【復材資訊】碳納米管在鋰離子電池中的應用

2020-12-04 澎湃新聞

【復材資訊】碳納米管在鋰離子電池中的應用

2020-06-10 03:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

自發現碳納米管以來，關於碳納米管在二次電池方面應用研究就沒有停止過。由於其特殊的管狀石墨結構和獨特的彈道電子傳導效應，碳納米管在室溫下的電導率可高達 103s/cm/（MK），導熱係數可達 5800 W/（MK），MWCNTs （多壁碳納米管）的導熱係數可達 3000 W/（MK）。同時，三維碳納米管陣列的定向生長具有優良的力學性能。

碳納米管的應用也是十分廣泛，包括電子領域（電晶體、傳感器等）、生物醫療領域、航空航天（研究用太空飛行器鏡片、複合材料增強體、功能材料）、軍事領域（生化防護服和地雷、爆炸物探測器）、能源領域（超級電容器、鋰離子電池和太陽能熱光伏設備）以及雷射器等。今天我們就來了解一下碳納米管在鋰離子電池中的應用。

碳納米管在鋰離子電池正極材料中的應用

碳納米管作為導電劑應用於正極材料中，主要用來提高電池的容量、倍率、循環等性能。

◆ 鈷酸鋰/碳納米管複合正極材料

比較了多壁碳納米管(MWCNTs)、 碳黑(CB)和碳纖維(CF) 作為導電劑應用於LiCoO2時電池的性能差異，在2 C的倍率下，LiCoO2/MWCNT電池容量在循環過程中衰減極小，而含碳黑與碳纖維的電池20圈循環後分別衰減了10%與30%。測試顯示含MWCNT電池阻抗最低，電導率最高。

◆ 錳酸鋰/碳納米管複合正極材料

通過溶液凝膠法法合成了多壁碳納米管/錳酸鋰納米複合物，複合材料在20次循環後容量保持率達到99%，而純的LiMn2O4納米顆粒20次循環後的容量保持率為90%，表明複合材料循環穩定性更好，這是因為MWCNT在電極內部形成了導電網絡，使電荷轉移更為容易，同時交流阻抗測試結果顯示複合材料的阻抗更低。

◆ 磷酸鐵鋰/碳納米管複合正極材料

研究了LiFePO4顆粒與MWCNT混合製備成的複合電極的電化學性能，掃描電鏡圖顯示一維的MWCNT與LiFePO4顆粒組成了三維網絡，有效地提高了電子在活性物質與集流體間的傳導能力。

碳納米管在鋰離子電池負極材料中的應用

◆ 純碳納米管作為負極材料

碳納米管的獨特形貌和高比容量十分有利於其在鋰離子電池的應用中，當鋰離子能插入管間時，電極容量會大大提升。所以有人嘗試直接用碳納米管作負極材料。

將模板法合成的碳納米管制備成了納米多孔碳膜，使得碳納米管管內管外均能被鋰離子嵌入。碳納米管薄膜電極表現出了490m Ah·g-1。

碳納米管的結構及其石墨化程度決定了碳納米管薄膜的比容量與循環壽命。低度石墨化的碳納米管表現出更高的比容量，但穩定性差於高度石墨化的碳納米管。這是由於鋰往往優先插入到低石墨化的區域，如石墨層邊界或單層石墨的表面。然而，石墨化的碳納米管在溶鋰能力上總體優於非晶碳納米管。不同製備條件導致碳納米管的不同微觀結構和化學組分，因而決定了其電化學性能。

但是由於碳納米管的比表面積較大，當其直接作為負極材料時，SEI膜的形成導致首圈的比容量損失巨大，使得碳納米管最終容量十分有限。所以人們不得不想辦法將碳納米管與其他材料複合，來提升材料性能。

◆ 碳納米管複合物負極材料

碳納米管的化學惰性使它在許多化學反應中仍能保持其結構穩定性，於是許多研究者在碳納米管上原位生長負極材料來合成複合材料電極。為了成功的製備碳納米管複合材料電極，需要克服碳納米管之間的範德華吸引力，因此表面分散劑或弱氧化劑是必不可少的，它們能減弱碳納米管之間的相互作用。原位生長的負極材料包覆在碳納米管的表面使其得到了進一步的表面修飾，這既促進了碳納米管的分散又加強了碳納米管與電極材料間的化學作用力。

此外研究者還嘗試製備了二氧化錫/碳納米管複合負極材料、過渡金屬氧化物/碳納米管複合負極材料，都成功的提高了電極材料的電化學性能，為大容量、高穩定的鋰離子電池發展提供了可能的解決方案。

