不同納米材料在電極材料中的應(yīng)用研究畢業(yè)論文

1、 . . . 不同納米材料在電極材料中的應(yīng)用研究摘要：提高鋰離子電池的性能，關(guān)鍵在于選取合適的電極材料。本文介紹了不同納米材料在鋰離子電池中的應(yīng)用情況。主要綜述了近幾年鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用與研究情況,如石墨烯與過渡金屬氧化物( MxOy，M = Sn、Co、Fe、Mn、Cu、Ni等)復(fù)合材料、納米線復(fù)合材料等的應(yīng)用，研究了不同的納米復(fù)合材料與石墨烯復(fù)合材料的穩(wěn)定性與其充放電的性能，同時(shí)展望了納米材料在電極材料中的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：鋰離子電池 石墨烯 過渡金屬氧化物 儲(chǔ)鋰 復(fù)合材料0 引言能源和環(huán)境是人類跨入21 世紀(jì)面對(duì)的兩個(gè)嚴(yán)峻的問題，開發(fā)新能源和可再生清潔能源是世界經(jīng)濟(jì)中最具決定性影

2、響的技術(shù)領(lǐng)域之一。鋰離子電池作為一種綠色能源，具有工作電壓高，質(zhì)量輕，比能量大，自放電小，循環(huán)壽命長(zhǎng)，無記憶效應(yīng)，無環(huán)境污染等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是攝像機(jī)、移動(dòng)、筆記本電腦以與便攜式測(cè)量?jī)x器等電子裝置小型輕量化的理想電源，也是未來汽車高能動(dòng)力電池的首選電源。鋰離子電池真正投入商業(yè)化生產(chǎn)是在世紀(jì)年代初期，對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)性的研究也只進(jìn)行了余年。因此，鋰離子電化學(xué)仍是一門新興的學(xué)科，如何改進(jìn)鋰離子電池的性能，如容量、功率、穩(wěn)定能、安全性、成本、充放電速率、壽命和環(huán)境保護(hù)等方面，仍有極大的探索空間和發(fā)展?jié)摿Α?duì)鋰離子電池進(jìn)行性能上的改善和提高，主要可以從電極材料、電解質(zhì)和電池組裝工藝3個(gè)方面入手。 鋰離

3、子電池性能的提高關(guān)鍵在于其電極材料性能的改善，而負(fù)極材料是提高電池容量和循還性能的重要因素。目前，鋰離子電池所采用的碳負(fù)極材料其理論容量為372 mA ·h/ g ，研究有更高比容量的負(fù)極材料代替碳材料，以提高鋰離子電池的能量密度，具有重要的意義。而過渡金屬氧化物( MxOy，M = Sn、Co、Fe、Mn、Cu、Ni等)由于其較高的比容量，引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，對(duì)于單純的金屬氧化物負(fù)極材料，盡管其理論的比容量較高，但其循環(huán)穩(wěn)定性不與碳材料，且倍率性能低，故在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了基于過渡金屬氧化物的復(fù)合材料1。由于碳納米管（CNTs）與石墨烯(Graphene)的非常好的力學(xué)性能與

4、導(dǎo)電性能，過渡金屬氧化物與碳納米管和石墨烯的復(fù)合材料是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。復(fù)合材料綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有有益的循環(huán)性能、較高的比容量與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，一維納米線、孔結(jié)構(gòu)的氧化物負(fù)極材料等也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。進(jìn)入二十世紀(jì)90年代，納米科學(xué)技術(shù)擴(kuò)展到電化學(xué)領(lǐng)域。由于納米材料具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，因此納米材料具有許多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如比表面積大、鋰離子脫出嵌入深度小，行程短的特點(diǎn)，作為電極材料，可逆容量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電過程中體積變化小。本文從不同納米材料的結(jié)構(gòu)和性能出發(fā)，綜合其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，探討了其儲(chǔ)鋰機(jī)制和充放電的性能，最后展望了各納米材料的發(fā)展前景。1

5、 鋰離子電池的工作原理鋰離子電池由正極、負(fù)極和電解質(zhì)構(gòu)成。充電時(shí)從正極材料中脫出，經(jīng)由電解質(zhì)向負(fù)極遷移，同時(shí)電子在外電路從正極流向負(fù)極，在負(fù)極得到電子后向負(fù)極晶格中嵌入，放電時(shí)則相反。以商業(yè)化的石墨/電池為例，圖1給出了鋰電池的充放電原理圖。Li+和Co+各自位于立方緊密堆積氧層替的八面體位置。充電時(shí)，鋰離子從八面體位置脫出，釋放一個(gè)電子，氧化為。鋰離子經(jīng)電解液到達(dá)石墨負(fù)極，插入到石墨片層，同時(shí)電子作為補(bǔ)償電荷從外電路到達(dá)石墨負(fù)極，以保證負(fù)極的電荷平衡。放電時(shí)則相反。在正常充放電情況下，鋰離子在和石墨和層間來回嵌入和脫出，一般只引起層間距的變化，不破壞晶體結(jié)構(gòu)2。2 鋰離子電池對(duì)于負(fù)極材料的要

6、求 目前，發(fā)展高比容量鋰離子電池的關(guān)鍵在于制備能夠可逆插入 和脫嵌鋰離子的負(fù)極材料。這類材料一般應(yīng)具有以下性能3： （1）在負(fù)極材料量鋰離子可以發(fā)生可逆插入和脫嵌以獲得高比容量；（2）氧化還原電位隨鋰離子插入量的變化應(yīng)該盡可能小，這樣電池的電壓不會(huì)發(fā)生顯著變化，可保持較平穩(wěn)的充放電；（3）在整個(gè)插入/脫嵌過程中，鋰離子的插入和脫嵌不引起材料結(jié)構(gòu)的較大變化，以確保良好的循環(huán)性能（4）鋰離子在電極材料中有較大的擴(kuò)散系數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電；（5）插入化合物有較好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，這樣可以減少極化，并能進(jìn)行大電流充放電。3 鋰離子電池負(fù)極材料 目前負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾種:碳材料

