中國粉體網(wǎng)訊  鋰離子電池目前已產(chǎn)業(yè)化的負(fù)極材料主要是石墨，但其比容量較低，理論容量僅為372mAh/g，且首次循環(huán)效率比較低。此外，一些高容量材料的不可逆容量大，無法滿足高比能電池的需要。因此，高可逆容量和高穩(wěn)定性能的鋰離子電池材料急需開發(fā)。

1、低維碳納米材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極的優(yōu)勢

如何最大程度地嵌入鋰離子以提高比容量是鋰離子電池碳負(fù)極材料的主要發(fā)展方向，而碳納米管和石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)符合其要求。這類材料的比表面積大，鋰離子脫嵌深度小且行程短，在大電流下，電極充放電的極化程度減小，循環(huán)穩(wěn)定性好；碳納米管和石墨烯的高孔隙率為有機(jī)分子的遷移提供了足夠空間，并且它們與有機(jī)溶劑的相容性好，高孔隙率也給鋰離子的脫嵌提供了大量的空間，進(jìn)一步提高了鋰離子電池的可逆容量和比能量。

2、碳納米管在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

2.1 碳納米管直接作鋰離子電池負(fù)極材料的缺點(diǎn)

碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)使得鋰離子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多，同時(shí)因碳納米管導(dǎo)電性能很好，具有較好的電子傳導(dǎo)和離子運(yùn)輸能力，適合作鋰離子電池負(fù)極材料。但采用碳納米管直接作為鋰離子電池負(fù)極材料也存在不足之處：(1)第一次不可逆容量較大，首次充放電效率比較低；(2)碳納米管負(fù)極缺乏穩(wěn)定的電壓平臺；(3)碳納米管存在電位滯后現(xiàn)象。這些都限制了碳納米管作為鋰離子電池負(fù)極材料的實(shí)際應(yīng)用。

2.2 碳納米管-硅基復(fù)合材料在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

硅作為鋰電池負(fù)極材料，具有很高的理論比容量(4200 mAh/g)，同時(shí)硅材料具有較低的放電電位，有利于鋰離子電池輸出較高的電壓，且硅的儲(chǔ)量非常豐富。然而，硅在充放電過程中體積變化非常大(大約400%)，使得硅材料在數(shù)個(gè)循環(huán)后迅速粉化失效，導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性急劇變差；還有硅的導(dǎo)電性也不好。碳納米管的引入不僅可以抑制充放電過程中硅材料的體積變化；同時(shí)，碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性也有助于提高鋰離子在材料中的運(yùn)輸擴(kuò)散速率，從而提升復(fù)合材料的儲(chǔ)鋰性能。

2.3 碳納米管-金屬氧化物復(fù)合材料在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

與硅材料類似，金屬氧化物也存在電導(dǎo)率低，在充放電過程中體積變化太大的問題。碳納米管可以在納米尺度上與金屬氧化物實(shí)現(xiàn)復(fù)合，從而克服金屬氧化物導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)，減少充放電過程產(chǎn)生的極化現(xiàn)象；此外，碳納米管也為金屬氧化物顆粒提供了力學(xué)骨架，避免其粉化而產(chǎn)生容量衰減。

2.4 碳納米管與硅或金屬氧化物形成復(fù)合材料的方法

已有的研究結(jié)果表明有機(jī)械和化學(xué)處理兩種方法。其中，采用機(jī)械處理得到的復(fù)合材料的循環(huán)性能有待提高；而化學(xué)處理得到的復(fù)合材料既能保持高容量的特性，碳納米管堅(jiān)韌的石墨管壁又能有效地抑制高容量材料的體積膨脹，從而提高碳納米管的電化學(xué)性能。

3、石墨烯在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

3.1 石墨烯不能直接用作鋰離子電池負(fù)極材料

石墨烯具有較大的比表面積和蜂窩狀空穴結(jié)構(gòu)，因而具有較高的儲(chǔ)鋰能力。材料本身具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高電子遷移率以及優(yōu)異的力學(xué)性能，使其作為電極材料具有突出優(yōu)勢。但純石墨烯材料由于首次循環(huán)庫侖效率低、充放電平臺較高以及循環(huán)穩(wěn)定性較差等缺陷并不能取代目前商用的碳材料直接用作鋰離子電池負(fù)極材料。

3.2 硅-石墨烯基復(fù)合材料在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

石墨烯是對硅負(fù)極進(jìn)行改性的重要骨架材料。它能夠提供自由空間來緩沖充放電過程中的體積效應(yīng)，保證脫嵌鋰過程中材料結(jié)構(gòu)的完整性；同時(shí)，石墨烯片層間能形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高電極的儲(chǔ)鋰性能。

3.3 石墨烯-金屬氧化物復(fù)合材料在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

由于金屬氧化物都具有較高的儲(chǔ)鋰容量，使得電極材料的能量密度得到了提高。同時(shí)，將金屬氧化物顆粒引入石墨烯片層間，阻止了片層的聚集，確保了離子傳輸通道的暢通。

3.4 金屬硫化物-石墨烯復(fù)合材料在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

金屬硫化物具有優(yōu)異的電化學(xué)特性，尤其在作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，與其它物質(zhì)相比具有特有的容量和穩(wěn)定性，但在脫嵌鋰過程中體積變化較大，引起容量的快速衰減，目前有效的緩解辦法是將金屬硫化物與石墨烯基體復(fù)合。石墨烯因其高的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性及大的比表面積和孔隙率而被認(rèn)為是最理想的基體材料。

結(jié)語

低維碳納米材料在鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用，是今后高性能電池發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。但目前碳納米管或石墨烯復(fù)合電極材料的研究主要集中在復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能方面，而實(shí)際應(yīng)用尚未系統(tǒng)開展。隨著對碳納米管和石墨烯研究的不斷深入，鋰離子電池的使用領(lǐng)域?qū)��?huì)更加廣闊。

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