文章來源：石墨烯網

原標題：《【復材資訊】碳納米管在鋰離子電池中的應用》

閱讀原文

特別聲明

本文為澎湃號作者或機構在澎湃新聞上傳並發布，僅代表該作者或機構觀點，不代表澎湃新聞的觀點或立場，澎湃新聞僅提供信息發布平臺。申請澎湃號請用電腦訪問http://renzheng.thepaper.cn。

評論（）

相關焦點

  • 碳納米管來製造矽陽極鋰離子電池,開拓鋰離子電池電極材料的使用
    打開APP 碳納米管來製造矽陽極鋰離子電池，開拓鋰離子電池電極材料的使用 佚名 發表於 2020-04-08 16:24:27
  • 【復材資訊】科學家合成新型碳材料,由類金剛石碳納米纖維組成
    【復材資訊】科學家合成新型碳材料，由類金剛石碳納米纖維組成 2020-11-10 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • TUBALL單壁碳納米管助力電池能量密度發展
    深圳比克電池有限公司，作為中國的一家大型鋰離子電池製造商，分享了他們將單壁碳納米管應用到矽負極方面的成果。通過添加TUBALL™ BATT H2O，一種水基的單壁碳納米管懸浮液，只是在負極配方中添加了少於0.1%的單壁納米管，就讓使用矽負極的3.5Ah 的18650型電池的循環壽命從350次提高到500次。
  • 金百納碳納米管的優勢分析與應用
    深圳市金百納納米科技有限公司研發出來的碳納米管導電漿料，其型號為GCN168-40H，與同類碳納米管漿料產品相比具有金屬雜質含量低，導電性好等優點，報名角逐高工金球獎「年度創新技術/產品」的獎項。
  • J NANOMATER:碳納米管支撐的MoS2納米薄片用於鋰離子電池
    本文要點：通過溼化學法合成MoS2 /碳納米管複合材料成果簡介 二硫化鉬（MoS2）是一種類似於石墨結構的無機層材料，被隨機分散在功能化的多壁碳納米管的表面上合成MoS2 / CNT納米複合材料。TEM圖像和拉曼光譜表明，在MWNT表面上有20 nm大小的納米片狀MoS2隨機分布。電化學性能有望為鋰離子電池負極材料鋪平道路。圖文導讀 圖1：二硫化鉬的結構。圖2：（a）MoS2 / CNT和（b）在不存在CNT的情況下製備的MoS2得XRD圖譜。
  • 矽作為電池負極材料的飛躍:一種碳納米管/矽微球結構
    美國太平洋西北國家實驗室（PNNL ）的研究人員提出了一種新穎方法來使用這種有應用潛力但是目前仍問題的儲能材料。矽被用於電腦晶片和許多其他產品，因具有十倍於石墨負極的儲鋰容量，被認為是下一代鋰離子電池的理想負極。然而，矽負極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨大的體積變化，導致其循環穩定性較差，並且太弱而無法承受電極製造的壓力，制約了矽基負極的實際應用。
  • 石墨烯、碳納米管等新型導電劑前景良好,蓄勢待發
    導電劑是添加在鋰離子電池電極中，以建立更高效的導電網絡，提高電池倍率性能和循環壽命的一種材料：鋰離子電池由正極、負極、電解液、隔膜和粘結劑、導電劑等其他附屬材料組成，在目前的鋰離子電池體系中，常用正極材料為過渡 金屬氧化物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，常用負極材料為石墨、矽基材料等。
  • 基於碳納米管的世界上最快的電極，引發電池性能和應用無限突破
    基於碳納米管的世界上最快的電極，引發電池性能和應用無限突破法國儲能專家NAWA推出了一種基於碳納米管的電池電極，據說這是世界上最快的。據稱，所謂的超快電極可將功率提高10倍，將能量存儲提高3倍，將生命周期提高5倍，並將充電時間減少至數分鐘而不是數小時。
  • 碳納米管行業深度報告：動力電池驅動，碳納米管需求迎來爆發
    碳納 米管自被發現以來就因為其優異的電學、力學、化學等性能，在多項領域中顯示 出巨大應用潛力。 （1）在鋰電池領域，碳納米管憑藉優異導電性能，被廣泛應用 於鋰電池新型導電劑。： （1）炭黑：種 類相對較多，在鋰電池領域應用最多的是 SP（Supper P）,其廣泛應用於早期商業 化的鋰離子電池。
  • 碳納米管行業深度報告:動力電池驅動,碳納米管需求迎來爆發
    碳納 米管自被發現以來就因為其優異的電學、力學、化學等性能，在多項領域中顯示 出巨大應用潛力。 （1）在鋰電池領域，碳納米管憑藉優異導電性能，被廣泛應用 於鋰電池新型導電劑。其廣泛應用於早期商業 化的鋰離子電池。
