉化而產生容量衰減。

2.4碳納米管與硅或金屬氧化物形成復合材料的方法

已有的研究結果表明有機械和化學處理兩種方法。其中,采用機械處理得到的復合材料的循環性能有待提高;而化學處理得到的復合材料既能保持高容量的特性,碳納米管堅韌的石墨管壁又能有效地抑制高容量材料的體積膨脹,從而提高碳納米管的電化學性能。

3、石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用

3.1石墨烯不能直接用作鋰離子電池負極材料

石墨烯具有較大的比表面積和蜂窩狀空穴結構,因而具有較高的儲鋰能力。材料本身具有良好的化學穩定性、高電子遷移率以及優異的力學性能,使其作為電極材料具有突出優勢。但純石墨烯材料由于首次循環庫侖效率低、充放電平臺較高以及循環穩定性較差等缺陷并不能取代目前商用的碳材料直接用作鋰離子電池負極材料。

3.2硅-石墨烯基復合材料在鋰電池負極材料中的應用

石墨烯是對硅負極進行改性的重要骨架材料。它能夠提供自由空間來緩沖充放電過程中的體積效應,保證脫嵌鋰過程中材料結構的完整性;同時,石墨烯片層間能形成穩定的導電網絡,從而提高電極的儲鋰性能。

3.3石墨烯-金屬氧化物復合材料在鋰電池負極材料中的應用

由于金屬氧化物都具有較高的儲鋰容量,使得電極材料的能量密度得到了提高。同時,將金屬氧化物顆粒引入石墨烯片層間,阻止了片層的聚集,確保了離子傳輸通道的暢通。

3.4金屬硫化物-石墨烯復合材料在鋰電池負極材料中的應用

金屬硫化物具有優異的電化學特性,尤其在作為鋰離子電池負極材料時,與其它物質相比具有特有的容量和穩定性,但在脫嵌鋰過程中體積變化較大,引起容量的快速衰減,目前有效的緩解辦法是將金屬硫化物與石墨烯基體復合。石墨烯因其高的機械強度、導電性及大的比表面積和孔隙率而被認為是最理想的基體材料。

結語

低維碳納米材料在鋰離子電池負極材料的應用,是今后高性能電池發展的一個重要領域。但目前碳納米管或石墨烯復合電極材料的研究主要集中在復合材料的制備及其電化學性能方面,而實際應用尚未系統開展。隨著對碳納米管和石墨烯研究的不斷深入,鋰離子電池的使用領域將會更加廣闊。

參考文獻:

趙廷凱,鄧嬌嬌,折勝飛,等.碳納米管和石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用[J].炭素技術,2015,34(3):1-5.

張龍飛,江琦.用于鋰離子電池的石墨烯及其復合負極材料的研究進展[J].材料導報,2017,31(29):164-177.

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