7、、硅基材料、納米金屬氧化物、金屬與新型合金。3.1 碳材料根據(jù)石墨化的程度，碳材料一般可分為石墨、軟碳和硬碳。此外還有低溫處理碳前驅(qū)體得到的無定形碳材料。石墨在碳家族中首先被用于商品化鋰離子電池的負(fù)極材料，解決了金屬鋰做負(fù)極材料時(shí)存在的安全問題，實(shí)現(xiàn)了可逆充放電，但受層間儲(chǔ)鋰數(shù)量所限，它的比容量低。而硬碳和無定形碳材料雖然具有較高的容量，但結(jié)構(gòu)不太穩(wěn)定，存在電壓滯后現(xiàn)象和較大的容量衰減以與較大的首次不可逆容量，不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求，至今也沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。零維的富勒烯、一維的碳納米管和二維的石墨烯相繼被發(fā)現(xiàn)，使碳負(fù)極材料絕處逢生，邁入新的歷史時(shí)期。碳納米管僅為納米尺寸，管與管之間交錯(cuò)的縫隙也僅為

8、納米尺寸。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得鋰離子的嵌入深度小，路徑短。鋰離子不僅可嵌入到管各管徑、管芯，而且可嵌入到管間的間隙中，從而為鋰離子提供大量的嵌入位置，所以具有很好的貯鋰能力，其可逆比容量分別為 351mAh/g和681mAh/g，而且電極循環(huán)穩(wěn)定性好。然而，碳納米管改性石墨電極材料的最大缺點(diǎn)在于，其首次不可逆比容量比較高，這主要是由其管狀結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)在鏗離子插入和脫插過程中的不對(duì)稱性引起的。后來發(fā)現(xiàn)的石墨烯具有與碳納米管相似甚至更優(yōu)秀的性能，更大的比表面積、更高的電子遷移率、較小的質(zhì)量密度、好的延展性、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性等，此外，其單層的分子結(jié)構(gòu)，使得鑲嵌在其表面的鋰離子在脫嵌時(shí)少了很多限

9、制，即鋰離子在插入和脫嵌時(shí)具有的對(duì)稱性增強(qiáng)4。這將大大減小其改性電極材料的首次不可逆比容量，最近，鋰離子存儲(chǔ)容量石墨烯被發(fā)現(xiàn)是784毫安/ 15克，這是兩倍石墨的能力實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)快速地充放電。隨著對(duì)富勒烯、碳納米管和石墨烯研究的不斷深入，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，如進(jìn)行表面修飾與改性處理、或者摻雜處理，或者與過渡金屬氧化物進(jìn)行復(fù)合，可很大程度地提高其比容量。3.1.1碳材料的修飾與改性從上文中可知，用作負(fù)極的碳材料都各有其優(yōu)、缺點(diǎn)。因此前人為了改善碳材料作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)的電化學(xué)性能，還研究丁對(duì)碳材料的修飾、改性。在表面修飾方面，前人作了大量的工作。在碳材料的表面修飾和改性方面的工作。歸

10、納起來不外乎：人工施加一層固體電解膜，材料表面無定形化采取高分子膜修飾，通過各種氧化還原體系處理碳材料，物理或化學(xué)處理碳材科，W .Xing等5指出，碳材表面的功能團(tuán)和吸附的雜質(zhì)會(huì)對(duì)首次充電過程溶劑的分解反應(yīng)與鈍化膜的形成造成一定的影響。同時(shí)他們也得出了在硬碳外沉積一層軟碳能降低碳材的不可逆容量的結(jié)論。Okuno等6研究了用中間相瀝青碳(MPc)修飾的焦碳電極，其比容量達(dá)到了300310mAhg，可是未經(jīng)修飾的焦碳電極的比容量?jī)H170250 mAh8。Zhao Lin Liu等7人引研究了在合成石墨表面實(shí)施化學(xué)鍍銅，發(fā)現(xiàn)修飾后的石墨材料在放電容量與庫侖效率等方面都得到了改善。 碳納米管和石墨烯

11、的納米摻雜包括金屬元素?fù)诫s和非金屬元素?fù)诫s。較常見的摻雜元素包括B、Si、N、S、P、Ni、Pb。Si原子在碳材料中的納米摻雜可以顯著提高比容量，Si在嵌入Li時(shí)會(huì)形成含Li量很高的合金，理論容量為4200mAh/g. .N摻雜和B摻雜不僅可以提高比容量，雖然提高效果不如Si原子，但它還可以顯著提高充放電速率8。在25mA/g的電流強(qiáng)度下充電30s中，氮摻雜的石墨烯的比容量為199mAh/g,硼摻雜的石墨烯的比容量為235mAh/g，而純的石墨烯的比容量?jī)H為100mAh/g。且充放電的速率隨著雜質(zhì)濃度的升高而增大9。所以，通過摻雜改善電極材料的性能是行之有效的。3.1.2 與過渡金屬氧化物進(jìn)行

12、復(fù)合 過渡金屬氧化物( MxOy，M = Sn、Co、Fe、Mn、Cu、Ni等)由于其較高的比容量，引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，對(duì)于單純的金屬氧化物負(fù)極材料，盡管其理論的比容量較高，但充放電過程中劇烈的體積變化會(huì)使它們的性能變差，故循環(huán)穩(wěn)定性不與碳材料，且倍率性能低，于是，就有人提出用碳材料如碳納米管或石墨烯與過渡金屬氧化物復(fù)合。碳材料的延展性好，在嵌鋰的過程可以很好地消除體積變化產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，從而提高了電池的循環(huán)壽命。此外，碳材料是導(dǎo)體，利于電子的傳輸，彌補(bǔ)了過渡金屬氧化物電導(dǎo)率低的特點(diǎn)，可提高材料倍率充放電性質(zhì)。（1） 錫的氧化物錫基氧化物儲(chǔ)鋰材料有容量密度較高、清潔無污染、原料來源廣泛

13、、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，所以是金屬氧化物與C的復(fù)合材料中的研究重點(diǎn)。當(dāng)Sn與鋰的合金化造成體積變化250%（主要是形成Li4.4Sn），這種巨大的容量變化將導(dǎo)致SnO2作為電極材料需要承受巨大的循環(huán)應(yīng)力，容易粉化失效，所以提出SnO2的復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用碳納米材料作為物理緩沖層來阻擋體積的變化。乙二醇溶液的石墨薄片和金紅石型的SnO2納米材料通過剝離重組方法可制備成SnO2&石墨烯復(fù)合材料。石墨薄片均勻的分散在多孔的SnO2納米材料空隙中，獲得的SnO2/GNS復(fù)合材料表現(xiàn)出可逆容量為810mA/g;而且與單純的SnO2納米材料相比，其循環(huán)性能加大，在30個(gè)循環(huán)之后，復(fù)合材料的充電容量能達(dá)到57

