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低维碳纳米材料应用于锂离子电池负极的优势

作者:转载   文章来源:上海儒佳机电科技有限公司   时间:2018-08-16

  锂离子电池:是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。

  锂离子电池目前已产业化的负极材料主要是石墨,但其比容量较低,理论容量仅为372mAh/g,且首次循环效率比较低。此外,一些高容量材料的不可逆容量大,无法满足高能效电池的需要。因此,高可逆容量和高稳定性能的锂离子电池材料急需开发。

  低维碳纳米材料应用于锂离子电池负极的优势

  如何最大程度地嵌入锂离子以提高比容量是锂离子电池碳负极材料的主要发展方向,而碳纳米管和石墨烯的微观结构特点符合其要求。这类材料的比表面积大,锂离子脱嵌深度小且行程短,在大电流下,电极充放电的极化程度减小,循环稳定性好;碳纳米管和石墨烯的高孔隙率为有机分子的迁移提供了足够空间,并且它们与有机溶剂的相容性好,高孔隙率也给锂离子的脱嵌提供了大量的空间,进一步提高了锂离子电池的可逆容量和比能量。

  碳纳米管在锂离子电池负极材料中发应用

1)碳纳米管直接作锂离子电池负极材料的缺点

  碳纳米管的微观结构使得锂离子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多,同时因碳纳米管导电性能很好,具有较好的电子传导和离子运输能力,适合作锂离子电池负极材料。但采用碳纳米管直接作为锂离子电池负极材料也存在不足之处:

  第一次不可逆容量较大,首次充放电效率比较低;

  碳纳米管负极缺乏稳定的电压平台;

  碳纳米管存在电位滞后现象。这些都限制了碳纳米管作为锂离子电池负极材料的实际应用。

2)碳纳米管硅基复合材料在锂离子电池负极材料中的应用

  硅作为锂离子电池负极材料,具有很高的理论比容量(4200 mAh/g),同时硅材料具有较低的放电电位,有利于锂离子电池输出较高的电压,且硅的储量非常丰富。然而,硅在充放电过程中体积变化非常大(大约400%),使得硅材料在数个循环后迅速粉化失效,导致循环稳定性急剧变差;还有硅的导电性也不好。碳纳米管的引入不仅可以抑制充放电过程中硅材料的体积变化;同时,碳纳米管优异的导电性也有助于提高锂离子在材料中的运输扩散速率,从而提升复合材料的储锂性能。


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