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碳纳米管在锂离子电池中的应用居然这么多

碳纳米管在锂离子电池中的应用居然这么多
发布日期:2020-05-25 浏览次数:99

自Ijima发现碳纳米管以来,关于碳纳米管在二次电池方面应用研究就没有停止过。由于其特殊的管状石墨结构和独特的弹道电子传导效应,碳纳米管在室温下的电导率可高达 103s/cm/(MK),导热系数可达 5800 W/(MK),MWCNTs (多壁碳纳米管)的导热系数可达 3000 W/(MK)。同时,三维碳纳米管阵列的定向生长具有优良的力学性能。

 

碳纳米管的应用也是十分广泛,包括电子领域(晶体管、传感器等)、生物医疗领域、航空航天(研究用航天器镜片、复合材料增强体、功能材料)、军事领域(生化防护服和地雷、爆炸物探测器)、能源领域(超级电容器、锂离子电池和太阳能热光伏设备)以及激光器等。今天我们就来了解一下碳纳米管在锂离子电池中的应用。

 

碳纳米管在锂离子电池正极材料中的应用

 

碳纳米管作为导电剂应用于正极材料中,主要用来提高电池的容量、倍率、循环等性能。

 

◆ 钴酸锂/碳纳米管复合正极材料

 

Wang等人比较了多壁碳纳米管(MWCNTs)、 碳黑(CB)和碳纤维(CF) 作为导电剂应用于LiCoO2时电池的性能差异,在2 C的倍率下,LiCoO2/MWCNT电池容量在循环过程中衰减极小,而含碳黑与碳纤维的电池20圈循环后分别衰减了10%与30%。测试显示含MWCNT电池阻抗最低,电导率最高。

 

◆ 锰酸锂/碳纳米管复合正极材料

 

Liu等人通过溶液凝胶法法合成了多壁碳纳米管/锰酸锂纳米复合物,复合材料在20次循环后容量保持率达到99%,而纯的LiMn2O4纳米颗粒20次循环后的容量保持率为90%,表明复合材料循环稳定性更好,这是因为MWCNT在电极内部形成了导电网络,使电荷转移更为容易,同时交流阻抗测试结果显示复合材料的阻抗更低。

 

◆ 磷酸铁锂/碳纳米管复合正极材料

 

Li等人研究了LiFePO4颗粒与MWCNT混合制备成的复合电极的电化学性能,扫描电镜图显示一维的MWCNT与LiFePO4颗粒组成了三维网络,有效地提高了电子在活性物质与集流体间的传导能力。

 

碳纳米管在锂离子电池负极材料中的应用

 

◆ 纯碳纳米管作为负极材料

 

碳纳米管的独特形貌和高比容量十分有利于其在锂离子电池的应用中,当锂离子能插入管间时,电极容量会大大提升。所以有人尝试直接用碳纳米管作负极材料。

 

Wu等人将模板法合成的碳纳米管制备成了纳米多孔碳膜,使得碳纳米管管内管外均能被锂离子嵌入。碳纳米管薄膜电极表现出了490m Ah·g-1

 

碳纳米管的结构及其石墨化程度决定了碳纳米管薄膜的比容量与循环寿命。低度石墨化的碳纳米管表现出更高的比容量,但稳定性差于高度石墨化的碳纳米管。这是由于锂往往优先插入到低石墨化的区域,如石墨层边界或单层石墨的表面。然而,石墨化的碳纳米管在溶锂能力上总体优于非晶碳纳米管。不同制备条件导致碳纳米管的不同微观结构和化学组分,因而决定了其电化学性能。

 

但是由于碳纳米管的比表面积较大,当其直接作为负极材料时,SEI膜的形成导致首圈的比容量损失巨大,使得碳纳米管最终容量十分有限。所以人们不得不想办法将碳纳米管与其他材料复合,来提升材料性能。

 

◆ 碳纳米管复合物负极材料

 

碳纳米管的化学惰性使它在许多化学反应中仍能保持其结构稳定性,于是许多研究者在碳纳米管上原位生长负极材料来合成复合材料电极。为了成功的制备碳纳米管复合材料电极,需要克服碳纳米管之间的范德华吸引力,因此表面分散剂或弱氧化剂是必不可少的,它们能减弱碳纳米管之间的相互作用。原位生长的负极材料包覆在碳纳米管的表面使其得到了进一步的表面修饰,这既促进了碳纳米管的分散又加强了碳纳米管与电极材料间的化学作用力。

此外研究者们还尝试制备了二氧化锡/碳纳米管复合负极材料、过渡金属氧化物/碳纳米管复合负极材料,都成功的提高了电极材料的电化学性能,为大容量、高稳定的锂离子电池发展提供了可能的解决方案。

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