14、0mA/g,相當(dāng)于保留了70%的可逆容量。而單純的SnO2納米粒子上的第一次充電比容量為550mA/g.經(jīng)過15個(gè)周期后迅速下降到60mA/g，可見復(fù)合材料的優(yōu)越性。另一方面在單純的SnO2納米材料作為電極時(shí)，充電、放電過程中其300%的體積變化導(dǎo)致了鋰離子電池的不持續(xù)性，但是在該復(fù)合材料中周圍地SnO2納米粒子的三維約束限制了嵌鋰后的體積膨脹.而且在充電/放電過程中SnO2和GNS之間的毛孔可以作為緩沖空間，這就導(dǎo)致了SnO2&GNT所得復(fù)合材料優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性，因而選擇此復(fù)合材料在鋰離子電池中作為電極材料的優(yōu)越性得到了體現(xiàn)10。下圖所示為另外一種SnO2與碳材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)-二氧化錫

15、碳納米空心球。通過電子顯微技術(shù)的觀察可得到這種材料的結(jié)構(gòu)像一個(gè)空心球但是部分地區(qū)坍塌的形狀，這主要是根源于碳化GCP的收縮形成的收縮應(yīng)力。從而可得C的晶胞吸附于SnO2上。2010年又出現(xiàn)了一種新的SnO2與碳材料復(fù)合的納米結(jié)構(gòu)，通過在SnO2和碳納米管模板的序列中的碳層的均勻沉積，形成的碳納米管二氧化錫碳的同軸納米電纜結(jié)構(gòu)，而這種碳納米管二氧化錫碳的同軸納米電纜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料已經(jīng)做為鋰離子電池負(fù)極材料得到應(yīng)用。另外，通過30個(gè)循環(huán)后，碳納米管二氧化錫碳的同軸納米電纜的放電容量約為450mA/g,但是在65個(gè)周期后，其容量值為462.5mA/g，比上個(gè)值還高，而且比graphite (372

16、mAh）和H-SnO2/CNT (420 mAh/g in the 65th cycle）等材料高。因而同單一的碳納米管和碳納米管 SnO2的同軸納米電纜想比較該復(fù)合材料表現(xiàn)出了更高的鋰離子存儲(chǔ)容量和更好的循環(huán)性能。這種集成了電子導(dǎo)電性和緩沖矩陣的設(shè)計(jì)策略的新型納米結(jié)構(gòu)，可以用于改進(jìn)鋰離子電池的存儲(chǔ)性能11。(2) 錳的氧化物相比其他金屬，錳價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境污染小，但其電導(dǎo)率很小，電容量也很小（小于400mAh/g）。即使參雜鈷，也低于理論值936mAh/g。如果選擇用石墨烯做襯底，生成Mn3O4|石墨烯混合材料，Mn3O4做電極材料的劣勢(shì)將會(huì)得到明顯改善。實(shí)驗(yàn)證明，在第一次充放電過程中，在4

17、0mA/g的電流密度下，Mn3O4|石墨烯混合材料電容量達(dá)900mAh/g，接近理論值。而在400mA/g的電流密度下，電容量也高達(dá)780mAh/g。即使電流密度高達(dá)1600mA/g，電容量仍有390mAh/g.40次充放電后，以400mA/g的電流密度為例，還有730mAh/g. Mn3O4|石墨烯混合材料之所以具有這么好的性質(zhì)，是因?yàn)镸n3O4緊密的生長(zhǎng)在石墨烯襯底上，石墨烯的高電導(dǎo)使 Mn3O4能快速輸運(yùn)電荷載子。Mn3O4、石墨烯之間的相互作用也使納米材料離散開不聚集12。(3)Mo的氧化物隨著研究的進(jìn)一步深入，有人提出用分層組裝MoO2|石墨烯的納米結(jié)構(gòu)作為鋰電池負(fù)極材料，因?yàn)榧{米尺

18、寸的分層結(jié)構(gòu)比快轉(zhuǎn)的固體提供更大的接觸面積從而產(chǎn)生更高的活性。不出意料，分層組裝的MoO2|石墨烯有很好的性能。以70次充放電為例，在1000mA/g的電流密度下，電容量有579.9mAh/g，為初始值的0.98；在2000mA/g的電流密度下，電容量仍有407.7mAh/g；在500mA/g的電流密度下，電容量可達(dá)848.6mAh/g.在70次后甚至?xí)黾与娙萘?3。如圖為三步合成分層組裝MoO2|石墨烯的過程。（4）鐵的氧化物 鐵的氧化物常見的有Fe3O4和Fe2O3,其中，F(xiàn)e3O4因?yàn)槭谴盆F礦的主要成分，存儲(chǔ)量豐富，成本低，環(huán)保，除此之外，還是過渡金屬氧化物中少有的電導(dǎo)率高的材料，因此

19、成為備受關(guān)注的明星材料。2008年，Zhang Weiming等14提出了一種C覆蓋的F3O4納米紡錘結(jié)構(gòu)，通過對(duì)表面覆蓋C的單分散赤鐵礦進(jìn)行局部壓縮合成。和Fe3O4和a-Fe2O3相比較，F(xiàn)e3O4C納米紡錘結(jié)構(gòu)有高的可逆容量（745mA h /g at C/5 and 600mA h /g at C/2）,循環(huán)性能和比容量，這些都得益于均勻且連續(xù)的C層14。如下圖所示，將Fe3O4直接固定在GN sheets 上的，之間并沒有其他的分子作為橋梁連接，由此Fe3O4和GN間表現(xiàn)出很強(qiáng)的作用力。通過Scherrer方程分析得出在GN-Fe3O4上Fe3O4晶體的平均大小為7.1nm,占總?cè)萘?/p>

20、的92wt%, 而GN占8wt%. Fe3O4納米?？梢砸愿呙芏群途鶆蛐苑植荚谄膬蛇?，在GN sheets外則沒有單獨(dú)的Fe3O4粒分布，即使在很強(qiáng)的聲裂法處理后Fe3O4納米粒依舊緊緊的固定在片上，而如果沒有GN，F(xiàn)e3O4很容易集合成較大的粒子集合。因此，這種穩(wěn)固的結(jié)合提高了整體的電化學(xué)性能。GN-Fe3O4精確的表面積為221 m2/g,要比純粹的Fe3O4納米粒高，卻比GN低，可能是由于Fe3O4磁性吸引力較強(qiáng)使其聚集的結(jié)果，當(dāng)然這也顯著的降低了孔體積，最后，GN-Fe3O4的這種多孔的結(jié)構(gòu)大大緩沖了充放電過程引起的體積變化15。如下圖石墨烯密封的中空結(jié)構(gòu)部包裹Fe3O4納米粒，這種

