探討用于鋰離子電池的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料

汪宇軒

摘 要：鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，電極材料會(huì)因?yàn)殇囯x子的應(yīng)用，出現(xiàn)電池失效現(xiàn)象。應(yīng)用中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池電極空腔體積與殼層厚度的調(diào)整，以滿足電極材料在充放電過(guò)程中的膨脹、收縮需求，提升鋰離子電池使用性能，降低電池失效現(xiàn)象的產(chǎn)生?；诖?，從中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料相關(guān)概述出發(fā)，在文獻(xiàn)資料梳理下，就鋰離子電池的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制作方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料;材料研究

引言：鋰離子電池作為二次電池，興起于上世紀(jì)九十年代，在不斷發(fā)展過(guò)程中具備了大能量密度、充電快速、充電效率高、輸出功率大、低環(huán)境污染、自放電小等特征，并被廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)與生活中。在鋰離子電池應(yīng)用過(guò)程中，其性能的優(yōu)化與作用的發(fā)揮與電極材料存在密切關(guān)聯(lián)性。加強(qiáng)鋰離子電池電極材料的研究已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。鑒于此，本文主要對(duì)用于鋰離子電池的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料如下分析，以期明確中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，探尋電極材料制備創(chuàng)新方法。

1中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料

“中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料”主要是指具備中空結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)非金屬材料。而為無(wú)機(jī)非金屬材料（inorganic nonmetallic materials）是除有機(jī)高分子材料、金屬材料外，對(duì)其他材料的統(tǒng)稱，主要以一些元素的氧化物、氮化物、硼化物、硅酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽等構(gòu)成，最早形成于上世紀(jì)四十年代，并在不斷發(fā)展中得到進(jìn)步與完善，成為當(dāng)前生活與生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的材料之一[1]。而在無(wú)機(jī)非金屬材料應(yīng)用過(guò)程中，利用模板法能夠制備具有納米級(jí)三維中空體系的無(wú)積分金屬材料，可有效提升無(wú)機(jī)非金屬性能，使其在能量存儲(chǔ)、能量轉(zhuǎn)化、氣體探測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。以鋰離子電池為例，應(yīng)用中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備電極可有效增大電極與電解液之間的接觸面積，增強(qiáng)反應(yīng)活性位點(diǎn)。與此同時(shí)，中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料功能化殼層，能夠有效適應(yīng)鋰離子電池充放電過(guò)程中顆粒的膨脹、收縮，降低電池失效現(xiàn)象的產(chǎn)生，以推動(dòng)鋰離子電池優(yōu)化發(fā)展，為能源應(yīng)用與節(jié)約提供創(chuàng)新發(fā)展路徑。

而在鋰離子電池中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備過(guò)程中，傳統(tǒng)模板法所制備材料多為球體結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在一定的限制。對(duì)此，如何在改變形貌的同時(shí)，有效控制高曲率與殘余應(yīng)力的影響，實(shí)現(xiàn)冗長(zhǎng)殼沉積的去除，提升操作簡(jiǎn)便性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、品質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)此，有必要對(duì)用于鋰離子電池中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料進(jìn)行研究，在明確其應(yīng)用價(jià)值的同時(shí)，創(chuàng)新實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備方法。

2用于鋰離子電池的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備方法

2.1中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備之“柯肯達(dá)爾效應(yīng)”

