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过渡金属氧化物在锂离子电池中的应用

时间：2023-01-19 12:00:28 下载该word文档

过渡金属氧化物在锂离子电池中的应用
向银域;陈婵;肖天赐;李俊升
【摘要】Thedevelopmentofhighperformanceanodematerialiscriticalfortheapplicationoflithiumionbattery.Thecharacteristicsandrecentstudiesprogressofthenovelanodematerialsbasedontransitionmetaloxidesweresummarized.Thepreparationandperformanceofcarboncoatingtransitionmetaloxideswerereviewed.Thedevelopmentofthecarboncoatingtransitionmetaloxidematerialswasprospected.%发展高性能负极材料对于推进锂离子电池进一步应用至关重要.介绍了新型过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的主要特点及近期研究进展,综述了碳包裹过渡金属氧化物的合成制备方法及性能,并对该类负极材料的发展进行了展望.【期刊名称】《电源技术》【年(卷,期】2017(041012【总页数】3页(P1782-1784
【关键词】锂离子电池;负极材料;过渡金属氧化物;碳包裹【作者】向银域;陈婵;肖天赐;李俊升
【作者单位】武汉理工大学化学化工与生命科学学院,湖北武汉430070;武汉理工大学化学化工与生命科学学院,湖北武汉430070;武汉理工大学化学化工与生命科学学院,湖北武汉430070;武汉理工大学化学化工与生命科学学院,湖北武汉430070

【正文语种】中文【中图分类】TM912

目前商业化锂离子电池的负极材料为石墨类材料，其理论比容量仅为372mAh/g，且在大电流充放电时易发生析锂现象，这一性能瓶颈极大地制约了锂离子电池的进一步发展和应用。与石墨负极材料相比，过渡金属氧化物有着极高的理论储锂容量，例如，α-Fe2O3的理论比容量高达1007mAh/g。此外，过渡金属氧化物材料资源丰富、制备过程简单、生产成本低廉。因此，过渡金属氧化物被认为是有希望在锂离子电池等能源器件中得到广泛应用的一类电极材料[1-2]。1过渡金属氧化物负极材料的特点
纳米状过渡金属氧化物与传统的石墨材料相比，具有理论容量高、首次充放电容量高的优点，但是也存在一些缺点[3]。首先，多数金属氧化物如Fe2O3、CO3O4、SnO2、MnOx、NiO以及CoO等属于宽能隙半导体甚至绝缘体，它们通常表现出极差的导电性能，较弱的电子导电性不仅影响其在充放电过程中的动力学性能，还会导致电极内部焦耳热的聚集，从而引起电池在充放电过程中的安全问题；其次，金属氧化物会受到离子传输动力学上的阻碍，致使其倍率性能较差；更为严重的是，在充放电过程中过渡金属纳米颗粒会发生很大的体积变化，电极工作过程中剧烈的体积变化不仅会导致电池性能的急剧降低，也可能导致电池的破坏从而引发安全事故[4]。因此，提高过渡金属氧化物负极材料的工作稳定性对于其在锂离子电池中的应用极为关键。
2过渡金属氧化物负极材料的性能改进2.1形貌调控
对过渡金属氧化物材料的形貌和成分进行调控被认为是解决上述问题的有效办法
[5]。缩小过渡金属氧化物的尺寸，在一定程度上有利于改善脱嵌锂过程中产生的体积变化，从而在一定程度上提高电极的循环稳定性。然而使用小尺寸的过渡金属纳米颗粒同时也会导致电极表面积急剧增大，使得不稳定的固体电解质相界面(SEI膜增加，从而降低电极的库仑效率。一维过渡金属氧化物能在一定程度上缓解充放电过程中的应力，有利于提高过渡金属氧化物类电极材料的稳定性[6]。α-Fe2O3纳米管在100mA/g下首次充放电比容量高达1415mAh/g，并且在循环100次以后，电池的可逆比容量仍然高达510mAh/g。Wang等报道了一系列二元过渡金属氧化物纳米棒结构，并证明这样的一维结构电极材料具有较好的稳定性[7]。2.2碳包裹修饰
另一种更有效的方法是通过碳材料对过渡金属纳米颗粒进行碳包裹，以增强其工作稳定性。一方面，碳包裹过渡金属氧化物中的碳相能有效地对电极充放电过程中产生的体积变化进行缓冲，并抑制充放电过程中的相变，使电极结构更加稳定[1]；另一方面，碳材料可以避免过渡金属氧化物纳米颗粒与电解质的直接接触，从而稳定SEI界面[8]。此外，复合结构中的碳材料可以显著提高电极的电子电导率，改善电池的功率密度[9]。2.2.1气相沉积合成
化学气相沉积(CVD法一般是指两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基底表面的化学过程。由于化学气相沉积能实现高质量碳层的可控生长，因此被认为是一种有效的对过渡金属氧化物材料进行包裹修饰的方法。
Huang等[10]以乙炔为碳源，通过气相沉积法，设计合成了一种具有分层结构的碳/锡复合材料。在这种复合材料中，部分锡纳米颗粒被包裹在类石墨烯的碳层中，而部分无定型碳包裹的锡纳米颗粒则负载于碳层表面的碳纳米管上。这种独特的分层结构使电极有足够的空间以适应充放电过程中巨大的体积变化，因而具有优异的

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