作為最先進(jìn)的二次電池，鋰離子電池在索尼公司于 20 世紀(jì) 90 年代初推出以鋰鈷為負(fù)極材料電池后，一直占據(jù)著消費(fèi)電子市場(chǎng)。鋰離子電池高效運(yùn)行的關(guān)鍵在于富鋰離子的電解質(zhì)與電極中活性材料顆粒之間的有效接觸。電極材料的顆粒特性影響鋰離子的擴(kuò)散路徑、擴(kuò)散阻力、與活性材料的接觸面積、電化學(xué)性能和電池的能量密度。為了使鋰離子電池達(dá)到滿意的綜合性能，不僅要注重材料的改性，而且要平衡電極材料顆粒的性能。

因此，本文將從三個(gè)方面分析顆粒特性對(duì)電池性能的影響：顆粒尺寸、顆粒分布和顆粒形狀。深入了解粒子對(duì)電極和電池的作用和機(jī)理，將有助于開發(fā)和制造實(shí)用的鋰電池。

鋰電池本質(zhì)上是鋰離子在兩個(gè)電極之間反復(fù)循環(huán) “流動(dòng)”，鋰離子會(huì)不斷地被脫嵌和嵌入到正負(fù)極材料中，這是電極材料顆粒與電解液接觸和反應(yīng)的過(guò)程。因此，鋰化和脫鋰過(guò)程受電極材料顆粒特性的影響。由于電極中活性物質(zhì)粒子的高比表面積，以及傳輸和化學(xué)轉(zhuǎn)化中多層次結(jié)構(gòu)的多樣性，平衡粒子的性能成為實(shí)際 LIBs 技術(shù)突破的關(guān)鍵。顆粒的形態(tài)和尺寸影響鋰離子的擴(kuò)散路徑、擴(kuò)散阻力以及活性材料與電解質(zhì)的接觸面積，進(jìn)而影響 LIBs 的電化學(xué)性能。

較小的粒子通常具有較短的從粒子內(nèi)部到表面的路徑，而球形粒子可以提供較大的接觸面積并提高電極中的活性物質(zhì)含量。同時(shí)，顆粒大小分布對(duì)電極材料顆粒的堆積有直接影響，這種空間效應(yīng)會(huì)影響鋰離子的脫嵌，從而影響電池性能。

下圖作者使用八卦圖的方式，展示平衡理念，非常形象的描述了離子顆粒特性的幾個(gè)因素。更多內(nèi)容請(qǐng)閱讀原文獻(xiàn)內(nèi)容。

鋰離子、鈉離子及相關(guān)電池中電極材料的性能不僅取決于其化學(xué)成分，還取決于其微觀結(jié)構(gòu)。因此，合成方法的選擇至關(guān)重要的。在各種各樣的合成或成型路線中，報(bào)道了越來(lái)越多的組合方法，噴霧干燥作為一種多功能工具脫穎而出，提供了擴(kuò)大到工業(yè)級(jí)別的潛力。

在這篇文章中，概述了迅速增加的文獻(xiàn)研究數(shù)量，包括溶液的噴霧干燥和懸浮液的噴霧干燥。并特別關(guān)注待噴霧干燥的溶液/懸浮液配方的化學(xué)方面；也考慮了噴霧干燥前驅(qū)體的后處理以及由此產(chǎn)生的顆粒形態(tài)。在表格中引用了 300 多種出版，其中條目根據(jù)最終化合物組成、起始材料、碳來(lái)源等列出。

作者建議，關(guān)于電極材料的合成，應(yīng)從早期階段考慮將結(jié)果從克級(jí)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)移到公斤級(jí)工業(yè)規(guī)模的可能性。這在電極材料研究中尤其重要，因?yàn)樵趶男∨�量到大批量或連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，由于傳熱問(wèn)題，微觀結(jié)構(gòu)通常是放大時(shí)受影響最大的特性之一。容易放大是噴霧干燥的優(yōu)勢(shì)之一，這是一種通用且強(qiáng)大的技術(shù)，其在食品和制藥行業(yè)已成為經(jīng)典的方法，最近已擴(kuò)展到電極材料領(lǐng)域的研究。

