淺析納米材料在電池中的應(yīng)用

黎志勇

（肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 肇慶 526100）

前言

納米材料已廣泛應(yīng)用到化學(xué)電源中的活性材料中，并推動(dòng)著電池科技發(fā)展，納米活性材料所具有的比表面大、鋰離子嵌入脫出深度小、行程短的特性，使電極在大電流下充放電極化程度小，可逆容量高，循環(huán)壽命長；納米材料的高空隙率為有機(jī)溶劑分子的遷移提供了自由空間，使有機(jī)溶劑具有良好的相容性，同時(shí)，也給鋰離子的嵌入脫出提供了大量的空間，進(jìn)一步提高嵌鋰容量及能量密度。這也成為當(dāng)前新材料、新能源研究的前瞻性課題，鑒于此，本文就納米材料在電池中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以便為研究納米新材料在實(shí)際生活中應(yīng)用提供參考。

一、堿性鋅錳電池材料

進(jìn)入21世紀(jì)以來，堿性鋅錳電池得到飛速的發(fā)展，大有替代普通鋅錳電池和其他電池的趨勢(shì)。同時(shí)用電器具的發(fā)展對(duì)堿錳電池高容量和大電流放電提出更高的要求。因此，未來堿錳電池的研究主要集中在高功率重負(fù)荷放電性能，電池容量的提升以及儲(chǔ)存壽命的提高上，這可大程度上推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展。

1、納米級(jí)γ-MnO2

電池對(duì)原材料中的重金屬元素十分敏感。鐵鋁等元素易引發(fā)電池爬堿，銅等元素造成電池短路。陽極材料中即使含有微量的析氫交換電流密度高的金屬（如鐵、鎳等）都將會(huì)有氣體產(chǎn)生的危險(xiǎn)。因此，必須有效地控制原材料中的雜質(zhì)含量，提高原材料純度。研究人員普遍利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應(yīng)法合成制得納米級(jí)γ MnO2用作堿錳電池正極材料，并與EMD以最佳配比混合，可大大提高第2電子當(dāng)量的放電容量，也就是可出現(xiàn)混配效應(yīng)，由此就提高了電池的壽命和容量。

2、納米MnO2摻入Bi

可再充電的堿性鋅錳電池，不僅具有很好的荷電保持能力，電池的活性材料也得到了充分利用，從而節(jié)約了資源，保護(hù)了環(huán)境，研究人員通過加入Bi2O3合成得到改性MnO2，采用納米級(jí)和微米級(jí)改性摻Bi MnO2混配的方法，放電容量都有不同程度的提高，通過摻Bi在充放電過程中形成一系列不同價(jià)態(tài)的Bi Mn復(fù)合物的共還原和共氧化，有效抑制Mn3O4的生成，可極大地改善電極的可充性。

3、納米級(jí)α-MnO2

采用固相反應(yīng)法合成不含雜質(zhì)陽離子的納米α MnO2，粒徑小于50nm，其電化學(xué)活性較高，放電容量比常規(guī)粒徑EMD更大，尤其適于重負(fù)荷放電，表現(xiàn)出良好的去極化性能，具有一定的開發(fā)和應(yīng)用潛力。

4、納米級(jí)In2O3

In2O3是堿錳電池的無機(jī)代汞緩蝕劑的選擇之一，經(jīng)過科技人員潛心研究，目前已研究出無汞堿錳電池用高純納米In2O3，該材料具有比表面積大，分散性好，緩蝕效果更佳的特點(diǎn)，應(yīng)用于無汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產(chǎn)生的作用。并在軍事通信裝備中，它被廣泛作為戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)、野戰(zhàn)電話、末端設(shè)備、儀器儀表等的配套電源。

二、在MH/Ni電池中的應(yīng)用

1、納米級(jí)Ni(OH)2

US NanocorP.Inc公司的科研人員利用濕化學(xué)法制備出的納米纖維（納米Ni（OH）），纖維直徑為 2～5 urn，長為 15～50 urn，經(jīng)團(tuán)聚后制成電極，可使正極容量提高約20%。我國科技人員用沉淀轉(zhuǎn)化法制備了納米級(jí)Ni(OH)2，并發(fā)現(xiàn)納米級(jí)Ni(OH)2比微米級(jí)Ni(OH)2具有更高的電化學(xué)反應(yīng)可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學(xué)氧化還原過程中極化較小，充電效率高，活性物質(zhì)利用更充分，而且顯示出放電電位較高的特點(diǎn)。

