碳纳米材料构建高性能锂离子和锂硫电池研究进展

发布时间：2021-07-14 15:52

　　碳作为单一元素可形成像零维碳纳米球、一维碳纳米管、二维石墨烯等多种碳纳米结构,它们在锂离子和锂硫电池中的表现也有所不同。需要阐明的是,碳纳米管和石墨烯由于具有以下缺点不适合直接作为锂离子或锂硫电池电极材料:（1）第一次不可逆容量大,首次充放电效率低;（2）在充放电曲线中电压滞后现象严重;（3）缺少稳定的电压平台;（4）容量衰减快。科学家们一直在为获得具有更高能量密度和更广阔应用前景的锂离子电池和锂硫电池而努力,由于可充电电池的性能主要取决于阴极和阳极的性能,因此,设计先进的电极材料以及制备具有特定成分和结构的电极成为近年来的研究热点。本文综述了碳纳米材料在构建高性能锂离子、锂硫电池电极材料和特定电极方面的作用。首先,从促进电子和离子传输、固定多硫化物位置以及缓冲体积膨胀三个方面讨论了碳纳米材料在修饰电活性材料的作用;其次,从作为导电添加剂、电流集流体和导电中间层三个方面讨论了碳纳米材料在最优化非活性组分的作用;然后,从作为非导电基体上的导电相、柔性电流集流体和自支撑复合电极三个方面讨论了碳纳米材料在柔性电池设计的作用。最后,本文对碳纳米材料的未来发展趋势作了概述,兼具多种功能的碳纳米材... 

【文章来源】：材料工程. 2020,48(04)北大核心EICSCD

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

碳纳米/电活性复合材料的结构模型示意图(其中红色代表电活性材料,蓝色代表碳纳米材料)[27]

图1 碳纳米/电活性复合材料的结构模型示意图(其中红色代表电活性材料,蓝色代表碳纳米材料)[27]Wang等[30]还制备了氮掺杂石墨烯气凝胶改性的LiFePO4正极材料,如图3所示。其中,(010)面取向的LiFePO4纳米片被氮掺杂的石墨烯气凝胶包裹,它具有三维多孔结构,比表面积高达199.3 m2·g-1。在这一复合物中,氮掺杂的石墨烯气凝胶交织的多孔网络为快速的电子和锂离子传输提供了通道,而具有大的(010)比表面积的LiFePO4纳米片提高了锂活性位点,缩短了锂扩散距离。电化学测试表明,氮掺杂石墨烯气凝胶改性的LiFePO4正极材料具有极高的倍率性能,达78 mAh·g-1 @100C。循环稳定性优异,在10 C的放电倍率下,循环1000次容量保持率达89%。

Yang等[53]比较了石墨烯导电添加剂和商品导电添加剂对LiFePO4软包电池的影响,如图4所示。商品导电添加剂一般添加7%的炭黑和3%的导电石墨,Yang的研究表明,2%石墨烯导电添加剂的LiFePO4软包电池比商品导电添加剂的软包电池具有更高的容量。尽管添加石墨烯的LiFePO4由于构建了有效的导电网络具有高容量,但从其充放电平台曲线上可以看出它的极化较大,这是由于锂离子传输通道在一定程度上被石墨烯的二维平面结构阻塞了空间位阻效应,导致电化学反应所需的锂离子流量不足。也就是说,尽管石墨烯导电网络确保了快速的电子传输,但受阻的锂离子传输导致反应动力学方面的负面效应,从而导致较高的极化。然而,采用1%的炭黑替代部分石墨烯,电池的极化大大减弱,从而改善了锂离子传输性能。2.2 作为电流集流体

【参考文献】：
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本文编号：3284442