下圖來(lái)源原文獻(xiàn)中：

噴霧干燥發(fā)表文獻(xiàn)&噴霧干燥原理介紹

噴霧干燥微觀顆粒形態(tài)

噴霧干燥流程示意圖

噴霧干燥技術(shù)是一種適用于各種先進(jìn)材料規(guī)�；�生產(chǎn)的工藝。廣泛應(yīng)用于材料、化學(xué)、食品和制藥工業(yè)領(lǐng)域。該方法具有連續(xù)性、可擴(kuò)展性、成本低、易于產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)。

它提供了生成具有特殊結(jié)構(gòu)的功能性粉末的能力，例如復(fù)合材料、核殼或封裝顆粒等。最近的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究集中在開發(fā)：

本文綜述了這些應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的噴霧干燥在相應(yīng)的先進(jìn)材料加工路線中的重要性。

BUCHI 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室噴霧干燥儀 B-290 示意圖

不同電極材料合成路線

具有精確控制工程的過(guò)渡金屬磷化物（TMP）材料的微/納米結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型合成方法的發(fā)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)其在電池中的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。本研究采用噴霧干燥技術(shù)構(gòu)建了三維（3D）N,P 共摻雜石墨烯（G-NP）微球，微球內(nèi)嵌 CoP@C 和 MoP@C 兩種核-殼型納米粒子（CoP@C ? G-NP, MoP@C ? G-NP）。

這種有意義的設(shè)計(jì)顯示了微觀結(jié)構(gòu) G-NP 和核殼 CoP@C/MoP@C 納米粒子系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)之間的密切相關(guān)性，這有助于鋰離子電池（LIBs）中的負(fù)極性能。所獲得的結(jié)構(gòu)具有通過(guò)共摻雜雜原子（N,P）制備的穩(wěn)定的多孔 G-NP 骨架，該骨架具有三維導(dǎo)電高速通道，允許離子和電子快速通過(guò)并保持材料的整體結(jié)構(gòu)完整性。內(nèi)部碳?xì)た捎行б种企w積變化并防止 CoP/MoP 納米顆粒聚集，提供出色的機(jī)械穩(wěn)定性。

因此，CoP@C ? G-NP 和 MoP@C ? G-NP 復(fù)合材料在 0.1 A g^-1 的電流密度下具有 823.6 和 602.9 mAh g^-1 的高比容量；在 1 A g^-1 下，500 次和 800 次循環(huán)后，比容量為 438 和 301mAh g^-1，表現(xiàn)出及其出色的循環(huán)穩(wěn)定性。

下面為原文獻(xiàn)截圖：

制備工藝示意圖

電化學(xué)性能測(cè)試

本研究開發(fā)了剝離石墨烯包裹的介孔氧化銅鎳（CNO）納米復(fù)合材料，采用快速噴霧干燥技術(shù)，通過(guò)石墨烯納米片（GNSs）均勻包裹了分層介孔 CNO 納米砌塊，其協(xié)同效應(yīng)有效地保護(hù)了電活性物質(zhì)免受充放電過(guò)程引起的體積變化影響。由于脫落的石墨烯片的籠化效應(yīng)產(chǎn)生的有趣結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，這些 3D/2D CNO@GNS 納米復(fù)合微球有望作為高性能鋰離子電池的負(fù)極材料。

它們表現(xiàn)出前所未有的電化學(xué)行為，如高可逆比容量（在低 0.1 mA g^-1 下的初始放電容量超過(guò) 1700 mAh g^-1； 在 1 和 5 mA g^-1 下，800 次和 1300 次循環(huán)后，比容量為 850 和 730 mAh g^-1；在超過(guò) 2000 次循環(huán) 10 mA g^-1 的非常高的電流密度下，比容量仍高于 400 mAh g^-1），出色的庫(kù)倫效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性（超過(guò) 3000 次循環(huán)，容量保持率＞55%）。與通過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)制備的大多數(shù)過(guò)渡金屬氧化物和納米復(fù)合材料相比，其在高電流密度下是顯著的。

這種簡(jiǎn)單而創(chuàng)新的材料設(shè)計(jì)對(duì)開發(fā)用于鋰離子電池或其他儲(chǔ)能設(shè)備的先進(jìn)轉(zhuǎn)換材料具有啟發(fā)意義。