柯肯達(dá)爾效應(yīng)（kirkendall effect）是現(xiàn)階段中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備的重要方法之一。它能夠使兩種或兩種以上擴(kuò)散速率不同的金屬在一定條件下產(chǎn)生缺陷，從而使原本實(shí)心的顆粒成為具備中空結(jié)構(gòu)的納米材料。在用于鋰離子電池的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備過(guò)程中，應(yīng)用柯肯達(dá)爾效應(yīng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。一方面，在材料制備過(guò)程中無(wú)需利用模板，實(shí)現(xiàn)制備步驟的縮減，有利于節(jié)約電極材料制作成本，提升材料制備的可操作性，滿足電極材料大規(guī)模生產(chǎn)需求;另一方面，柯肯達(dá)爾效應(yīng)基于固態(tài)物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象，能夠在不利用層狀材料的情況下，實(shí)現(xiàn)二元及以上復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的合成，簡(jiǎn)化材料制備條件[2]。例如，可根據(jù)Mn與Ni原子向外擴(kuò)散與O原子向內(nèi)擴(kuò)散存在的速率差，進(jìn)行具備中空結(jié)構(gòu)0.3Li2MnO3·0.7Li Ni0.5Mn0.5O2鋰離子電池負(fù)極材料的制作。該材料的應(yīng)用可有效提升鋰離子電池放電性能，實(shí)現(xiàn)室溫條件下200mAh/g的放電電流密度，并在100次循環(huán)后仍具備201mAhg-1可逆比容。由鋰離子電池工作原理可知，鋰離子電池在充分放電過(guò)程中，鋰離子會(huì)在正負(fù)電機(jī)之間進(jìn)行嵌入和脫嵌。在此過(guò)程中，鋰離子的嵌入和脫嵌性能與鋰離子電池正負(fù)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)聯(lián)性。而

黑鐵釩礦VOOH與次鐵釩礦VO2由于具備高離子導(dǎo)電率、高能量密度等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于鋰離子電池電極材料制備中，可有效提升鋰離子電池性能，增強(qiáng)鋰離子電池應(yīng)用安全性。對(duì)此，可利用柯肯達(dá)爾效應(yīng)進(jìn)行鋰電池電極材料制備，如利用L-半胱氨酸將V（IV）O（acac）2還原成V10O14（OH）2，并使其在水解作用下生成黑鐵釩礦VOOH片狀結(jié)構(gòu)，使其附著在V10O14（OH）2表面，與V10O14（OH）2之間形成空隙，隨著V10O14（OH）2的消失以及黑鐵釩礦VOOH的部分氧化，將得到具有中空海膽狀結(jié)構(gòu)的次鐵釩礦VO2納米材料，用作于鋰離子電池電極材料，實(shí)現(xiàn)與電解液接觸面積的擴(kuò)大，促進(jìn)鋰離子嵌入、脫嵌效率的提升。

2.2中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備之“溶劑熱法”

溶劑熱法（solvothermal method）是基于水熱法發(fā)生下形成的一種合成方法，主要以有機(jī)物或非水溶媒為溶劑，在一定條件下使混合物發(fā)生反應(yīng)形成所需材料。在鋰離子電池中的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備過(guò)程中，可應(yīng)用溶劑熱法進(jìn)行實(shí)踐。例如，Tang等學(xué)者在研究過(guò)程中，以水和乙醇混合溶液為介質(zhì)，在溶劑熱法作用下制備了具有中空結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12并將其作為鋰離子電池負(fù)極材料，實(shí)驗(yàn)表明，該材料的電化學(xué)性能相對(duì)較好，其電容量達(dá)到了114mAhg-1，在循環(huán)200次后，電容量仍可達(dá)到125mAhg-1。

3結(jié)論

總而言之，中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料所具有的結(jié)構(gòu)與功能可有有效提升鋰離子電池電極材料與電解液接觸面積，加快電解液擴(kuò)散從而縮短鋰離子遷移距離，降低鋰離子電池充放電過(guò)程中鋰離子嵌入與脫嵌的不利影響。對(duì)此，有必要認(rèn)知中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料制備方法，以提升材料應(yīng)用性能，為鋰離子電池優(yōu)化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]高欣，裴廣玲.靜電紡絲法制備聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物鋰離子電池隔膜及性能[J].化工新型材料，2018（12）：85-89+93.

[2]王杰，何歡，李龍林，王得麗.用于鋰離子電池的中空無(wú)機(jī)非金屬納米材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué)：化學(xué)，2014，44（08）：1313-1324.