碳纳米管用作锂离子电池负极材料的研究进展_郭丽玲

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1、碳纳米管用作锂离子电池负极材料的研究进展／郭丽玲等·１１１·碳纳米管用作锂离子电池负极材料的研究进展＊郭丽玲，张传祥，范广新（河南理工大学材料科学与工程学院，焦作４５４００３）摘要简要概述了碳纳米管的结构、嵌锂机理；通过对比分析，综述了碳纳米管的电化学性能，指出了其作为锂离子电池负极材料的优点与不足；详细介绍了作为负极材料的碳纳米管改性修饰方法及碳纳米管复合材料研究现状；并根据碳纳米管及其复合材料的各种特征和综合分析，指出了其作为一种储能材料的发展方向。关键词锂离子电池负极材料碳纳米管ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅｓｆ

2、ｏｒＬｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎＢａｔｔｅｒｉｅｓＡｎｏｄｅＭａｔｅｒｉａｌｓＧＵＯＬｉｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＣｈｕａｎｘｉａｎｇ，ＦＡＮＧｕａｎｇｘｉｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄ－Ｌｉｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｂｒｉｅｆｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｒ

3、ｅｖｉｅｗｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｃｏｎｃｉｓｅｌｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓａｓｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｓｍｏｄｉｆｉｅｄｍｅ－ｔｈｏｄｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓａｓａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｓｗｅｌｌａｓｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｄｅ－ｔａｉｌｅｄｌｙ

4、．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓａｎｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｓａｋｉｎｄｏｆｅｎｅｒｇｙ－ｓｔｏｒａｇｅａｒｅｒｅｖｅａｌｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ，ａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ０引言１碳纳米管的结构及嵌锂机理近年来，锂离子电池已被研制成功并实现商品化，由于１．１碳纳米管的结构其具有高电

5、压、高比能量、大比功率、无记忆效应和无环境污碳纳米管是由纳米级的同轴碳管组成的单层或多层材染等优点而得到了广泛的应用［１，２］。在较早实现商业化的锂料，具有类似于石墨的层状结构，一般根据壁（石墨片层）的离子电池负极材料中，碳材料具有储锂量高、原材料丰富、电多少可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。极电位低、廉价、无毒和稳定等优点，得到了快速的发展。尽单壁碳纳米管可以认为是由一层石墨片“滚”成的圆柱管传统碳材料较好地解决了电池安全性的问题，但其比容量体，管壁是一个主要由碳原子通过ｓｐ２杂化，同周围３个碳原较低，理论容量仅为３７２ｍＡｈ／ｇ，目前一些高容量材

6、料的不可子完全键合所形成的六边形平面组成的圆柱面，直径一般为逆容量较大，无法满足高比能电池的需要［３］，新型高性能负１～６ｎｍ，长度可达几微米。多壁碳纳米管中心管为封闭的圆极材料亟待研发。柱体，由石墨片“卷”成，侧面由碳原子六边形组成，两端由碳［４］用氩气直流电弧对阴极原子五边形封顶，中心管的外围一般有多个单壁碳纳米管同２０世纪９０年代，日本的Ｉｉｊｉｍａ碳棒放电，发现了管状结构的碳原子簇，即碳纳米管。碳纳轴组成，长度可达微米级，管间作用力与石墨片间一样，为范米管的管径和管与管之间相互交错的缝隙都属纳米数量级，德华力，管间距约为０．３４ｎｍ，比石墨的层

7、间距稍大一些。碳这种特殊的微观结构具有优异的物理及化学特性和嵌锂性纳米管的管壁为典型石墨层状结构，同时还存在无序碳的结能，使得锂离子的嵌入深度小，行程短，嵌入位置多（管内和构（内外表面的碳层及所附着的无序碳），还具有与石墨化中层间的缝隙、空穴），同时碳纳米管导电性能很好，有较好的间相碳微珠（ＭＣＭＢ）类似的内腔结构，而且表面及边缘又存离子运输和电子传导能力，适合用作锂离子电池极好的负极在着结构缺陷，管与管之间有纳米间隙，碳纳米管中还存在材料［５］。因此，研究碳纳米管嵌锂性能并探索碳纳米管及碳部分的Ｈ原子掺杂［６］。纳米管基的各种合成方法具有重要的意义和

8、实用价值。本１．２嵌锂机理文从对碳纳米管的结构、嵌锂机理的研究入手，概述了碳纳对于单壁碳纳米管