碳纳米管及其在锂离子电池中的应用.docx

目前，锂离子二次电池正朝质量更轻、体积更小的方向发展，因此需要电极材料具有尽可能高的可逆容量。 碳纳米管具有很大的潜力，通过对它进一步处理，可望得到较大的可逆容量。随着新的规模制备方法的出现， 在将来的商业电池中，碳纳米管用作锂离子电池的负极材料的可能性又向前迈出了坚实的一步。碳纳米管及其在锂离子 电池中的应用◇刘培松TCL 金能电池有限公司碳纳米管及相关应用属或半导体导电性、极高的机械强度、 提供极大的帮助。 碳纳米管（CNTs ）是由碳六元环储氢能力、吸附能力和宽带电磁波吸收储氢材料 构成平面叠合而成的纳米级无缝管状 特性等，因此这种特殊的材料在20世纪 从20世纪90年代起，许多发达国 结构材料，有多层管（MWNT ）也有单 90年代初一经发现即受到物理、化学和 家都制定了系统的氢能研究计划，其 层管（SWNT）。管子的外径几至几百纳 材料科学界以及高新技术产业部门的 短期目标是氢燃料电池汽车的商业 米，内径1到几十纳米。长几十纳米到几 极大重视。现在许多应用研究都从各个 化。目前利用氢能的障碍是如何将氢 毫米，层与层之间约0.34nm。两端是封 角度不同程度的表明，碳纳米管用于多 气规模化存储和运输。碳纳米管由于 口的，也可以是开口的。有直的也有弯 种高科技领域的可能性在逐渐实现，这 其管道结构及多壁碳管之间的类石墨 的，还有螺旋状的碳纳米管。碳纳米管 也将为我们在探索未知能源领域方面 层空隙，使其成为最有潜力的储氢材 具有奇异的物理化学性能，如独特的金 料，从而成为当前研究的热点[1,2,3]。3 9Advanced Materials Industry刘培松 现任 TCL 金能电池有限公司研究开发中心总经理。长期从事聚 合物锂离子电池材料与新产品开发工作。由他领导的开发小组承担的“一 种低成本、高性能的聚合物锂离子电池制造工艺”项目和 “高能量聚合物 电池的开发与批量化生产”项目分别于 2003 年和 2005 年获得 TCL 集团科 技创新二等奖。同时在《应用化学》、《电化学》《无机化学学报》等核心期 刊发表文章多篇，并申请发明专利两项。Insight透视 场致发射 碳纳米管具有极好的场致电子发 射性能，这一性能可用于制作平面显 示装置取代体积大、质量大的阴极电 子管技术[4,5]。新型碳纤维材料及增强材料 碳纳米管由于纳米中空管及螺旋 度的共同作用，因此具有极高的强度 和理想的弹性，是一种绝好的纤维材 料，同时作为复合材料的纤维增强体， 碳纳米管同样表现出极好的强度、弹 性、抗疲劳性以及各向同性，所以在航 空、航天领域等特殊制造业上有无可 比拟的优势。另外，它作为水泥系列材 料的增强材料，在水泥中具有极高的 稳定性，对环境也无不良影响，耐冲击 性也得到了相应改善[6,7]。超级电容器的电极材料 碳纳米管结晶度高、导电性好、 比表面积大、微孔大小可通过合成工 艺加以控制 ，比表面利用率可达 100%，具备理想的超级电容器电极材 料的所有要求[8]。 新一代的电子器件 碳纳米管的特殊直径和螺旋结构 使它既具有金属导电性，也具有半导 体性能，如果能利用毛细管作用将液 态金属填充到碳纳米管中可制成纳米 金属导线，那么可使微电子器件升级 进入纳米阶段，从而制出袖珍巨型计 算机和袖珍机器人并使所有控制系统 纳米化[9,10]。锂离子充电电池的电极材料 目前锂离子电池正朝高能量密度 方向发展，并真正成为工业应用的非 化石发电的绿色可持续能源，如果能 使用碳纳米管材料做为锂离子电池的 电极材料，既可以解决传统材料低循 环、低放电的问题，也可使电池具有很高的可逆容量。除此以外，碳纳米管材料还可用于隐身材料、催化剂组分、碳纳米管肌肉和高分子/碳纳米管复合 材料、传感器、可溶性碳纳米管试剂、混纺材料等[11,12]。和脱嵌锂离子的正、负极材料及选用合适的电解质材料进行合理搭配，以 实现充放电的最大化。因此材料的选 择尤为关键。正极材料 作为正极材料的嵌锂化合物是锂 离子的贮存库。为了获得较高的单体 电池电压，应选择高电势的嵌锂化合 物。一般而言，正极材料应满足：（1）在所要求的充放电电位范围 内，具有与电解质溶液的电化学相容 性；（2）温和的电极过程动力学；（3）高度可逆性；（4）全锂化状态下在空气中稳定 性好。目前研究的热点主要集中在层状锂离子电池材料 自从1859年Gaston Plante提出 铅酸电池概念以来，化学电源界一直 在研制新的高比能量、长循环寿命的 二次电池。1990年日本索尼公司率先 研制成功锂离子电池，它是把锂离子 嵌入碳中形成负极，取代传统锂电池的金属锂或锂合金[13]。目前锂离子电池的正极材料主要是LiCoO ，其次是2LiNiO 和LiMn O [14] 。电解质为22 4LiAsF + PC(碳酸丙