中國(guó)粉體網(wǎng)訊 納米石墨化碳具有的優(yōu)異電學(xué)性能及納米尺度結(jié)構(gòu)特征使其在解決鋰離子電池中高導(dǎo)電性,、導(dǎo)熱性,、充放電過(guò)程中的柔性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用,。碳材料在鋰離子電池中一直被廣泛使用。例如,，帶來(lái)了鋰電池商業(yè)化革命、解決了金屬鋰電池安全問(wèn)題的石墨插層技術(shù),、實(shí)現(xiàn)碳包覆磷酸鐵鋰正極材料等。方方面面均表明了其在鋰離子電池系統(tǒng)中重要作用,。
1 納米石墨化碳在鋰電池負(fù)極中的應(yīng)用
碳納米管＋負(fù)極活性材料
碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料,，導(dǎo)電性能好,，極化作用較小,，可提高電池的大倍率充放電性能。然而,，碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料時(shí),，會(huì)存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺(tái)不明顯等問(wèn)題,。盡管如此,，我們?nèi)皂毧吹教技{米管的研究歷史僅有20年,，在碳納米管結(jié)構(gòu)的精確控制方面仍缺乏手段,。隨著碳納米管制備技術(shù)的進(jìn)一步提升，仍有望針對(duì)負(fù)極材料結(jié)構(gòu)要求實(shí)現(xiàn)碳納米管負(fù)極材料的可控制備,。
石墨烯＋負(fù)極活性材料
理想石墨烯材料具有單層的石墨結(jié)構(gòu),，鋰離子的插入過(guò)程中能同時(shí)在石墨烯片層雙側(cè)進(jìn)行。故石墨烯可與鋰離子形成Li2C6的結(jié)構(gòu),，理論容量為傳統(tǒng)石墨類(lèi)材料的2倍,。與此同時(shí)，石墨烯片層邊緣以及石墨烯之間相互搭接形成的皺褶狀空隙結(jié)構(gòu)也貢獻(xiàn)了大量的可逆儲(chǔ)鋰容量,，如圖1所示,。石墨烯材料儲(chǔ)鋰的具體嵌入/脫嵌機(jī)制仍未徹底得到解釋?zhuān)嚓P(guān)的儲(chǔ)能機(jī)制研究仍需進(jìn)一步開(kāi)展。
納米石墨化碳-硅基復(fù)合材料＋負(fù)極活性材料
硅是一類(lèi)重要的鋰離子電池負(fù)極材料,，作為一種儲(chǔ)量十分豐富的材料,，其可以合金的形式與鋰離子合成，從而具有高達(dá)4200 mA•h/g的理論容量；同時(shí),，硅材料也具有較低的放電電位,，有利于構(gòu)建新型高能量鋰離子電池。然而,，硅材料在充放電過(guò)程中與鋰離子形成合金的過(guò)程中體積變化可達(dá)400%，導(dǎo)致硅基材料在數(shù)個(gè)循環(huán)后迅速粉化失效,。解決這一問(wèn)題的主要途徑是實(shí)現(xiàn)硅材料本身的納米化，以及通過(guò)硅與納米碳材料復(fù)合結(jié)構(gòu)獲得穩(wěn)定性更高的材料,。
納米石墨化碳-金屬氧化物復(fù)合物＋負(fù)極活性材料
大量的金屬氧化物也可作為負(fù)極材料使用,，包括SnO2、TiO2,、Co3O4,、MnO2、Fe3O4等,。與硅材料類(lèi)似,，高容量的金屬氧化物負(fù)極材料的應(yīng)用也受到低電導(dǎo)率以及充放電過(guò)程顯著的體積效應(yīng)的影響。
納米石墨化碳可以在納米尺度上實(shí)現(xiàn)其與金屬氧化物的復(fù)合,，從而克服其導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)，降低充放電過(guò)程中極化的現(xiàn)象,；另一方面也為金屬氧化物顆粒提供了力學(xué)骨架，避免粉化帶來(lái)的容量衰減,。金屬氧化物/碳納米管復(fù)合物可通過(guò)球磨,、水熱、電鍍等過(guò)程制備,。
2 納米石墨化碳在正極材料中的應(yīng)用
納米石墨化碳在正極材料中起到的主要作用是作為力學(xué)增強(qiáng)及導(dǎo)電添加劑,，以提高其功率及循環(huán)性。通常加入的較為常用的導(dǎo)電劑為導(dǎo)電炭黑,，從導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度分析,，高長(zhǎng)徑比的一維碳納米管及二維石墨烯可在低添加量下形成滲流網(wǎng)絡(luò)，使電極材料具有較高的導(dǎo)電性，同時(shí)其力學(xué)性能也可以在一定程度上避免活性材料從集流體剝離帶來(lái)的容量衰減,。研究表明,，納米石墨化碳在鈷酸鋰、錳酸鋰,、磷酸鐵鋰等正極材料中均可起到提高電極性能的作用,。
納米石墨化碳＋正極材料
以磷酸鐵鋰正極材料為例，磷酸鐵鋰具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的理論儲(chǔ)鋰容量,，而磷酸鐵鋰材料作為正極材料主要的劣勢(shì)之一就是其極低的本征電子導(dǎo)電率,。通過(guò)與導(dǎo)電性良好的納米石墨化碳復(fù)合可以有效利用碳材料構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而獲得高性能復(fù)合電極材料,。
碳納米管可用以取代正極材料中導(dǎo)電炭黑等導(dǎo)電添加劑，更高效地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,。通過(guò)對(duì)比炭黑和碳納米管在磷酸鐵鋰正極材料中的應(yīng)用，有數(shù)據(jù)顯示采用多壁碳納米管替代導(dǎo)電炭黑可提高電池的初始容量,，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性,，并降低電池體系的阻抗。
近20年來(lái),，納米石墨結(jié)構(gòu)碳（包括一維的碳納米管及石墨烯等）無(wú)論在其概念,、結(jié)構(gòu)表征到制備應(yīng)用等方面都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步,，已有眾多研究組開(kāi)發(fā)了基于納米石墨化碳的高性能鋰離子電池電極材料,，在許多方面大大超越了現(xiàn)有電極材料的性能級(jí)別,，有望大幅推進(jìn)鋰離子電池性能的提高，進(jìn)一步開(kāi)展機(jī)理研究和過(guò)程研究將對(duì)新一代高能量,、高功率鋰離子電池的開(kāi)發(fā)具有重要推動(dòng)作用,。
