电池电极纳米材料

电池电极纳米材料的制备、工作原理化石燃料的大量应用导致了温室效应，随着全球变暖问题日益紧迫，节能减排成为当今世界最为关注的焦点和主题。为了降低对石油能源的依靠和二氧化碳的排放，许多国家加大了对混合电动汽车及电动汽车的研究和投入，对其主要电源设备锂离子电池的能量密度，特别是功率密度提出了更高的要求。电极材料是影响锂离子性能的关键。

纳米结构电极材料的合成，不仅是对电极材料的粒径大小进行控制，而且还要求电极材料的形貌晶体结构和结晶度等方面能可控合成。纳米结构材料作为锂离子电池电极材料，不仅发挥纳米材料的优势，而且其独特的结构能够弱化和克服纳米材料的缺点，以此提高锂离子电池的性能。由于纳米材料具有尺寸小，锂离子嵌/脱行程短，动力学性能优秀；比表面积大，嵌锂活性位点多；大电流下充放电时电极极化程度小、可逆容量高等特点，锂离子电池纳米电极材料得到广泛关注和研究。而其纳米电极材料的种类及其制备方法也各种各样。

一.三维纳米结构电极

1.三维纳米结构电极简介：

三维纳米结构电极是近年来银离子电池领域研究的一个热点，与传统的电极相比，它有更好的体积膨胀包容性、更强的电子与离子转移能力与更加稳定的机械结构等，因此在充放电过程中会表现出高得多的循环稳定性与倍率性能，被认为是下一代锂离子电池的理想选择之一。

2.三维纳米结构电极制备以及原理：

某课题组从活性材料与集流体两方面入手，设计并制造了多种三维纳米结构电极并应用于锂离子电池的负极:在活性材料的结构设计方面，通过水热法制备在Ti衬底原位合成制备得到了8:102纳米管阵列三维电极;在集流体结构的设计方面，提出了一种简单的大规模制备Cu多孔的纳米结构三维导电网络的方法，基于这种网络，分别合成得到了Si多孔三维纳米结构电极，Ge多孔三维纳米结构电极，Sn多孔三维纳米结构电极，SiGe多孔三维纳米结构电极。此外，通过引入一种Cu纳米线阵列集流体，利用不同合成方法制备得到了Cu-Ge，Cu-Sn，Cu-Si，xGex，Cu-Mn304四种核壳结构纳米线阵列三维电极。上述三维纳米结构电极均表现了较好的电化学性能。

3.小结：

近几年来，科学家们认识到改变电极结构可以有效提高活性材料的循环稳定性及大电流放电性能，一批又一批的先驱者们投入到这个方向并付出了大量的科研精力。从目前公开发表的学术论文看，三维纳米结构电极已然成为了相关领域内研究的热点，科学工作者们在电极结构设计方面也越来越精细巧妙。通常说来，裡离子电池的电极包含活性材料(active materials )与导电骨架两部分(集流体，current collector )，科学家们可以通过构造活性材料的结构或者集流体的结构来制备三维纳米结构电极。从这个角度讲，目前三维纳来结构电极有两类。一类是直接在传统的平板金属集流体上合成具有三维纳米结构的活性材料，还有一类三维纳米结构电极是从构造集流体结构的角度出发，将集流体设计成三维纳米结构，然后将活性物质沉积或包覆在三维导电骨架上。总而言之，该领域仍然有许多值得我们发现的地方。

二.纳米结构尖晶石型锂离子电池电极材料

1.纳米结构尖晶石型锂离子电池电极材料简介：

纳米尖晶石型的锂离子电池电极材料，因其具有三维隧道结构，可为锂离子提供三维扩散通道，且具有资源丰富，环境友好成本低，安全性高和倍率性能好等优点而受到广泛的关注。其电极材料因其具有较高的充放电平台，较高的放电容量，良好的循环性能以及较高的

能量密度和功率密度，而成为一种非常有潜力的可应用于锂离子电池的正极材料。另外其作为锂离子电池负极材料时，也具有循环性能好和安全性能高等优点，而受到广泛的青睐。

2.纳米结构尖晶石型锂离子电池电极材料制备以及原理：

目前，所报道的纳米结构尖晶石型LiMn2O4，LiNi0.5Mn1.5O4，Li4Ti5O4的形貌研究主要集中于纳米线、纳米棒和纳米管等一维纳米结构，以及微／纳米方块、微／纳米球（实心球和空心球）和三维（3D）微／纳多级结构。

Cui等人采用β-MnO2纳米棒作为模板，氢氧化锂为锂源，采用固相合成法制备出直径约为130nm且长为1.2um的LiMn2O4纳米棒。LiMn2O4纳米棒在1c倍率下的放电容量为100mAhg-1循环100次后，其容量保持率约为85%。表现出极好的倍率性能，其较好的电化学性能源于纳米线的形貌和高结晶度。

xia等人以自制的α－MnO2纳米棒（γ－MnO2微米球或γ－MnO2纳米空心球）为锰源，碘化锂为锂源，乙腈为溶剂，采用回流法及固相煅烧，分别制备了尖晶石结构的LiMn2O4纳米棒、微米球和纳米空心球。探讨了粒径、形貌、合成方法和晶体结构对尖晶石型LiMn2O4的电化学性能的影响，实验结果表明LiMn2O4纳米空心球的电化学性能最好，在1c倍率下，循环100次后，LiMn2O4纳米空心球、微米球和纳米棒的容量保持率依次为98％、88％和90％。

lou等人采用浸渍法和固相反应法制备了空心结构的尖晶石型LiNi0.5Mn1.5O4。首先将锰钴微米球（或微米方块）热分解为二氧化锰介孔微米球（或微米方块），使用浸渍法将氢氧化铝水合物和六水合硝酸镍浸入二氧化锰中，最后采用固相反应法制备了壁厚为500nm粒径为3.5～4.5μｍ的LiNi0.5Mn1.5O4空心微米球（或粒径为3～3.5μｍ的LiNi0.5Mn1.5O4空心微米方块），并研究了这两种空心材料的电化学性能。实验结果表明，LiNi0.5Mn1.5O4空心微米球在1c、2c、5c、10c和20c倍率下放电容量分别为118mAhg-1，117mAhg-1，115mAhg-1，111.5mAhg-1，104mAhg-1。在2c倍率下循环200次后的容量保持率为96.6％。LiNi0.5Mn1.5O4空心微米方块在1c倍率下的放电容量为124mAhg-1，在2c倍率下循环200次后的容量保持率为97.6％。作者认为这种LiNi0.5Mn1.5O4材料独特的微/纳米多级结构使其具有良好的循环性能和倍率性能，其一，组装成空心微米球（或空心微米方块）的纳米尺寸/微纳尺寸的结构基元可缩短锂离子的扩散路径和增大电解液与电极的接触面积；其次，这种特殊的空心结构可承受锂离子嵌入/脱出时所产生的结构应力和体积变化；故所制备的空心结构的LiNi0.5Mn1.5O4材料具有优异的循环性能和倍率性能。

3.小结：

纳米结构的尖晶石型锂离子电池电极材料，比单一纳米结构（颗粒）的尖晶石型电极材