噴霧干燥技術(shù)制備高度穩(wěn)定的納米硅負(fù)極。硅基材料是下一代鋰離子電池理想的負(fù)極材料；然而，在充放電過(guò)程中，硅的體積變化很大，導(dǎo)致電極斷裂和固體不穩(wěn)定?電解質(zhì)界面（SEI）層，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性和庫(kù)侖效率。新興的 2D MXene 由于其有趣的表面物理化學(xué)特性，在電催化領(lǐng)域得到了廣泛的研究。

本研究將硅納米顆粒封裝在堅(jiān)固的微米級(jí) MXene 框架中，其中 MXene 納米片通過(guò)毛細(xì)管壓縮力作用力下發(fā)生預(yù)褶皺，以有效緩沖體積變化，另外通過(guò)簡(jiǎn)單的熱自交聯(lián)反應(yīng)在相鄰納米片之間形成了豐富的共價(jià)鍵（Ti?O?Ti）進(jìn)一步保證了 MXene 框架相鄰薄片的堅(jiān)固性。

這兩個(gè)因素都穩(wěn)定了電極結(jié)構(gòu)。此外，在充放電循環(huán)時(shí)， MXene 納米片上豐富的氟/F封端基團(tuán)有助于在框架外原位形成高度緊湊、耐用且機(jī)械堅(jiān)固的富含 LiF 的電解質(zhì)界面（SEI）層，這不僅抑制了 Si 和有機(jī)電解質(zhì)之間的副反應(yīng)，還增強(qiáng)了 MXene 框架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

得益于這些優(yōu)點(diǎn)，本研究所制備的陽(yáng)極具有高達(dá) 1797 mA h/g 的高比容量，并且 500 次循環(huán)后，高容量保持率為 86.7%，平均庫(kù)侖效率為 99.6%。可以說(shuō)，這項(xiàng)工作為其它具有強(qiáng)烈體積效應(yīng)的高容量電極材料提供了思路。

高鎳層狀材料由于具有高比容量等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛作用鋰離子電池的正極材料。然而，傳統(tǒng)的共沉淀法存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、污水污染等缺點(diǎn)，因此開發(fā)一種高效、環(huán)保的合成方法具有重要意義。基于此，本文以醋酸鹽為原料，采用噴霧干燥法成功合成了 LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 材料，并研究了噴霧溶液濃度對(duì)電化學(xué)性能的影響。XRD、SEM 和 EDS 測(cè)試結(jié)果表明，合成的 LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 材料樣品具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，一次粒子堆積形成二次球形粒子微觀結(jié)構(gòu)、組分分布均勻。

恒電流充放電測(cè)試結(jié)果表明，高濃度溶液制備的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能，初始放電容量為 199.3 mAh g^-1,在 2.8-4.3 V 下循環(huán) 300 次后容量保持率高達(dá) 83%，電流密度為 1C（1C=180 mAh g^-1 ）。

電池制備工藝圖

本文采用噴霧干燥法（進(jìn)、出口溫度分別為 160℃ 和 110℃）結(jié)合低溫還原技術(shù)制備了硅@石墨烯復(fù)合材料作為負(fù)極材料。通過(guò)改進(jìn)的 Hummers 方法合成了氧化石墨烯材料，并超聲波處理將氧化石墨烯粉末分散到 5% 的乙醇溶液中。并在劇烈攪拌下將納米硅粉末均勻地分散到氧化石墨烯懸浮液中形成硅@石墨烯復(fù)合材料。XRD 結(jié)果表明復(fù)合材料由硅和石墨烯組成，并經(jīng) FT-IR 和拉曼光譜驗(yàn)證。

 SEM 和 TEM 結(jié)果表明，硅@石墨烯粉末為微米級(jí)別的球形顆粒，石墨烯片包裹了納米硅顆粒。硅@石墨烯復(fù)合材料顯示出優(yōu)良的電化學(xué)性能，當(dāng)硅和氧化石墨烯的質(zhì)量比在 1：4 時(shí)，可表現(xiàn)出最佳的電化學(xué)性能，在100 mAh g^-1 時(shí)具有 1298.1 mAh g^-1 的高初始充電容量。此外，該樣品表現(xiàn)出良好的倍率性能，這表明它是一種很有前途的鋰離子電池負(fù)極材料。