美國M IT碳納米管鋰電池極大提高儲能量

本刊 賈旭平

美國麻省理工學院（MIT）開發出了正極材料采用包括碳納米管在內的混合材料的鋰離子充電電池。據介紹，該電池同時兼顧鋰離子充電電池及電化學電容器二者的性能。具體而言，輸出比功率是普通鋰離子充電電池的10倍，比能量是普通電化學電容器的5倍。該電池未來可能用于小型便攜式設備中，深入研究之后，還可能用在大型、高耗能型領域。

此次發表的電池在輸出比功率為100kW/kg時，單位質量的比能量為200Wh/kg；低功率輸出時的最大比能量約為500Wh/kg。不過，這些數值是相對于電極的質量計算的。如果相對于電池整體的質量計算，將會是這些數值的1/5，亦即輸出比功率約為20kW/kg時，比能量約為40 Wh/kg，低功率輸出時的最大比能量約為100Wh/kg。相較而言，普通鋰離子充電電池在輸出比功率為1kW/kg時，相對于電池質量的比能量為150Wh/kg；普通電容器在輸出比功率為10kW/kg時，相對于電容器質量的比能量為5Wh/kg。

該論文已刊登在2010年6月20日的《Nature Nano technology》上。該電池是由MIT化學工程系教授Paula T.Hammond與該校機械工程系兼材料科學與工程系教授Yang Shao-Horn領導的研究小組研究的。論文的第一作者是該校學生Seung Woo Lee及博士后Naoaki Yabuuchi兩人。

據介紹，美國麻省理工學院的研究者們所開發的電池為：采用多層碳納米管（MWNT）和有機材料的混合材料作正極，采用鈦酸鋰（Li4Ti5O12：LTO）作負極。這應該是首次在正極上采用MWNT。

產品特性：

● 同時兼顧鋰離子充電電池及電容器二者的性能；

● 輸出比功率是普通鋰離子充電電池的10倍；

● 比能量是普通電容器的5倍；

● 反復充放電1000次以上，性能也不會發生劣化。

正極的制作方法

為了制造這種強大的新型電極材料，該研究小組使用了層層（layer-by-layer）制作方法，即將基體材料交替浸泡在含有碳納米管的溶液中（其中碳納米管已用簡單的有機化合物處理過，這樣可使它們既帶有正的凈電荷，又帶有負的凈電荷），交替形成MWNT和羧基相結合的MWNT-COO H層與MWNT和氨基相結合的 MWNT-N H2層。MWNT-COO H層和MWNT-N H2層的層數由小于100層到最大400層（將2層作為1組時，最大200組）組成。由于兩層分別帶正電及負電，所以透過層積方法，由于異性電荷互相吸引，可使其牢固地結合在一起，形成一個穩定持久的薄膜。該電極僅有幾微米厚，可以存儲達200 m Ah/g的可逆比容量，同時輸出比功率可達100kW/kg，壽命超過幾千次，所有這些性能都可與電化學電容器相媲美。

碳納米管作為鋰電池材料的特點

通常在便攜式電子裝置中廣泛使用的鋰離子電池由三個基本成份組成：兩個電極（也叫陽極或負極，和陰極或正極），和電解液（隔開兩個電極，它是一種導電材料，通過電解液，帶電粒子或離子可自由移動）。電池在使用過程中，帶正電荷的鋰離子可通過電解液到達正極，并產生電流；當電池放完電，并進行充電時，外部電流會使這些離子以相反的方向游動，這樣它們就可被嵌入到陽極的多孔材料中。

在這種新的電池電極中，碳納米管——一種在純碳中由碳原子片壓制成的微管結構——能夠在多孔納米尺度自組裝成一種緊密的約束結構。此外，碳納米管表面有許多氧氣官能團，它可以存儲大量的鋰離子這是碳納米管第一次作為鋰離子電池正極，而不是僅作為負極。

這種“靜電自組裝”過程是很重要的。通常來說由于表面的碳納米管易于團聚，僅有少量的裸露表面能進行反應。但是通過將有機分子接到碳納米管上，它們組裝的形式有高度的孔隙率，同時又有大量的碳納米管存在。

新材料制備的鋰電池具有兩個電容器的優點，它既具有在短時間內產生高功率輸出的特點；又具有鋰電池本身的低功率長時間輸出的特點。該研究小組稱，這種新的基于給定質量的電極材料輸出的能量比傳統的電容器大5倍，而總的功率傳輸速率是鋰離子電池的10倍。這種優異的性能可能是由于電極中離子和電子的優良的傳導性能形成的，也可能是由于碳納米管表面高效的鋰存儲形成的。

除了它們的高功率輸出能力以外，碳納米管電池隨著時間的推移還顯示出非常良好的穩定性。一塊電池在經過1000次的循環放電充電測試后，其材料性能沒有發生變化。

這種電池的特點是可實現非常高的功率輸出，并且此時的能量密度也較高。在低功率輸出時的能量密度雖然與普通鋰離子充電電池沒什么差別，但在高功率輸出時，此次發表的電池顯示出了更高的性能特性。目前，許多研究都專注于通過降低鋰離子的擴散距離來提高鋰離子電池的功率輸出，但是其輸出功率仍遠遠低于電化學電容器和低于眾多應用領域所要求的功率輸出。

該研究小組制作的電極僅有幾微米厚，而且能量密度的提高也僅是在高功率輸出中才能體現出來。在未來工作中，該研究小組希望能制作出厚度更高的電極，并使電極在低功率輸出中也有較高的性能。目前，該材料可能只適合應用在小型便攜式電子設備中，但是如果日后能在較厚的電極中（幾百微米厚，而不是目前的幾微米厚）也能展現很高的功率性能，那么它最終也將適用于其他領域，如混合動力車和可再生能源領域。

此次制作的電極材料是通過將基體輪流浸泡在不同的溶液中制成的，而這是一個相對耗時的過程。Pa u la H a mm on d教授暗示：如果能將交替層噴涂到移動的材料帶上（這是Pa u la H a mm on d教授的實驗室正在研究的一項技術），那么這個過程就有可能被改善。這樣最終就能開發一種連續的制作過程，并可被擴大到商業化規模的生產。同時，這種制作過程也有可能被用來制作更厚的、具有更大功率性能的電極。Pa u la H a mm on d教授說：“在電極的潛在厚度方面是沒有一個真正的限度，唯一的限度是制作各個層所需要的時間，而噴涂技術有可能比浸泡技術快達100倍”。

到目前為止，碳納米管還只是在有限在數量內制作，但是有一些公司正在促進其大規模生產，這也有助于使其成為大規模電池生產所用的可行材料。

圖1 L B L-MWNT電極的能量儲存機制

圖2 不同層組數MWNT電極在IT O鍍膜玻片上

圖3 MWNT電極的S E M圖

未來的研究方向

圖4 MWNT電極的TEM的掃描影像