纳米材料在电化学能量转换和储存器件上的应用

《纳米材料在电化学能量转换和储存器件上的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、纳米材料在电化学能量转换和储存器件上的应用郭玉国，胡劲松，万立俊*摘要：寻求一种强大的电化学能量转换和存储设备是我们的社会中最大的挑战之一，就能量密度和功率密度来说可充电锂离子电池和燃料电池是其中最有前景的设备。纳米材料因为其巨大的表面积、奇特的尺寸效应、显著增强的动力学等效应成为目前电池材料的研究热点，本文介绍了纳米电极材料在锂离子电池上近期研究成果，着眼在纳米尺寸效应的优点、纳米效应的缺点、和一些解决这些问题的方法如纳/微结构材料、表面包覆，还有纳米铂基电催化材料在直接甲醇燃料电池上的研究。降低铂催化的成本的方法有：构建新奇的铂纳米结构、新型经济的合成路线、双重或多重催化和新型催化载体。

2、1.引言当今信息丰富的移动社会面临的重大挑战之一是寻求高效、低成本、环保型的电化学能量转换和存储设备来满足越来越广泛的动力工具的需要，包括便携电子设备和电动汽车或混合动力汽车。由于这些设备的性能取决于材料的性质，关键原材料的研究与开发因此得到相当大的关注。微米级的散装材料在性能上正接近他们的内在极限，不能充分满足消费电子设备的不断增长的需要，因此高性能新材料的快速发展研究是必要的。纳米材料在这一领域越来越重要因此近年得到很大的关注，用于在电化学转换和储能设备中的的材料已经被发现多种纳米尺寸效应，他们可以被分成两种：i)仅仅依靠表面体积比的增加的一般尺寸效应；ii)真正尺寸效应，它也包括材料本

3、身特性的改变。随着纳米离子在这一领域被证明占有重要的地位，与纳米电子在半导体物理中的地位相似，它对新一代清洁能源设备起着关键作用，它的研发可能在这一领域产生新突破。然而，关于这种利用纳米粒子对将来或现在有着重大作用的储能器件详尽的论述超出了本文的范围，相反，我们的研究要限制在锂电池和燃料电池领域。特别是，我们应专注于纳米电极材料的可充电锂离子电池和直接甲醇燃料电池的纳米铂基催化剂。2.锂离子电池纳米电极材料与传统的充电电池如铅酸电池和镍镉电池相比，锂离子电池在小体积充电电池领域因为其诸多的优点（如更高的电压、更高的能量密度和更长的循环寿命）代表了目前一个国家的科技水平。通常，锂离子电池由负极

4、（阳极如石墨）、正极（阴极如LiCoO2）和锂离子导电电解质（图1a）。当电池充电时锂离子从正极脱出后插入负极。当放电时，锂离子从负极释放后重新嵌入正极（图1a）。虽然锂离子电池是商业上特别是在小型设备上很成功，但在越来越多的需要它们来驱动的工具如下一代无限通讯设备（如3G手机，MP4）、电动汽车、混合动力汽车、电动工具、不间断电源（UPS）、固定蓄电池（SSBs）、和微芯片的推动下，在加强其性能特征方面它们仍是十分迫切的研究对象。因为没有一个单一的锂离子电池类型可以满足大量的各种应用工具的所有要求，应考虑不同类型具有特定应用特性的电池，包括：i)现代通讯设备的高能量电池；ii)用于混合动力

5、汽车、电动汽车和电动工具的高功率锂离子电池；iii)用于不间断电源（UPS）、固定蓄电池（SSBs）上的长寿命锂离子电池。不同种类的锂离子电池应考虑相应性能的电极材料（表1）。然而，商业电池很大程度上依赖微米尺寸的电极材料，因此被有限的动力学、锂离子嵌入能力、结构稳定性所限制。目前供应的锂离子电池的性能仅能某种程度满足不同工具的需要，自然而然，在发展更高能量密度、更高功率密度（即更高速率）、更长寿命和更安全性的新型电极材料上的挑战仍然存在。纳米电极材料的发展被认为是打破这些限制、达到这些目标最具理想的途径。然而，首先必须要了解纳米材料怎样影响锂离子电池的性能和这些材料展现了怎样的机制。这里，

6、我们着眼于纳米尺寸效应的优缺点、和解决问题的方法及充分发挥纳米材料的潜能。2.1.纳米尺寸效应的优点纳米材料在改善锂离子电池性能方面占有很重要的地位，因为在纳米粒子体系中Li+本征扩散距离急剧下降，纳米粒子可以在不对电极产生任何破坏情况下迅速接受并储存大量锂离子，同时纳米粒子也有较大的表面积、较短的扩散距离和沿颗粒边缘较快的扩散速率。故纳米尺寸效应有利于显著增强电容量、提高速率性能、容量保留和产生许多奇特的储锂体系。2.1.1增强的储锂动力学就能量密度来说，锂离子电池是应用在电动汽车、混合动力汽车、电动工具上最理想的选择，但电极材料的动力学因素也就是Li+和电子的扩散抑制了能量密度的提高，根

7、据下面（1）式，Li在固体电极材料中的平均扩散时间（Teq）决定于扩散系数D和扩散长度LTeq=L²/2D(1)目前有两种方法可以解决电极材料的动力学问题，一种方法是通过对电极材料掺杂外来原子来改变扩散系数D，虽然混合后的导电性因此改善，但导电速率增强有限而且异类原子的引入有时会导致晶体结构的不稳定性。另一个更好的方法是通过使电极材料纳米化减小扩散长度L。例如，对于一个扩散系数为D=10^（-10）cm²s-