21、聚合體通過簡(jiǎn)單的自組裝過程合成，開闊的部結(jié)構(gòu)很好的適應(yīng)了Li離子嵌入/出的體積變化，封進(jìn)部的石墨烯連接了，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其優(yōu)良的性能，尤其是高的且在充放電50次后幾乎不變的容量，即使在不同的電流密度下充放電循環(huán)90次后，仍能保持832mA/g的容量，表現(xiàn)出杰出的循環(huán)穩(wěn)定性，顯然得益于其特殊的結(jié)構(gòu)16。還有一種比較新穎的Fe3O4與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，石墨烯組合方式是間葉層狀的17，如下圖所示。鐵的另外一種氧化物Fe2O3雖不如Fe3O4的風(fēng)光無二，但它儲(chǔ)量豐富，成本低，并且無毒，所以，也有人研究過它與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)。石墨烯與Fe2O3合成物有著高達(dá)1693和1227mAh/g的充放電容量，相

22、對(duì)Fe2O3（1355 和982mAh/g）高很多，即使在放電50次后也可達(dá)1027 mAh/g，當(dāng)然也有更好的循環(huán)性能和比容，通過在電子顯微鏡下觀察和充放電試驗(yàn)，結(jié)果揭示了RG-O/Fe2O3 合成物（如下圖所示）能夠提供更多的Li離子嵌入點(diǎn)，原因是Fe2O3納米粒與石墨烯有很強(qiáng)的作用力而使其固定在石墨烯表面，可以作為石墨烯片與片之間的隔離物，有更多的空間從而使其充放電容量增加。一個(gè)Fe2O3分子可以吸收六個(gè)Li離子，另一方面，Li可以嵌入石墨烯片的兩面，同時(shí)，均勻的混合和作用力有效地阻止了納米粒的聚合。Scheme of RG-O/Fe2O3 composite（5）鈦的氧化物TiO2由于

23、其容易制備、價(jià)格低廉、無污染等優(yōu)點(diǎn)，并且在鋰離子嵌入/脫嵌過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以避免鋰的電化學(xué)沉積，在鋰離子陽極材料中得到廣泛的應(yīng)用18。因?yàn)槭┐蟮谋砻娣e和很高的電導(dǎo)率，可以將兩種材料復(fù)合作為電極材料。 Donghai Wang等19研究了石墨烯與TiO2復(fù)合的性能。他們通過氧化石墨的熱膨脹法制得石墨烯片層(FGS)，TiO2通過在低于100的溫度下控制結(jié)晶過程在石墨烯片上生成，低溫很重要，它防止石墨烯交疊在一起。TEM圖像顯示，80%的石墨烯完全分離開來，是單層結(jié)構(gòu)。TEM和SEM圖像顯示，桿狀的TiO2金紅石顆粒隨機(jī)分布在石墨烯的表面，TiO2金紅石顆粒的粒徑為5nm，且平行于石墨烯的表

24、面。TiO2-FGS如圖： 比較TiO2-FGS與純TiO2的充放電性能。在C/5的充放電倍率下，金紅石TiO2-FGS與純TiO2的充放電曲線接近，有一個(gè)陡峭的斜坡；同樣在C/5的充放電倍率下，銳鈦礦TiO2-FGS與純TiO2的充放電曲線也較為接近，但在1.8V電壓位置時(shí)有一個(gè)平臺(tái)，這是由正交晶系與四方晶系的相變引起的。在不同的充放電倍率下，比較金紅石TiO2-FGS與純TiO2、銳鈦礦TiO2-FGS與純TiO2隨循環(huán)次數(shù)增加時(shí)的容量變化。可以發(fā)現(xiàn)，TiO2-FGS的比容量高于純TiO2，且隨著倍率的提高，這種差距逐漸加大。在不同的倍率下，金紅石TiO2-FGS和銳鈦礦TiO2-FGS的

25、庫侖率均保持在98%以上。在1C的倍率下，金紅石TiO2-FGS和銳鈦礦 TiO2-FGS的比容量幾乎為恒定值，分別為180 mA ·h/ g和160 mA ·h/ g 。另外比較金紅石TiO2-FGS、金紅石TiO2與超級(jí)導(dǎo)電炭黑（Super P）的比容量，發(fā)現(xiàn)在不同的倍率下，TiO2-FGS均比TiO2-Super P高。可見，TiO2與石墨烯復(fù)合后，電化學(xué)性能得到較大提高。（6）鈷的氧化物由于Co3O4的理論比容量為890mA ·h/ g，高于石墨理論比容量（372mA ·h/ g）的兩倍，它作為理想的電極材料引起了廣泛的關(guān)注。然而，在鋰離子插入/

26、脫嵌過程中，Co3O4納米顆粒的體積大幅度膨脹，并且粒子團(tuán)聚嚴(yán)重。這將導(dǎo)致電極粉化和顆粒間的嚴(yán)重接觸，從而造成大的不可逆的容量損失和差的循環(huán)穩(wěn)定性?？紤]到石墨烯的二維結(jié)構(gòu)，單層原子的厚度，大的比表面積，很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和非常高的電導(dǎo)率等優(yōu)良性質(zhì)，可以將Co3O4與石墨烯構(gòu)成復(fù)合材料作為陽極材料。 Zhong-shui Wu20等研究了石墨烯與Co3O4復(fù)合材料的電化學(xué)性能。他們將二價(jià)鈷的無機(jī)鹽與石墨烯混合加入氨水溶液中，生成Co(OH)2與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)，再在450 溫度下煅燒，制得石墨烯與Co3O4復(fù)合材料的復(fù)合材料。 由掃描電鏡（SEM）和透射電鏡圖像可以發(fā)現(xiàn)，Co3O4納米顆粒被很緊密地

27、均勻吸附在石墨烯的表面，其尺寸為10-30nm。石墨烯與Co3O4納米顆粒之間有很強(qiáng)的作用，使Co3O4納米顆粒不會(huì)脫落，且阻止Co3O4納米顆粒團(tuán)聚。此外，這種緊密的復(fù)合可以使電子在石墨烯上快速地傳輸，改善了材料的性能。石墨烯與Co3O4復(fù)合如圖： 將Co3O4/石墨烯與純Co3O4、石墨烯的充放電性能比較。由于生成固體-電解質(zhì)界面(SEI)膜，造成第一次放電時(shí)的容量衰減，Co3O4/石墨烯復(fù)合材料的首次充放電庫侖率為68.6%，最終基本保持在98% 。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，在五次循環(huán)后，Co3O4/石墨烯的比容量為800 mA ·h/ g，而30次后卻達(dá)到935 mA ·h