  • 碳納米管產業深度研究:優秀的新型導電材料
    3）良好的導電性：碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，具有良好的導電性。碳納米管的電阻和其長度及直徑無關,電子通過碳納米管時不會產生熱量加熱碳納米管。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號在光學纖維電纜中傳輸一樣,能量損失微小，是優良的電池導電劑。
  • 美國研發碳納米管助推鋰電池 可提高電導率和倍率能力
    美國的科學家研究了在鋰離子電池電極中使用不同的導電填充材料,發現在鎳鈷錳陰極中添加單壁碳納米管可以提高整個電池的電導率和更高的倍率能力根據該小組的研究結果,可以為高功率,高能量電池電極的設計提供新的見解。在改善當今能量存儲技術的眾多途徑中,向電極中添加導電「填充」材料有望帶來更好的速率能力,導電性和整體電池性能。
  • 碳納米管產業深度研究：優秀的新型導電材料
    6）優越的嵌鋰特性：碳納米管的中空管腔、管與管之間的間隙、管壁中層與層 之間的空隙及管結構中的各種缺陷，為鋰離子提供了豐富的存儲空間和運輸通 道。鋰離子電池正極材料主要包括磷酸 鐵鋰、三元材料、鈷酸鋰、錳酸鋰等，為鋰離子電池提供鋰源，是影響鋰離子電 池能量密度、循環使用壽命、安全性等指標的關鍵材料之一。鋰離子電池正極材料的導電性能較差，難以滿足鋰離子電池的性能要求，因此 在正極材料中添加一定比例的導電劑能夠提升正極材料的導電性能。
  • 碳納米管全球高校應用研究7大領域!
    近年來，國際高校在碳納米管的諸多應用領域均取得了重大突破，包括電子領域（電晶體、傳感器等）、生物醫療領域、航空航天（研究用太空飛行器鏡片、複合材料增強體、功能材料）、軍事領域（生化防護服和地雷、爆炸物探測器）、能源領域（超級電容器、鋰離子電池和太陽能熱光伏設備）以及雷射器等，其中，碳納米管在電子器件、醫療領域以及傳感器方向有著較為廣泛的應用。
  • 石墨化碳包覆SnOxSiO2的納米電纜結構應用於高性能自支撐鋰離子電池負極材料
    隨著可攜式電子設備和電動汽車的廣泛應用和快速發展，開發具有高能量密度、高功率密度和長循環壽命的鋰離子電池變的越來越迫切。
  • 美國研發碳納米管助推鋰電池 提高電池電導率和更高倍率能力
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】在改善當今能量存儲技術的眾多途徑中，向電極中添加導電「填充」材料有望帶來更好的速率能力，導電性和整體電池性能。由德克薩斯大學奧斯汀分校（UTA）領導的科學家解釋說：「儘管已經廣泛開發了各種導電填料，但對這些填料的幾何形狀和尺寸如何影響電極電導率，結構以及最終對電化學的理解高能量存儲系統的性能仍然不足。」
  • 碳納米管國內外企業5大應用領域!
    德國朗盛公司和OCSiAl公司合作開發了碳納米管導電添加劑，據悉，這種導電添加劑使用方便，可為水性塗料、電池等提供導電錶面，同時不影響這些材料的其他關鍵性能。 同時，碳納米管具有優異的電學性能，在電池領域也應用廣泛。比如，OCSiAl公司的單壁碳納米管可提高鉛酸電池的整體性能，通過添加TUBALL碳納米管，可在高放電倍率下提高電池容量，延長電池的循環壽命。
  • 碳納米管在農業中的研究與應用
    碳納米管對植物生長發育的影響碳納米管可以進入植物組織細胞，從而影響植物的生長和發育，影響植物體內物質代謝。碳納米管可以影響植物的生長發育，而植物的生長發育在一定程度上是通過基因的表達來調控的。因此，碳納米管可能是影響了相關基因的表達，從而影響植物的生長發育。
  • 至柔至性之柔性電池:科研進展和機遇|聚合物|碳納米管|電化學|材料...
    碳材料　　眾所周知，常用的集流體是鋁（Al）和銅（Cu）等金屬箔，通常與電極材料的附著力較弱。因此，金屬集流體在電池中的應用，在反覆的機械變形過程中，存在容量損耗、能量密度低、速率性能差等問題。碳材料，如碳納米管（cnt）、石墨烯和碳納米纖維（CNFs），具有優異的熱穩定性和化學穩定性、高導電性和優異的機械性能。
  • 【復材資訊】研究人員開發新型複合膜 提高直接乙醇燃料電池效率
    【復材資訊】研究人員開發新型複合膜 提高直接乙醇燃料電池效率 2020-07-08 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務