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低维碳纳米材料在锂离子电池负极中的应用

平安
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楼主 发表于:2018-09-11 10:35:49
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锂离子电池目前已产业化的负极材料主要是石墨,但其比容量较低,理论容量仅为372mAh/g,且首次循环效率比较低。此外,一些高容量材料的不可逆容量大,无法满足高比能电池的需要。因此,高可逆容量和高稳定性能的锂离子电池材料急需开发。

       1、低维碳纳米材料应用于锂离子电池负极的优势


如何最大程度地嵌入锂离子以提高比容量是锂离子电池碳负极材料的主要发展方向,而碳纳米管和石墨烯的微观结构特点符合其要求。这类材料的比表面积大,锂离子脱嵌深度小且行程短,在大电流下,电极充放电的极化程度减小,循环稳定性好;碳纳米管和石墨烯的高孔隙率为有机分子的迁移提供了足够空间,并且它们与有机溶剂的相容性好,高孔隙率也给锂离子的脱嵌提供了大量的空间,进一步提高了锂离子电池的可逆容量和比能量。

2、碳纳米管在锂离子电池负极材料中的应用

2.1 碳纳米管直接作锂离子电池负极材料的缺点

碳纳米管的微观结构使得锂离子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多,同时因碳纳米管导电性能很好,具有较好的电子传导和离子运输能力,适合作锂离子电池负极材料。但采用碳纳米管直接作为锂离子电池负极材料也存在不足之处:(1)第一次不可逆容量较大,首次充放电效率比较低;(2)碳纳米管负极缺乏稳定的电压平台;(3)碳纳米管存在电位滞后现象。这些都限制了碳纳米管作为锂离子电池负极材料的实际应用。

2.2 碳纳米管-硅基复合材料在锂电池负极材料中的应用

硅作为锂电池负极材料,具有很高的理论比容量(4200 mAh/g),同时硅材料具有较低的放电电位,有利于锂离子电池输出较高的电压,且硅的储量非常丰富。然而,硅在充放电过程中体积变化非常大(大约400%),使得硅材料在数个循环后迅速粉化失效,导致循环稳定性急剧变差;还有硅的导电性也不好。碳纳米管的引入不仅可以抑制充放电过程中硅材料的体积变化;同时,碳纳米管优异的导电性也有助于提高锂离子在材料中的运输扩散速率,从而提升复合材料的储锂性能。

2.3 碳纳米管-金属氧化物复合材料在锂电池负极材料中的应用

与硅材料类似,金属氧化物也存在电导率低,在充放电过程中体积变化太大的问题。碳纳米管可以在纳米尺度上与金属氧化物实现复合,从而克服金属氧化物导电性差的缺点,减少充放电过程产生的极化现象;此外,碳纳米管也为金属氧化物颗粒提供了力学骨架,避免其粉化而产生容量衰减。

2.4 碳纳米管与硅或金属氧化物形成复合材料的方法

已有的研究结果表明有机械和化学处理两种方法。其中,采用机械处理得到的复合材料的循环性能有待提高;而化学处理得到的复合材料既能保持高容量的特性,碳纳米管坚韧的石墨管壁又能有效地抑制高容量材料的体积膨胀,从而提高碳纳米管的电化学性能。

3、石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

3.1 石墨烯不能直接用作锂离子电池负极材料

石墨烯具有较大的比表面积和蜂窝状空穴结构,因而具有较高的储锂能力。材料本身具有良好的化学稳定性、高电子迁移率以及优异的力学性能,使其作为电极材料具有突出优势。但纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差等缺陷并不能取代目前商用的碳材料直接用作锂离子电池负极材料。

3.2 硅-石墨烯基复合材料在锂电池负极材料中的应用

石墨烯是对硅负极进行改性的重要骨架材料。它能够提供自由空间来缓冲充放电过程中的体积效应,保证脱嵌锂过程中材料结构的完整性;同时,石墨烯片层间能形成稳定的导电网络,从而提高电极的储锂性能。

3.3 石墨烯-金属氧化物复合材料在锂电池负极材料中的应用

由于金属氧化物都具有较高的储锂容量,使得电极材料的能量密度得到了提高。同时,将金属氧化物颗粒引入石墨烯片层间,阻止了片层的聚集,确保了离子传输通道的畅通。

3.4 金属硫化物-石墨烯复合材料在锂电池负极材料中的应用

金属硫化物具有优异的电化学特性,尤其在作为锂离子电池负极材料时,与其它物质相比具有特有的容量和稳定性,但在脱嵌锂过程中体积变化较大,引起容量的快速衰减,目前有效的缓解办法是将金属硫化物与石墨烯基体复合。石墨烯因其高的机械强度、导电性及大的比表面积和孔隙率而被认为是最理想的基体材料。

结语

低维碳纳米材料在锂离子电池负极材料的应用,是今后高性能电池发展的一个重要领域。但目前碳纳米管或石墨烯复合电极材料的研究主要集中在复合材料的制备及其电化学性能方面,而实际应用尚未系统开展。随着对碳纳米管和石墨烯研究的不断深入,锂离子电池的使用领域将会更加广阔。


参考文献:

赵廷凯,邓娇娇,折胜飞,等.碳纳米管和石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用[J].炭素技术,2015,34(3): 1-5.

张龙飞,江琦.用于锂离子电池的石墨烯及其复合负极材料的研究进展[J].材料导报,2017,31(29):164-177.


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