鉅大LARGE | 點擊量：2259次 | 2021年10月16日
碳納米管在鋰離子電池中的應用
自發現碳納米管以來，有關碳納米管在二次電池方面應用研究就沒有停止過。由于其特殊的管狀石墨結構和獨特的彈道電子傳導效應，碳納米管在室溫下的電導率可高達103s/cm/（MK），導熱系數可達5800W/（MK），MWCNTs（多壁碳納米管）的導熱系數可達3000W/（MK）。同時，三維碳納米管陣列的定向生長具有優良的力學性能。
碳納米管的應用也是十分廣泛，包括電子領域（晶體管、傳感器等）、生物醫療領域、航天（研究用航天器鏡片、復合材料增強體、功能材料）、領域（生化防護服和地雷、爆炸物探測器）、能源領域（超級電容器、鋰離子電池和太陽能熱光伏設備）以及激光器等。今天我們就來了解一下碳納米管在鋰離子電池中的應用。
碳納米管作為導電劑應用于正極材料中，重要用來提高電池的容量、倍率、循環等性能。
◆鈷酸鋰/碳納米管復合正極材料
比較了多壁碳納米管(MWCNTs)、碳黑(CB)和碳纖維(CF)作為導電劑應用于LiCoO2時電池的性能差異，在2C的倍率下，LiCoO2/MWCNT電池容量在循環過程中衰減極小，而含碳黑與碳纖維的電池20圈循環后分別衰減了10%與30%。測試顯示含MWCNT電池阻抗最低，電導率最高。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
◆錳酸鋰/碳納米管復合正極材料
通過溶液凝膠法法合成了多壁碳納米管/錳酸鋰納米復合物，復合材料在20次循環后容量保持率達到99%，而純的LiMn2O4納米顆粒20次循環后的容量保持率為90%，表明復合材料循環穩定性更好，這是因為MWCNT在電極內部形成了導電網絡，使電荷轉移更為容易，同時交流阻抗測試結果顯示復合材料的阻抗更低。
◆磷酸鐵鋰/碳納米管復合正極材料
研究了LiFePO4顆粒與MWCNT混合制備成的復合電極的電化學性能，掃描電鏡圖顯示一維的MWCNT與LiFePO4顆粒組成了三維網絡，有效地提高了電子在活性物質與集流體間的傳導能力。
◆純碳納米管作為負極材料
碳納米管的獨特形貌和高比容量十分有利于其在鋰離子電池的應用中，當鋰離子能插入管間時，電極容量會大大提升。所以有人嘗試直接用碳納米管作負極材料。
將模板法合成的碳納米管制備成了納米多孔碳膜，使得碳納米管管內管外均能被鋰離子嵌入。碳納米管薄膜電極表現出了490mAh·g-1。
碳納米管的結構及其石墨化程度決定了碳納米管薄膜的比容量與循環壽命。低度石墨化的碳納米管表現出更高的比容量，但穩定性差于高度石墨化的碳納米管。這是由于鋰往往優先插入到低石墨化的區域，如石墨層邊界或單層石墨的表面。然而，石墨化的碳納米管在溶鋰能力上總體優于非晶碳納米管。不同制備條件導致碳納米管的不同微觀結構和化學組分，因而決定了其電化學性能。
但是由于碳納米管的比表面積較大，當其直接作為負極材料時，SEI膜的形成導致首圈的比容量損失巨大，使得碳納米管最終容量十分有限。所以人們不得不想辦法將碳納米管與其他材料復合，來提升材料性能。
◆碳納米管復合物負極材料
碳納米管的化學惰性使它在許多化學反應中仍能保持其結構穩定性，于是許多研究者在碳納米管上原位生長負極材料來合成復合材料電極。為了成功的制備碳納米管復合材料電極，要克服碳納米管之間的范德華吸引力，因此表面分散劑或弱氧化劑是必不可少的，它們能減弱碳納米管之間的相互用途。原位生長的負極材料包覆在碳納米管的表面使其得到了進一步的表面修飾，這既促進了碳納米管的分散又加強了碳納米管與電極材料間的化學用途力。
此外研究者還嘗試制備了二氧化錫/碳納米管復合負極材料、過渡金屬氧化物/碳納米管復合負極材料，都成功的提高了電極材料的電化學性能，為大容量、高穩定的鋰離子電池發展供應了可能的解決方法。
