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          解析碳納米管材料在鋰離子電池中的應用

              目前廣泛應用的鋰離子電池負極材料通常是石墨或者一些碳的其他形態,最常見的鋰離子電池負極石墨材料主要有人造石墨和天然石墨,以及中間相碳微球。其中應用最為廣泛的主要是人造石墨和天然石墨,但是近年來中間相碳微球由于其在容量方面的優勢,正逐漸得到廣泛的應用。在塊狀石墨中,鋰會非連續的嵌入到石墨層間(分段現象),形成最大化合物LiC6(理論容量為372mAh/g)。

            在鋰含量較低時,電壓曲線以較大的斜率下降,當電壓低于100mV的時候,在鋰繼續嵌入的過程中,會出現兩個電壓平臺,在阻抗和化學極化的作用下,電壓會出現很小的滯后現象。低電壓的優勢是可以提高電池的電壓,提高能量密度,缺點是在較低的電壓下,可能會造成鋰的析出,造成安全問題。碳納米管的使用可以提高電池的循環性能,但是會影響電池的電壓曲線(電壓范圍變寬,電壓滯后變大)。

            碳納米管是典型的納米材料,由于其優異的機械和電子特性,應用范圍十分廣泛。鋰離子電池中使用碳納米管首見于Landi等人的報道。單壁碳納米管(SWNT)是單層石墨烯管,直徑為幾納米,長度在亞微米到微米的范圍內。Gao等人首先研究了鋰在SWNT中的電化學嵌入,他們在初始循環中觀測到了600mAh/g的容量,但是當對SWNT進行球磨后其容量會增加到1000mAh/g。

            有人提出這可能是球磨對碳納米管的管壁造成了一定程度的破壞,從而引起SWNT的無序化,從而增加了鋰的嵌入點位,也增加了鋰離子進入到碳納米管內部的通道。碳納米管的特點是循環電壓范圍寬(0~3V vs Li/Li+),明顯的電壓滯后,以及初始嵌鋰時不可逆容量大(這可能是由于碳納米管較高的比表面積造成電解液在其表面分解較多造成的,也有一部分嵌入到碳納米管內部的鋰成為失去活性成為死鋰,造成容量損失)

            多壁碳納米管(MWNT)是由石墨烯卷成同心圓柱體制成的,科研人員也研究了它的的鋰電化學插入特性。MWNT的嵌鋰電壓和循環電壓與SWNT十分相似:不可逆容量高(主要在1V附近,主要原因為電解液在碳納米管的高比表面積上發生分解),電壓范圍寬(0~3V vs Li/Li+),以及明顯的電壓滯后(脫鋰和嵌鋰間的差別為1V甚至更大)。可逆容量只有100~400mAh/g,比SWNT更低,相比于傳統的石墨負極沒有明顯的提高。但是MWNT對高溫處理十分敏感,經過高溫處理,石墨化程度提高,顯著的降低了不可逆容量,并提高了可逆容量。這主要是高溫處理后,樣品的表面積變低和樣品的無序性降低。

            盡管對碳納米管進行了多年的研究,但是近年來對碳納米管嵌鋰和循環性能的研究并沒有使得碳納米管在容量或者倍率性能方面與傳統石墨材料或者碳微球相比有明顯的優勢。碳納米管在實際應用中仍然存在不可逆容量大,電壓范圍寬以及電壓滯后明顯的問題。同時由于成本方面的問題,碳納米管離實際應用仍然會有很長的路要走,但是作為一種導電劑添加,提高電極的導電性,降低電池極化,已經在實際生產中獲得應用。


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