享受生活、科研和教书育人的乐趣分享 http://blog.sciencenet.cn/u/刘金平 研究方向:纳米能源材料及相关基础科学问题

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关于锂电池的一点想法

已有 10421 次阅读 2008-5-19 21:40 |个人分类:科研学习|系统分类:科研笔记

  想起来做锂电池已经有快一年的时间了.一直都是做氧化物负极材料.之所以很多人都在研究负极材料,主要的原因就在于现在使用的电池负极材料石墨的容量只有370mAh/g,对于新一代的锂离子电池,要求高的容量(甚至在大的充放电电流下),高的能量密度,同时具有高的循环性能,这样才可以满足不仅仅是现在的手机,相机,笔记本电脑的要求,而且还需要满足为机械,交通工具等提供电池能源.相比之下,大多数氧化物像Fe2O3,Co3O4,SnO2等的理论容量都至少是石墨的两三倍.然而要真正有使用价值的话,电池的循环次数至少是500次以上.石墨的循环可以上千次,这个也正是它能够被广泛使用的主要原因.氧化物的循环就不容乐观了.纳米材料的出现为新一代的电池带来新的生命.人们用各种不同的途径改善纳米结构,想方设法提高寿命和大电流放电的能力.

  材料结构在很多时候都直接影响性质,尤其是纳米结构材料的尺寸,形貌,表面特性对其的物理化学性质的影响很大。我们该怎样改变材料的结构属性来提高电池的性能呢?可以大概总结为以下几个方面:(1)合成尺寸小单分散的纳米结构。比如小于50nm的颗粒,直径小于50nm的纳米线、纳米棒。这种构想是针对氧化物锂离子电池目前还存在的一个不足而来的。我们知道,大多数的活性材料在嵌锂和脱嵌的过程中体积变化巨大,这样在几次循环后,材料的结构膨胀,松散,最终导致电学接触不良,容量剧烈衰退。而纳米材料由于尺寸小,局部体积膨胀明显下降,有效地维持了材料在充电放电过程的完整性。(2)制备多空隙,高比表面积的纳米活性材料。电池的组成部分中一个重要的成分就是电解液。使得电解液有效地与活性材料表面接触是很关键的因素。孔状材料,以及高表面的材料就能够实现与更多的电解液接触,形成良好的导电性能。为了制备多孔材料,人们往往使用化学模板方法。还有就是化学自组装合成介孔纳米材料。很多材料的比表面积都能够提高到几百平方米每克。电化学嵌锂的性能也因此得到了大大的提高。(3)设计复合纳米材料提高氧化物的电子传导性。主要有C/氧化物核壳结构,金属/氧化物核壳结构的合成。这种特殊的结构在有着较大的比表面积同时,有效提高了氧化物材料的导电性能,从而最终提高了电池的容量。对于很多理论容量很高但是电子和离子传导性很差的复杂氧化物,这种途径是非常行之有效的。(4)还有一种改善锂离子电池性能的方法最近出现了一些报道。跟我自己的想法一致,在电极上直接合成纳米阵列材料,尤其是介孔阵列材料对电池的容量和循环性能会有质的改变。这种构置的材料有哪些优点呢?首先,每一根纳米线/纳米棒都是直接与电极接触的,因此都可以参与电化学反应。这与以前的传统粉末电极不一样。在那种情况下,只有直接与电极接触的粉末才能起到直接的电化学反应,而这些粉末只占有总体活性材料的一小部分,对得到高的电化学容量非常不利。其次,阵列上每根纳米线/棒之间都有效地提供了空隙,这些空隙有利于电解液的扩散和电解液与活性材料的接触,减小了界面电阻,有利于提高性能。再次,一维的结构本身就为良好的电子传输提供了路径。不像颗粒组成的薄膜,电子的传输必须跳过颗粒接触的界面势垒。另外,正是因为每根纳米线有效地与电极接触,就没有必要像传统的电池电极准备过程那样将活性材料与碳黑、胶黏剂混合,这样减少了实验的成本。更有趣的是,如果我们在此基础上将纳米线做成介孔的,将更有利于电解液和材料的接触,降低界面电阻,提高导电性能.我的调研范围内,目前他人报道的,只有Si,Co3O4两种材料08年用这种方法实现了.

  然而,目前的大部分都是基础研究,只是循环性能有改善和提高.真正能够循环500次甚至千次的基于纳米材料的,尤其是氧化物纳米材料负极的很少,或者说没有.我自己的实验经验告诉我,很多时候电池只是在一个阶段,比如说前20次很稳定,或者前50次稳定,之后还是在慢慢的容量衰减.所以文献里面作了10次,20次之后好象稳定下来的其实也不一定真正稳定下来了.我自己的文章里面也都从来不说10次或者20次之后那个是稳定的容量.因为那还是基础研究,我们不能说,不然会误导读者.现在纯的氧化物材料能够作到100次后还有500mAh/g以上的容量就很了不起了.很多研究表明用碳修饰或者混合可以进一步提高循环性能,但是真正当循环次数提高到1000次的时候,容量也估计不会高出纯石墨多少,碳的存在在容量上大大的拉了后退.这也是一个叫人困惑的地方.

  尽管如次,纳米材料在锂电池的应用的确还是有很大的潜力.现在的基础研究还是很必要的,找到必要的解决循环性能的方法的道路还很曲折.目前来讲,能有明显的改善就已经不错了.路漫漫,还是要继续走..



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