淺談納米技術(shù)在鋰離子電池中的應(yīng)用

鋰離子電池作為高效儲能元件，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在消費電子領(lǐng)域，從手機到筆記本電腦都有鋰離子電池的身影，鋰離子電池取得如此輝煌的成績得益于其超高的儲能密度，以及良好的安全性能。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池的能量密度、功率密度也在不斷的提高，這其中納米技術(shù)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。說起納米技術(shù)在鋰離子電池中的應(yīng)用，小編第一個想到的就是LiFePO4，LiFePO4由于導(dǎo)電性差，為了改善其導(dǎo)電性，人們將其制備成了納米顆粒，極大的改善了LiFePO4的電化學(xué)性能。此外硅負(fù)極也是納米技術(shù)的受益者，納米硅顆粒很好的抑制了Si在嵌鋰的過程中的體積膨脹，改善了Si材料的循環(huán)性能。近日美國阿貢國家實驗室的Jun Lu在Nature nanotechnology雜志上發(fā)表文章，對納米技術(shù)在鋰離子電池上的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和回顧。

正極材料

1.LiFePO4材料

LiFePO4材料熱穩(wěn)定性好、成本低特性，吸引了人們的廣泛關(guān)注，但是由于LiFePO4材料內(nèi)部獨特的共價鍵結(jié)構(gòu)，使得LFP材料的電子電導(dǎo)率很低，因此限制了其高倍率充放電性能，為此人們將LFP材料制成納米顆粒，并采用導(dǎo)電材料（例如碳）、導(dǎo)電聚合物和金屬等材料進(jìn)行包覆。此外人們還發(fā)現(xiàn)通過向納米LFP顆粒內(nèi)利用非化學(xué)計量比固溶體摻雜方法摻入高價金屬陽離子，可以將LFP納米顆粒的電子導(dǎo)電性提高108，從而使得LFP材料可以在3min之內(nèi)完成充放電，這一點對于電動汽車而言尤為重要。

下圖a為LFP晶體在（010）方向上的晶體機構(gòu)，晶體中「PO6」八面體通過共用O原子的方式連接在一起，這種連接方式也導(dǎo)致了材料的電子電導(dǎo)率低。此外另一個影響LFP材料性能的問題是Fe占位問題，在1D方向上，Li+有很高的擴散系數(shù)，但是部分Fe占據(jù)了Li的位置，從而影響了Li在（001）方向上的擴散速度，導(dǎo)致材料的極化大，倍率性能差。

2.抑制LiMn2O4材料分解

LMO材料具有三維Li+擴散通道，因此具有很高的離子擴散系數(shù)，但是在低SoC狀態(tài)下會形成Mn3+，由于Jonh-Teller效應(yīng)的存在，導(dǎo)致LMO結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，部分Mn元素溶出到電解液中，并最終沉積到負(fù)極的表面，破壞SEI膜的結(jié)構(gòu)。目前，一種解決辦法是在LMO中添加一些低價主族金屬離子，例如Li等，取代部分Mn，從而提高在低SoC下Mn元素的價態(tài)，減少Mn3+。另外一種解決辦法是在LMO材料顆粒的表面包覆一層10-20nm厚度的氧化物、氟化物，例如ZrO2，TiO2和SiO2等。

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