28、/ g，其比容量不僅沒有衰減，還在緩慢地上升。而純石墨烯容量衰減較快，五次循環(huán)后容量為773 mA ·h/ g，20次循環(huán)后容量為642 mA ·h/ g。純Co3O4則在首次循環(huán)到30次循環(huán)過程中，快速由817 mA ·h/ g遞減到184 mA ·h/ g 。 通過比較發(fā)現(xiàn)，Co3O4/石墨烯的性能得到很大程度的提高，原因可能為：（1）石墨烯是二維結(jié)構(gòu)的碳材料，作為Co3O4吸附的基底，可為Co3O4納米顆粒的膨脹提供緩沖且阻止Co3O4顆粒的團(tuán)聚，不使材料卷曲、變形。因此使電極材料具有好的庫侖率、高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。（2）石墨烯具有高的電導(dǎo)率，

29、可降低電極的電阻，增大容量。（3）復(fù)合材料使鋰離子的擴(kuò)散路徑變短，改善性能。（4）石墨烯之間的納米顆?？梢员３质┑木鶆蚍蛛x，使其表面積大，從而儲(chǔ)鋰容量很大。3.2 硅材料硅材料作為鋰離子電池負(fù)極具有比容量高的優(yōu)點(diǎn)，硅和鋰可形成各種嵌鋰化合物，其理論容量高達(dá)4200mAh/g（是碳素負(fù)極材料的近11倍），在目前已知元素中理論容量最高，因此備受關(guān)注。但是i在嵌入過程中，會(huì)引起Si體積膨脹倍，產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使材料部結(jié)構(gòu)崩塌、電極材料剝落，從而使電極材料失去電接觸，造成電極的循環(huán)性能急劇下降21。 為解決這一問題，人們利用納米粉末Si作為負(fù)極材料，但研究發(fā)現(xiàn)鋰離子的反復(fù)嵌入和脫出會(huì)使納米硅顆粒發(fā)

30、生團(tuán)聚，導(dǎo)致電池循環(huán)性能下降。同時(shí)這一過程還會(huì)破壞納米硅的晶體結(jié)構(gòu)，生成亞穩(wěn)態(tài)的鋰和硅的化合物，使Li離子不能脫出22。為了防止Si顆粒的團(tuán)聚，將Si顆粒分散到金屬或非金屬介質(zhì)中，形成穩(wěn)定均勻的兩相或多相體系，利用介質(zhì)的塑性變形空間和良好的延展性來提高循環(huán)性能,提出了Si基復(fù)合結(jié)構(gòu)。目前，Si基復(fù)合負(fù)極材料的研究取得了很大進(jìn)展，有些已接近實(shí)用。近幾年，又提出了用Si納米線作為負(fù)極材料。下面，將從Si的復(fù)合結(jié)構(gòu)和Si納米線、納米管兩個(gè)方面對(duì)硅基負(fù)材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。3.1.1硅復(fù)合材料有些非插鋰金屬（如Cu、Ni）能與Si形成穩(wěn)定的金屬間化合物MxSi，可形成以Si為活性物質(zhì)，以惰性金屬M(fèi)為

31、分散載體的復(fù)合粉體材料，而有些金屬間化合物還同時(shí)具有嵌鋰性能。王璞等23利用分步高能球磨法制備了Si-Cu/C復(fù)合負(fù)極材料。30次循環(huán)后可逆容量為531mAh/g,循環(huán)效率為98.3%。生成的銅硅金屬間化合物（Cu5Si）改善了電子導(dǎo)電性，緩沖了硅嵌鋰時(shí)的體積膨脹，提高了循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)石墨具有良好的導(dǎo)電能力和循環(huán)穩(wěn)定性，具有1:2定的嵌鋰容量，因此金屬間化合物和石墨的有效復(fù)合使整體電極的穩(wěn)定性提高。Park等24利用電弧熔煉和分步高能球磨法制備了Si-Ni/C復(fù)合負(fù)極材料。發(fā)現(xiàn)當(dāng)（Si）（Ni）時(shí)，循環(huán)性能最好，以1540mAh/g的可逆容量穩(wěn)定循環(huán)28次。熔煉生成的NiSi和NiSi2均勻

32、散布在石墨表面，緩沖了充放電過程的體積變化。有些金屬如A l、Sn、M g 等本身具有嵌鋰性能, 利用其作為活性中心的Si、M 在不同電位下的嵌鋰效應(yīng),使材料的體積膨脹發(fā)生在不同電位下, 可緩解由此產(chǎn)生的應(yīng)鋰。Yan等25利用同樣的方法制備了Mg2Si粉末，Mg2Si粉末再與碳納米管和中間相碳球混合球磨制得Mg2Si/的混合物，該混合物經(jīng)30次循環(huán)后,可逆電容保持在400mAh/g左右。Sun等26采用電弧熔煉法制備了Al-Si-Mn的合金負(fù)極材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)（Al）（Si）（Mn）53407時(shí)，循環(huán)性能最穩(wěn)定，可逆容量始終為500mAh/g左右，原因在于硅錳的過飽和固溶體使Al的晶格不被破壞。W

33、ang等27利用原位機(jī)械化學(xué)還原法分步合成了Si、Sn、LiO2 和Li4SiO4的復(fù)合負(fù)極材料。這種負(fù)極材料的首次可逆容量達(dá)901.4mAh/g,100次循環(huán)后為713.7mAh ，200次循環(huán)后為574.1mAh/g。硅是一種半導(dǎo)體材料, 用其作為電極材料其導(dǎo)電性能是一個(gè)缺陷, II-seok Kina 等28采用高導(dǎo)電的納米TiN 添加到納米硅中, 高能球磨后得到活性材料(Si) 高度分散在惰性(T iN ) 基體部的復(fù)合物體系, 球磨時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)體系中的部分無定形硅會(huì)失去活性. 含33% 硅的復(fù)合材料脫嵌鋰容量約為300 mA h/g, 經(jīng)過100次循環(huán), 循環(huán)容量幾乎沒有衰減, 電極結(jié)

