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納米科技新材料——新一代鋰離子電池的希望

作者:思宇  文章來源:未知  發布時間:2014-10-21 14:32:31點擊次數:

納米科技有望以合理的成本,賦予新一代鋰離子電池更好的性能、續航能力和安全性。一個典型的鋰離子電池由三個主要部分構成:一個正極(通常由石墨和其他導電添加劑組成),一個負極(通常是一層過渡金屬氧化物)以及在充放電過程中鋰離子藉以穿梭于正負極的電解質。關于電極:鋰離子電池的電極,無論是正極還是負極,均由鋰離子易于插入的材料構成。同時,電極需擁有良好的導電性以使鋰離子電池具有較快的充電速率。使用納米尺度的材料可以加速鋰離子的插入過程,為反應提供更大的表面積和更短的擴散距離,從而加快能量存取的過程。
關于電解質
鋰離子電池中的電解質在兩電極間來回傳遞鋰離子。相較使用傳統的液態電解質,固態電解質可得到更高能量的電池及更好的安全性(避免火險)。然而,將較高的鋰離子傳導率與較寬的電位窗進行最優組合無疑是一個挑戰。與此同時,減少固態電解質與鋰基正極間的界面電阻也是一個巨大的難關。固態電解質的納米結構調控可以提高鋰離子傳導率,以傳統的塊體硫代磷酸鋰為例,當它被制成納米多孔結構時,其鋰離子傳導可加速1000倍。另一個例子是具有納米結構的聚合物電解質(NPE),安全性有保障。使用這種溫和的電解質最主要的優點在于它允許金屬鋰作為正極(取代碳基正極),有利于增加電池的能量密度。

關于提高鋰離子電池的性能
鋰離子電池的性能主要通過它每單位質量或體積所儲存的能量及功率來進行描述。鋰離子電池的功率密度在增加的同時通?;崴鶚芰棵芏?。為了得到較高的功率密度與能量密度,研究人員使用納米科技,設計出在離子遷移過程中具有較高表面積和較短擴散路徑的電極。高表面積為鋰離子接觸提供更多反應活性位點,可以得到更高的功率密度及更快的充放電速率。另一個重要的參數是電池的倍率性能,表明了鋰離子電池可以提供的最大電流輸出,對鋰離子電池的循環壽命起到關鍵影響。總體而言,更高的倍率性能會帶來更大的功率密度和更長久的循環壽命。
安全性
人們對鋰離子電池更高的功率/能量密度(P/E)比的需求會伴隨電池更大的安全風險。作為新一代鋰離子電池,人們提出較為適宜的P/E比約為0.5,在此情況下無需復雜的熱量管理。為了防止火情,在充放電過程中產生的熱量需快速被排出,電池也需由不可燃材料構成。在金屬鋰作為正極的鋰離子電池中,所謂“枝晶問題”(即鋰微觀纖維在電解質中的生長引發短路和過熱)亟待解決。

納米多孔結構的分隔器可以在不阻礙充放電過程中離子傳遞的情況下防止枝晶的擴散,起到物理屏障的作用。最近有報道稱,一種納米多孔聚合物-陶瓷復合材料制成的分隔器可以起到防止枝晶擴散的作用。這種新型分隔器由層片狀多孔γ-氧化鋁薄膜(孔徑為100 nm)夾在大孔聚合物薄膜之間構成。在這樣的層片狀復合材料中,納米多孔氧化鋁可以有效地阻礙枝晶的增殖,防止短路造成的電池失效。

熱力學上穩定的電解質,例如納米形貌調控的塑性高聚物結晶電解質(N-PCPE)可以促進鋰離子電池安全性能的發展。藉由這種納米多孔結構,N-PCPE在為此較高的離子傳導率與熱穩定性的同時具有可塑性。這使得材料即便在褶皺的情況下依然展現出較高的電化學穩定性。由于它即使在高度變形的情況下也不受內部短路的影響,N-PCPE可以取代目前使用的可燃碳酸酯基液態電解質以及聚烯烴分隔薄膜,以增加鋰離子電池的安全性。

在另一個方面,可以說納米科技促進了熱穩定先進材料在電極上的應用。例如亞氧化鈦(TiO7)是一種最先進的鋰離子電池正極材料,在循環過程中具有極好的安全性能和結構穩定性,電池的安全性能與電化學性能均得到了提升。與此同時,納米科技應用于分隔器后穩定性得到了提升而高溫收縮率減小,進而改善了電池的安全性的同時提高了電池性能。
耐久性
循環壽命(鋰離子電池能夠為此70%-80%初始電容量的情況下充放電的次數(充放電計一次循環))可以通過電極的納米結構進行提高。

新型納米結構,諸如大孔碳納米管復合TiO2-C納米電纜,由碳納米管內核與包覆于其外的二氧化鈦納米顆粒,以及覆蓋在最外側的大孔結構碳層構成。這種結構具有卓越的正極電化學性能,在高速率下具有長期循環穩定性。在50 C下2000次循環后,這種材料負載任達到了較高的122 mAhg-1。

耐久性好的的高速率鋰離子電池正極,如碳包覆Fe3O4納米顆粒均勻地附著于二維多孔石墨碳納米薄層表現出優異的循環性能(在高速率10 C下循環350次后,電容量損失僅為3.47%)。該值在其他傳統或是常見的Fe3O4納米結構所制成電極中為最高值。這里,粒徑約為18.2 nm的Fe3O4納米顆粒均勻涂覆于保角薄洋蔥狀碳殼體結構,進一步附著于碳納米薄膜(厚度<30 nm)。碳殼結構阻礙了Fe3O4納米顆粒直接暴露于電解質中,穩定了電解質-電解液界面。

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