改进电化学功用 浅谈纳米技能在锂离子电池中的使用

锂离子电池作为高效储能元件，现已广泛的使用在花费电子范畴，从手机到笔记本电脑都有锂离子电池的身影，锂离子电池取得如此光辉的成绩得益于其超高的储能密度，以及杰出的安全功能。跟着技能的不断发展，锂离子电池的能量密度、功率密度也在不断的进步，这其间纳米技能做出了不可磨灭的贡献。

说起纳米技能在锂离子电池中的使用，小编第一个想到的即是LiFePO4，LiFePO4因为导电性差，为了改进其导电性，大家将其制备成了纳米颗粒，极大的改进了LiFePO4的电化学功能。此外硅负极也是纳米技能的受益者，纳米硅颗粒极好的按捺了Si在嵌锂的进程中的体积胀大，改进了Si资料的循环功能。

近来美国阿贡国家实验室的Jun Lu在Nature nanotechnology杂志上发表文章，对纳米技能在锂离子电池上的使用进行了总结和回顾。

LiFePO4资料热稳定性好、本钱低特性，招引了大家的广泛重视，可是因为LiFePO4资料内部共同的共价键构造，使得LFP资料的电子电导率很低，因而约束了其高倍率充放电功能，为此大家将LFP资料制成纳米颗粒，并选用导电资料(例如碳)、导电聚合物和金属等资料进行包覆。此外大家还发现经过向纳米LFP颗粒内使用非化学计量比固溶体掺杂办法掺入高价金属阳离子，可以将LFP纳米颗粒的电子导电性进步108，然后使得LFP资料可以在3min之内完结充放电，这一点关于电动汽车而言尤为首要。

LMO资料具有三维Li+扩散通道，因而具有很高的离子扩散系数，可是在低SoC状态下会构成Mn3+，因为Jonh-Teller效应的存在，致使LMO构造不稳定，有些Mn元素溶出到电解液中，并最终堆积到负极的外表，损坏SEI膜的构造。现在，一种处理办法是在LMO中增加一些低价主族金属离子，例如Li等，取代有些Mn，然后进步在低SoC下Mn元素的价态，减少Mn3+。别的一种处理办法是在LMO资料颗粒的外表包覆一层10-20nm厚度的氧化物、氟化物，例如ZrO2，TiO2和SiO2等。

NMC资料，特别是高镍NMC资料比容量可高达200mAh/g以上，并具有十分优异的循环功能。可是在充电的状态下NMC资料极容易对电解液构成氧化，因而在实践出产中，咱们不期望将NMC资料制成纳米颗粒，可是咱们可以经过纳米包覆的手法来按捺NMC的化学活性。

为了按捺高镍NMC资料与电解液的反响活性，大家测验使用纳米颗粒对资料进行包覆处理，防止资料颗粒和电解液直触摸摸，然后极大的进步了资料的循环寿数，如下图a、b所示。原子层堆积也是维护NMC资料的首要办法，研究显示3到5次原子层堆积可以取得功能最佳的NMC资料。可是因为NMC资料外表短少酸性官能团，因而很难有用的进行原子层堆积。此外核壳构造的纳米颗粒也是下降反响活性的有用办法，如图3d，高Mn外壳具有极好的稳定性，可是容量较低，高镍中心容量很高，可是反响活性大，可是这一构造还面对一个疑问即是因为晶格不匹配构成的内部应力，影响资料的循环功能，处理这一疑问可以经过梯度浓度资料来实现，如图3e所示，Ni的浓度从中心到外壳逐步下降，该资料可以到达200mAh/g以上的高可逆容量，并具有长达1000次的循环寿数。

负极资料

1.石墨资料维护

石墨资料嵌锂电压低(0.15-0.25V vs Li+/Li)，十分合适作为锂离子电池的负极资料，可是石墨资料也有一些缺陷。嵌锂后的石墨具有很强的反响活性，会与有机电解液发作反响，构成石墨片层掉落和电解液分化， SEI膜虽然可以按捺电解液的分化，可是SEI膜并不能100%对石墨负极构成维护。现在多见石墨外表维护办法有外表氧化和纳米涂层技能。

纳米涂层技能包含：无定形碳、金属和金属氧化物三大类，其间无定形碳首要是经过真空化学堆积CVD办法取得，这种办法本钱较低，合适大规模出产。金属和金属氧化物纳米涂层首要是经过湿法化学的办法取得(电镀)，可以极好的对石墨进行维护，防止电解液分化。

2.提升钛酸锂LTO和TiO2资料的倍率功能

LTO(Li4Ti5O12)资料安全性高，Li嵌入和脱嵌进程中不会发生应力，嵌锂电势较高，不会导致电解液的分化，是一种十分优异的负极资料，可是LTO资料还面对一下疑问：1)比容量低，理论比容量仅为175mAh/g；2)低电子和离子电导率。现在纳米技能在LTO上首要有以下3方面的使用：1)颗粒纳米化；2)纳米涂层技能；3)LTO纳米资料与导电资料复合。LTO资料纳米化可以有用的下降Li+的扩散距离，并增大LTO于电解液的触摸面积。纳米涂层技能可以加强LTO与电解液之间的电荷交流，改进倍率功能。几种多见的纳米涂层技能如下图所示，其间图a表示了纳米TiO2与多孔碳资料的复合构造资料。图b展现的是怎么制备LTO+CMK-3介孔碳复合资料的办法。

3.进步硅负极的能量密度

Si资料理论比容量到达3572mAh/g，远高于石墨资料，因而招引了广泛的重视，可是Si在嵌锂和脱锂的进程中会发生高达300%的体积胀大，构成颗粒的破碎和活性物质掉落，为了战胜这一缺陷，大家将Si资料制成纳米颗粒，以便减轻Si颗粒胀大发生的机械应力。现在别的Si纳米构造包含1维的纳米线，1维纳米线可以与集流体和电解液之间构成杰出的触摸，并留出足够的空间供Si胀大，因而该资料的可逆比容量高达2000mAh/g，并具有杰出的循环功能。

Li-S电池能量密度高，本钱低，是十分具有期望的下一代储能电池，可是Li-S电池现在面对的首要疑问是S电导率低，以及嵌锂产品溶解的疑问，为了处理这一疑问大家选用了多种复合纳米资料技能，例如经过将S与多孔中空碳或许金属氧氧化物纳米颗粒复合，可以明显的进步S的稳定性，进步电极的循环功能。此外，S与石墨烯资料的复合也可以明显的进步S负极的循环功能。