34、構(gòu)依然保持完整, 也沒有出現(xiàn)納米硅的團(tuán)聚現(xiàn)象。隨著研究的不斷深入, 單一活性摻雜或者惰性摻雜雖然能夠部分抑制硅基材料的體積膨脹, 但還是無法完全解決硅的分散和團(tuán)聚問題, 因而近年來許多學(xué)者對(duì)多相硅基材料方面作了有益的嘗試。3.2.2硅納米線硅納米線是近年來新發(fā)展起來的準(zhǔn)一維半導(dǎo)體光電信息材料。相對(duì)于硅薄膜，鋰離子的擴(kuò)散路徑更短且可以承受更大的體積變化。如圖所示，硅納米線直接生長(zhǎng)在金屬集電器基片上，每一個(gè)硅納米線電極都對(duì)電池容量有貢獻(xiàn)，當(dāng)充電速率為C/5時(shí)（即5個(gè)小時(shí)一個(gè)周期），經(jīng)過20次循環(huán)后材料的可逆比容量大約為3500mAh/g29.但他存在首次不可逆容量高的缺點(diǎn)。 進(jìn)一步研究后，Li-F

35、en等30提出了一種核-殼型硅納米線結(jié)構(gòu)，用無定形Si作為殼體，因?yàn)闊o定性Si相對(duì)于晶體Si電化學(xué)活性更活潑些，具有更好的儲(chǔ)鋰能力，晶體Si作為核心起機(jī)械支撐的作用，并且為無定性Si殼體上嵌入的鋰離子提供一個(gè)高效的導(dǎo)電通路，這種核-殼結(jié)構(gòu)第一次充電比容量為1000mAh/g，經(jīng)過100次循環(huán)后的可逆容量為初始值的90%。顯著改善了Si電極材料的循環(huán)性能。2012年P(guān)aul等31提出通過部分氧化納米尺度的Si的薄膜來增強(qiáng)電極材料的穩(wěn)定性。如圖所示，經(jīng)過優(yōu)化后，這種結(jié)構(gòu)的第一次充電比容量為2200mAh/g,經(jīng)過120個(gè)循環(huán)后，幾乎沒有能量衰減，經(jīng)過300個(gè)循環(huán)后，可逆容量為初始值的80%，具有非

36、常優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。3.2.3硅納米管當(dāng)硅與鋰反應(yīng)時(shí)，一個(gè)硅原子平均結(jié)合4.4個(gè)鋰原子。因此，在鋰離子電池中，硅的比容量很高，達(dá)到4200 mA ·h/ g，是石墨比容量（372 mA ·h/ g ）的十倍。然而，300%的體積膨脹，導(dǎo)致電極材料粉化，硅與導(dǎo)體的接觸有較大的損失，導(dǎo)致循環(huán)性能下降。 Park等32制成了一種新型的硅納米管狀結(jié)構(gòu)，他們用多孔氧化鋁做模板，用化學(xué)沉積法制成一層碳包裹的硅納米管，表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)性能。硅納米管的首次充電容量極高，為3200 mA ·h/ g，在循環(huán)200次后，仍有89%的容量保持率。SEM圖像和TEM圖像顯示，硅納米管的

37、外徑為200-250nm，其管壁厚度為40nm，長(zhǎng)度為40um，且兩端開口，納米管彼此分散。納米管被一層很薄的無定形碳覆蓋。 在倍率為0.2C時(shí)，硅納米管放電容量與超大容量分別為3648 mA ·h/ g、3247 mA ·h/ g，庫侖率為89%。高的庫侖率可能是因?yàn)楸〉奶紝訙p少了硅與電解液的接觸，提高了穩(wěn)定的SEI膜在納米管表面和部的生成。SEM圖像顯示，在循環(huán)200次后，硅納米管的形態(tài)并沒有改變。納米管的孔壁厚度最初為40nm，盡管厚度擴(kuò)展到300nm，但材料并沒有粉化，證明了硅納米顆粒尺寸小于20nm時(shí)，可以增加斷裂韌性；納米線的直徑小于100納米時(shí)，可以增強(qiáng)材料的

38、機(jī)械強(qiáng)度。硅納米管如圖：3.3 納米金屬氧化物用于電極材料的多是過渡金屬氧化物，除此之外，較常見的還有錫的氧化物SnO2。這些氧化物的比容量很高，但可逆容量損失較大，循環(huán)性差，而納米材料具有比表面積大,離子擴(kuò)散路徑短,蠕動(dòng)性強(qiáng)和塑性高等特點(diǎn),所以納米金屬氧化物的性質(zhì)往往與眾不同。3.3.1 金屬氧化物納米顆粒負(fù)極材料Polzot等33報(bào)道了納米尺寸的過渡金屬氧化物氧化物MO(M=Co,Ni,Cu,Fe)作為鋰離子電池負(fù)極材料，具有良好的電化學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)CoO、Co3O4的比容量遠(yuǎn)高于石墨的理論比容量（372 mA ·h/ g），且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其比容量先保持不變甚至略微有所增加

39、，隨后才緩慢降低，循環(huán)次數(shù)為50次時(shí)，CoO的比容量約為60 mA ·h/ g 。而對(duì)于FeO、NiO,其初始比容量為石墨理論比容量的2倍左右，隨循環(huán)次數(shù)的增加，比容量快速降低，循環(huán)次數(shù)為50次時(shí)，比容量約為200 mA ·h/ g 。此外，他們還研究發(fā)現(xiàn)，納米粉體作為負(fù)極材料，其循環(huán)性能和可逆容量和粒子的大小和形態(tài)密切相關(guān)。以CuO2為例，1um尺寸的的CuO2微粒，其在首次放電的容量損失后，基本保持在350 mA ·h/ g不變；而0.15um的CuO2微粒，其比容量快速下降。這是因?yàn)榧{米顆粒由于顆粒尺寸小，比表面積大，可以有效降低鋰離子的遷移路徑，緩解鋰離子

40、插入和脫出活性材料產(chǎn)生的應(yīng)力，使循環(huán)穩(wěn)定性好。尺度過小的納米顆粒還原產(chǎn)生的金屬納米顆粒由于尺度小易被電解質(zhì)包覆而溶解，造成活性物質(zhì)減少，容量衰減快。因此，過渡金屬氧化物納米材料有一個(gè)最佳尺寸，以達(dá)到最佳保持率。3.3.2 金屬氧化物納米線納米金屬氧化物除卻復(fù)合物外，較常見到的就是金屬氧化物的納米線。例如SnO2納米線、Co2O3納米線還有TiO2納米線。2010年，Jian Yu Huang等34介紹了由一個(gè)二氧化錫（二氧化錫）納米線陽極，離子液體電解質(zhì)，和散裝二氧化鈷酸鋰（ LiCoO2的）陰極，透射電子創(chuàng)建的一個(gè)納米級(jí)的電化學(xué)裝置，并觀察了SnO2鋰化納米線的電化學(xué)充電。在充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一

