中國粉體網(wǎng)訊 納米石墨化碳具有的優(yōu)異電學(xué)性能及納米尺度結(jié)構(gòu)特征使其在解決鋰離子電池中高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、充放電過程中的柔性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用。碳材料在鋰離子電池中一直被廣泛使用。例如，帶來了鋰電池商業(yè)化革命、解決了金屬鋰電池安全問題的石墨插層技術(shù)、實現(xiàn)碳包覆磷酸鐵鋰正極材料等。方方面面均表明了其在鋰離子電池系統(tǒng)中重要作用。
1 納米石墨化碳在鋰電池負(fù)極中的應(yīng)用
碳納米管＋負(fù)極活性材料
碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，導(dǎo)電性能好，極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。然而，碳納米管直接作為鋰電池負(fù)極材料時，會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不明顯等問題。盡管如此，我們?nèi)皂毧吹教技{米管的研究歷史僅有20年，在碳納米管結(jié)構(gòu)的精確控制方面仍缺乏手段。隨著碳納米管制備技術(shù)的進(jìn)一步提升，仍有望針對負(fù)極材料結(jié)構(gòu)要求實現(xiàn)碳納米管負(fù)極材料的可控制備。
石墨烯＋負(fù)極活性材料
理想石墨烯材料具有單層的石墨結(jié)構(gòu)，鋰離子的插入過程中能同時在石墨烯片層雙側(cè)進(jìn)行。故石墨烯可與鋰離子形成Li2C6的結(jié)構(gòu)，理論容量為傳統(tǒng)石墨類材料的2倍。與此同時，石墨烯片層邊緣以及石墨烯之間相互搭接形成的皺褶狀空隙結(jié)構(gòu)也貢獻(xiàn)了大量的可逆儲鋰容量，如圖1所示。石墨烯材料儲鋰的具體嵌入/脫嵌機(jī)制仍未徹底得到解釋，相關(guān)的儲能機(jī)制研究仍需進(jìn)一步開展。
納米石墨化碳-硅基復(fù)合材料＋負(fù)極活性材料
硅是一類重要的鋰離子電池負(fù)極材料，作為一種儲量十分豐富的材料，其可以合金的形式與鋰離子合成，從而具有高達(dá)4200 mA•h/g的理論容量；同時，硅材料也具有較低的放電電位，有利于構(gòu)建新型高能量鋰離子電池。然而，硅材料在充放電過程中與鋰離子形成合金的過程中體積變化可達(dá)400%，導(dǎo)致硅基材料在數(shù)個循環(huán)后迅速粉化失效。解決這一問題的主要途徑是實現(xiàn)硅材料本身的納米化，以及通過硅與納米碳材料復(fù)合結(jié)構(gòu)獲得穩(wěn)定性更高的材料。
納米石墨化碳-金屬氧化物復(fù)合物＋負(fù)極活性材料
大量的金屬氧化物也可作為負(fù)極材料使用，包括SnO2、TiO2、Co3O4、MnO2、Fe3O4等。與硅材料類似，高容量的金屬氧化物負(fù)極材料的應(yīng)用也受到低電導(dǎo)率以及充放電過程顯著的體積效應(yīng)的影響。
納米石墨化碳可以在納米尺度上實現(xiàn)其與金屬氧化物的復(fù)合，從而克服其導(dǎo)電性差的缺點，降低充放電過程中極化的現(xiàn)象；另一方面也為金屬氧化物顆粒提供了力學(xué)骨架，避免粉化帶來的容量衰減。金屬氧化物/碳納米管復(fù)合物可通過球磨、水熱、電鍍等過程制備。
2 納米石墨化碳在正極材料中的應(yīng)用
納米石墨化碳在正極材料中起到的主要作用是作為力學(xué)增強(qiáng)及導(dǎo)電添加劑，以提高其功率及循環(huán)性。通常加入的較為常用的導(dǎo)電劑為導(dǎo)電炭黑，從導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度分析，高長徑比的一維碳納米管及二維石墨烯可在低添加量下形成滲流網(wǎng)絡(luò)，使電極材料具有較高的導(dǎo)電性，同時其力學(xué)性能也可以在一定程度上避免活性材料從集流體剝離帶來的容量衰減。研究表明，納米石墨化碳在鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料中均可起到提高電極性能的作用。
納米石墨化碳＋正極材料
以磷酸鐵鋰正極材料為例，磷酸鐵鋰具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的理論儲鋰容量，而磷酸鐵鋰材料作為正極材料主要的劣勢之一就是其極低的本征電子導(dǎo)電率。通過與導(dǎo)電性良好的納米石墨化碳復(fù)合可以有效利用碳材料構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而獲得高性能復(fù)合電極材料。
碳納米管可用以取代正極材料中導(dǎo)電炭黑等導(dǎo)電添加劑，更高效地實現(xiàn)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。通過對比炭黑和碳納米管在磷酸鐵鋰正極材料中的應(yīng)用，有數(shù)據(jù)顯示采用多壁碳納米管替代導(dǎo)電炭黑可提高電池的初始容量，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性，并降低電池體系的阻抗。
近20年來，納米石墨結(jié)構(gòu)碳（包括一維的碳納米管及石墨烯等）無論在其概念、結(jié)構(gòu)表征到制備應(yīng)用等方面都得到了長足的進(jìn)步，已有眾多研究組開發(fā)了基于納米石墨化碳的高性能鋰離子電池電極材料，在許多方面大大超越了現(xiàn)有電極材料的性能級別，有望大幅推進(jìn)鋰離子電池性能的提高，進(jìn)一步開展機(jī)理研究和過程研究將對新一代高能量、高功率鋰離子電池的開發(fā)具有重要推動作用。