2、納米晶貯氫合金

有科技人員用快淬法制備的ABS型貯氫合金，雖然具有納米晶的結(jié)晶構(gòu)型，呈現(xiàn)出較好的吸放氫電化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性，但是由于熔體在由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的急冷過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、無序化以及晶格缺陷，因此它的吸放氫循環(huán)穩(wěn)定性比較差，具體表現(xiàn)在它的比容量衰減速度較快，不能滿足制備Ni/MH電池對(duì)合金粉技術(shù)性能的要求；陳朝暉等科技人員利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶LaNi5，平均粒徑約20nm，采用該材料制備的電極與粗晶LaNi5制備的電極相比，它不但具有相當(dāng)?shù)姆烹娙萘?，還具有很好活化特性。唯有不足的就是他的循環(huán)壽命較短，這有待科技人員不斷的研究克服。

三、鋰離子電池材料

1、陰極材料---納米LiCoO2

固態(tài)無機(jī)材料MnO2具有廣泛的用途，可作為分子篩、高級(jí)催化劑、可充電池電極材料等等。鋰離子可以在寬敞的隧道中快速遷移，因而特別適合作為鋰離子電池的陰極材料。另外，我國科技人員用低熱固相反應(yīng)法合成納米LiCoO2，發(fā)現(xiàn)了混配效應(yīng):以一定比例與常規(guī)LiCoO2進(jìn)行混配，做成電池測(cè)試，充電容量可達(dá)132mAh/g，放電容量為125mAh/g，放電平臺(tái)在39V，由于納米顆粒增大了比表面積，令Li+更易嵌入和脫出，削弱了極化現(xiàn)象，循環(huán)性能比常規(guī)LiCoO2明顯提高，顯示出較好的性能。

2、納米陽極材料

碳納米管是商品化鋰離子電池使用的陽極材料，因其具有易于合成，電壓平臺(tái)高，比能量適中，循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，普遍為鋰離子電池的主流陽極材料。研究制得的碳納米管層間距離為034nm，這有利于Li+的嵌入和脫出，它不僅可使Li+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入，也可防止因溶劑化Li+的嵌入引起石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。研究表明，如果用該材料單獨(dú)用作鋰離子電池的負(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的嵌Li+容量和穩(wěn)定性，且循環(huán)性能穩(wěn)定。香港科技大學(xué)研究人員用多孔的沸石晶體作載體，首次成功研制出尺寸最小，全球最細(xì)且排列規(guī)整的04nm單壁納米碳管，繼而又發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)溫度15℃以下呈現(xiàn)出特殊的一維超導(dǎo)特性。

四、電容器材料

近幾年，由于環(huán)保電動(dòng)汽車研究的興起，可充電電池和電容器共同組合的復(fù)合電源系統(tǒng)已成為當(dāng)前科技研究的新課題，這種復(fù)合電源系統(tǒng)可在汽車啟動(dòng)、爬坡、剎車時(shí)提供大功率電源，降低電動(dòng)車輛對(duì)蓄電池大功率放電的限制要求，大大延長蓄電池循環(huán)使用壽命。另外，以納米碳管為代表的納米碳材料的研究，以及作為電極材料的應(yīng)用探索，為更高性能的電化學(xué)超級(jí)電容器的研究提供新思路。美國加州大學(xué)洛杉磯分校和中國天津大學(xué)的研究人員們合作，將導(dǎo)電性能良好的碳納米管和高容量的氧化釩編織成多孔的纖維復(fù)合材料，并將該復(fù)合材料應(yīng)用到超級(jí)電容器的電極上，獲得了新型的具有高能量密度和高循環(huán)穩(wěn)定性的超級(jí)電容器。這種超級(jí)電容器是非對(duì)稱的，包含復(fù)合材料的陽極和傳統(tǒng)的陰極，以及有機(jī)的電解質(zhì)。其中電極薄膜的厚度要比之前的報(bào)道高很多，可以達(dá)到100微米上，從而使其可以獲得更高的能量密度。

小結(jié)

納米材料已廣泛應(yīng)用到化學(xué)電源中的活性材料中，并推動(dòng)著電池科技發(fā)展，作為電極的活性材料納米化后，它表面增大，致使它極化減小，而電容量增大。由此產(chǎn)生較強(qiáng)大的電化學(xué)活性。特別是納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學(xué)貯能材料和高性能復(fù)合材料等方面的研究已取得了重大突破。另外，由于納米材料的研究目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，因此如何制得粒徑可控的納米顆粒，解決這些顆粒在貯存和運(yùn)輸過程中的團(tuán)聚問題，簡化合成方法，降低成本等，依然是以后還需要研究的重要問題。

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