41、個(gè)沿著納米線的反應(yīng)面，并且造成膨脹，拉長(zhǎng)和螺旋等變化，這個(gè)反應(yīng)面是一個(gè)"美杜莎區(qū)"，它含有高密度的非固定位錯(cuò)，這是連續(xù)核和一個(gè)吸附的移動(dòng)面。這種錯(cuò)位團(tuán)表明了有大的中空失配應(yīng)力和一個(gè)結(jié)構(gòu)性電化學(xué)驅(qū)動(dòng)固態(tài)非晶化的前兆。由于鋰化的誘導(dǎo)量，膨脹化和可塑性，和電極材料的霧化是最主要的機(jī)械效應(yīng)，從而使得鋰離子電池的高容量陽極的性能和壽命得到了損壞。比如在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，若是花半小時(shí)對(duì)初始長(zhǎng)度16毫米，直徑為188納米的納米線充電后，這種納米線拉長(zhǎng)大約60 ，直徑拉長(zhǎng)約45 ，總量擴(kuò)大擴(kuò)大了約240 。而在其他的觀察和探究下都得到了SnO2納米線作為鋰離子電池負(fù)極材料的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，從而此

42、觀察為鋰離子電池的更先進(jìn)化提供了一個(gè)參考方向。3.3.3 金屬氧化物納米線陣列Yanguang Li等35報(bào)道了Co3O4納米線陣列作為負(fù)極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。他們利用氨蒸發(fā)誘導(dǎo)法代替模板法，選擇Ti薄片作為導(dǎo)電基質(zhì)，直接在導(dǎo)電基質(zhì)上生長(zhǎng)納米線陣列。納米線之間的空隙可以使電解質(zhì)快速擴(kuò)散到電極材料中，從而使電阻變小，每根納米線均與基質(zhì)接觸，都參與導(dǎo)電提高電學(xué)性能。并且使電極-電解液有較高的接觸面積以與可以為材料應(yīng)變提供足夠的緩沖。觀察發(fā)現(xiàn)，Ti薄片上的Co3O4納米線直徑為500nm,長(zhǎng)度為15um。Co3O4納米線是單晶且為介孔結(jié)構(gòu)，介孔的平均尺寸為3.3nm 在第一次充放電時(shí)，在倍率為

43、1C時(shí)，首次放電的容量為1124 mA ·h/ g，首次充滿電的容量為859mA ·h/ g 。其首次充放電的損失是在Co3O4轉(zhuǎn)變?yōu)镃oO的過程中，損失了鋰離子。 觀察發(fā)現(xiàn)，在充放電過程中，納米線保持其結(jié)構(gòu)的完整性，Co3O4先生成Co，再轉(zhuǎn)化為-CoO。 對(duì)材料進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試，另兩種材料為非自支持納米線（non-self-supported NWs），由炭黑和聚合物粘合劑混合而成的粉粒。在一樣的條件下，20次循環(huán)后，混合粉粒的比容量?jī)H有80 mA ·h/ g，而非自支持納米線為350 mA ·h/ g，而Co3O4納米線陣列的比容量保持在700

44、mA ·h/ g左右。在同類的納米線材料中，這是一個(gè)很高的數(shù)值。如TiO2納米線(305mA ·h/ g)，SnO2納米線(400mA ·h/ g)，F(xiàn)e2O3納米線(510mA ·h/ g)等。在充放電倍率變化時(shí)，如在第二次放電時(shí)，倍率為8C時(shí)容量保持率為85%，倍率為20C時(shí)容量保持率為69%，倍率為50C時(shí)容量保持率為50%，保持性較高。與之相比，隨著倍率的增加，非自支持納米線和混合粉粒其比容量快速衰減。 這些優(yōu)良的電化學(xué)特性是因?yàn)镃o3O4納米線陣列的獨(dú)特的層次結(jié)構(gòu)。（1）這種納米線陣列結(jié)構(gòu)保證每根納米線參與導(dǎo)電，且每根納米線均與電解液充分接觸，

45、導(dǎo)電性能好；（2）相鄰納米線間的空隙有利于電解質(zhì)的擴(kuò)散；（3）納米線具有介孔結(jié)構(gòu)，且其介孔的平均1尺寸為3.3nm，增大了納米線陣列的表面積，使Co3O4與電解液的接觸面積增大，降低了鋰離子的擴(kuò)散路程，可以緩沖體積膨脹引起的應(yīng)變，提高了材料的性能。3.4 金屬與合金類金屬鋰是最先采用的負(fù)極材料，理論比容量3860 mAh/g，原子量6.94，電化學(xué)還原電位-3.045 V，20 世紀(jì)70 年代中期金屬鋰在商業(yè)化電池中得到應(yīng)用。但因充電時(shí)，負(fù)極表面形成枝晶，造成電池短路，于是人們開始尋找一種能替代金屬鋰的負(fù)極材料。 合金負(fù)極材料是研究得較多的新型負(fù)極材料體系，有關(guān)鋰合金的研究工作最早始于1958

46、 年。據(jù)報(bào)道，鋰能與許多金屬M(fèi)(M =Al、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Ag、Au、Zn 等)在室溫下形成金屬間化合物36，由于鋰合金形成反應(yīng)通常為可逆，因此能夠與鋰形成合金的金屬理論上都能夠作為鋰離子電池負(fù)極材料。金屬合金最大的優(yōu)勢(shì)，就是能夠形成含鋰很高的鋰合金，具有很高的比容量；相比碳材料，合金較大的密度使得其理論積比容量也較大。同時(shí)，合金材料由于加工性能好、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是極有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N負(fù)極材料。目前研究主要集中在Sn 基、Si 基、Sb 基和Al 基合金材料。目前研究表明，鋰合金負(fù)極材料的充放電機(jī)理實(shí)質(zhì)上就是合金化與脫合金化反應(yīng)，該過程導(dǎo)致的巨大體積變化是

47、目前亟需克服的問題。3.5 金屬氧化物與介孔碳材料的復(fù)合納米材料由于其優(yōu)異的電學(xué)性能和機(jī)械性能，獲得了廣泛的研究。錫基氧化物由于其高的比容量，引起了研究者的強(qiáng)烈的興趣。然而，由于晶粒在放電時(shí)體積膨脹200%，造成晶粒團(tuán)聚和電阻增大，使循環(huán)性能變差，且其充放電電壓圍較小，一般與其他材料如碳材料復(fù)合才具有較好的性能。 Jie Fan等37研究了一種規(guī)則的、納米結(jié)構(gòu)的錫基氧化物與碳材料復(fù)合的納米材料（簡(jiǎn)寫為ONTC）的性能。選擇有序介孔碳分子CMK-3作為無機(jī)模板，CMK-3介孔碳分子由六角形的碳納米棒陣列組成，它們由一些隨機(jī)分布的碳納米棒嚴(yán)格連接在一起。錫基氧化物材料由疏水磷酯OP（OCH3）與親

48、水型SnCl2共沉積生成Sn2P2O7，Sn/P的摩爾比為1.03。錫基氧化物填充到CMK-3的納米空隙中，90%的納米空隙被填充，組成錫基氧化物/C復(fù)合材料。 測(cè)試材料的電化學(xué)性能，另兩種材料為15nm尺寸的SnO2填充三嵌段聚合物P123（記為納米二氧化錫）、錫基氧化物的混合材料（納米MTBO），納米MTBO由四價(jià)的錫氧化物和二價(jià)、四價(jià)的磷酸鹽組成。在恒定電流密度為0.5mA/下首次充放電，電壓圍0.02V2V，ONTC的放電容量為1347mA ·h/ g，納米SnO2復(fù)合材料的放電容量為1470mA ·h/ g 。ONTC的放電容量略低于納米SnO2，原因是在首次放電

49、時(shí)，生成SEI膜覆蓋在ONTC表面。電壓為2V時(shí)，ONTC的容量為515mA ·h/ g，納米SnO2為358mA ·h/ g 。ONTC容量高的原因是二價(jià)錫的存在，可以吸附鋰離子還原SnO。兩者的庫侖率均較低，原因可能是，在表面的副反應(yīng)消耗了較多的鋰。循環(huán)30次后，ONTC的保持率為42.8%，納米SnO2的保持率為15.5%，納米MTBO為7.2%，部分容量的增加可能來自碳模板。 錫基氧化物與介孔碳的復(fù)合材料較好的電學(xué)性能，可能歸功于以下三個(gè)因素：（1）錫基氧化物的尺寸約為3nm，分布在介孔碳材料CMK-3中的納米空隙中，阻止了Sn-Li合金的生成；（2）CMK-3的三

50、維碳棒狀結(jié)構(gòu)阻止了錫的團(tuán)聚；（3）CMK-3基底的電導(dǎo)率大，使電極的導(dǎo)電性能好。4 結(jié)束語電子信息時(shí)代使對(duì)移動(dòng)電源的需求快速增長(zhǎng)，鋰離子電池經(jīng)過近二十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種相對(duì)成熟的技術(shù)，由于它具有體積小、重量輕、高儲(chǔ)能、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是目前的鋰離子電池仍然有著一些明顯的缺陷：如目前的正極材料在循環(huán)使用中都會(huì)有不可逆的電容量損失；而負(fù)極材料除此之外還存在電壓滯后的問題。關(guān)于前者，有研究者提出添加其它組分來克服，目前正級(jí)材料的能量密度以每年3050mAh/g 的速度增長(zhǎng)著，并且材料微觀結(jié)構(gòu)尺度越來越小，正向

51、著納米級(jí)尺度發(fā)展。至于負(fù)極，作為嵌鋰材料，碳納米管與 C60 因其特殊的結(jié)構(gòu)將成為高密度嵌鋰材料的最佳選擇，納米結(jié)構(gòu)可以提供更高的嵌鋰容量，但其制備方法與如何堆積尚不明確，仍是相關(guān)研究的重要方向。另外，凝膠聚合物鋰電池已率先商品化，并具有超薄、輕便、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，固體聚合物電解質(zhì)的研究也取得了許多進(jìn)展，室溫離子導(dǎo)電率以與機(jī)械加工性能有了很大的改進(jìn)。固體鋰離子電池因具有更高的安全性能，在未來的電動(dòng)汽車上有很好的應(yīng)用前景，許多國家和一些大的企業(yè)集團(tuán)都在加大這方面的研發(fā)力度?？傊瑥膬H有的三十余年的歷史上來看，鋰電池化學(xué)還是一個(gè)年輕的學(xué)科，還有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＫ且婚T復(fù)雜的科

52、學(xué)，還需要靠無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、固體與表面化學(xué)等多方面的配合來取得更大的發(fā)展。鋰電池在我們未來的生活中必將起到越來越舉足輕重的作用。參考文獻(xiàn)1. 吳宇平，漢平，吳鋒，朝暉.聚合物鋰離子電池M化學(xué)工業(yè)，2006:4-5；2. 娜紅，鋰離子電池用一維納米材料的制備與電性能研究，2008復(fù)旦大學(xué)博士論文；3. 饒睦敏，黃啟明，偉善，鋰離子電池納米負(fù)極材料的研究進(jìn)展 J電池工業(yè) 2008 第2期；4. 麗娟，王艷飛，王巖等，電源技術(shù)，20011.7，第七期，866-871；5. Xing W ，eval, Electrochem&#

53、160;Soc 1996 ，143(10) 3096 ;6. Okuno G,Kodayokawa K,Sato Y. Denki Kagaku，1997，65(3)：296 ;7. Zhao Linliu.eval. J PowerSources19978182：187 ;8. Ng S, Bjim Y L，Liu Z L. J Power Sources，2001，94(1)：6367;9. Mauri

54、n, G. Bousquet, Ch. Henn, F. Bernier, P.Almairac, R.Simon, B. Chem. Phys. Lett. 1999, 312, 14.10. Seung-Min Paek,Eunjoo Yoo,Itaru Honma.NANO LETTERS,2009,VOL.9,NO.1,72-75；11. Ping Wu, Ning Du,* Hui Zhang, Jingxue Yu, and Deren Yang.J. Phys. Chem. C 2010, 114, 2253522538 22535;12. Hailiang Wang,Li-Feng Cui,Yuan Yang，Hernan Sanchez Casalongue。 J. AM. CHEM. SOC. 2010，132,40,13978-13