淺析納米材料在電池中的應用

黎志勇

（肇慶科技職業技術學院，廣東 肇慶 526100）

前言

納米材料已廣泛應用到化學電源中的活性材料中，并推動著電池科技發展，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，循環壽命長；納米材料的高空隙率為有機溶劑分子的遷移提供了自由空間，使有機溶劑具有良好的相容性，同時，也給鋰離子的嵌入脫出提供了大量的空間，進一步提高嵌鋰容量及能量密度。這也成為當前新材料、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用進行探討，以便為研究納米新材料在實際生活中應用提供參考。

一、堿性鋅錳電池材料

進入21世紀以來，堿性鋅錳電池得到飛速的發展，大有替代普通鋅錳電池和其他電池的趨勢。同時用電器具的發展對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荷放電性能，電池容量的提升以及儲存壽命的提高上，這可大程度上推動了材料科學的發展。

1、納米級γ-MnO2

電池對原材料中的重金屬元素十分敏感。鐵鋁等元素易引發電池爬堿，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）都將會有氣體產生的危險。因此，必須有效地控制原材料中的雜質含量，提高原材料純度。研究人員普遍利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應法合成制得納米級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電子當量的放電容量，也就是可出現混配效應，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，從而節約了資源，保護了環境，研究人員通過加入Bi2O3合成得到改性MnO2，采用納米級和微米級改性摻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態的Bi Mn復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α-MnO2

采用固相反應法合成不含雜質陽離子的納米α MnO2，粒徑小于50nm，其電化學活性較高，放電容量比常規粒徑EMD更大，尤其適于重負荷放電，表現出良好的去極化性能，具有一定的開發和應用潛力。

4、納米級In2O3

In2O3是堿錳電池的無機代汞緩蝕劑的選擇之一，經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，應用于無汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產生的作用。并在軍事通信裝備中，它被廣泛作為戰術電臺、野戰電話、末端設備、儀器儀表等的配套電源。

二、在MH/Ni電池中的應用

1、納米級Ni(OH)2

US NanocorP.Inc公司的科研人員利用濕化學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，經團聚后制成電極，可使正極容量提高約20%。我國科技人員用沉淀轉化法制備了納米級Ni(OH)2，并發現納米級Ni(OH)2比微米級Ni(OH)2具有更高的電化學反應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氧化還原過程中極化較小，充電效率高，活性物質利用更充分，而且顯示出放電電位較高的特點。

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晶構型，呈現出較好的吸放氫電化學動力學特性，但是由于熔體在由液態變為固態的急冷過程中會產生內應力、無序化以及晶格缺陷，因此它的吸放氫循環穩定性比較差，具體表現在它的比容量衰減速度較快，不能滿足制備Ni/MH電池對合金粉技術性能的要求；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，它不但具有相當的放電容量，還具有很好活化特性。唯有不足的就是他的循環壽命較短，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

固態無機材料MnO2具有廣泛的用途，可作為分子篩、高級催化劑、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法合成納米LiCoO2，發現了混配效應:以一定比例與常規LiCoO2進行混配，做成電池測試，充電容量可達132mAh/g，放電容量為125mAh/g，放電平臺在39V，由于納米顆粒增大了比表面積，令Li+更易嵌入和脫出，削弱了極化現象，循環性能比常規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，電壓平臺高，比能量適中，循環性能好等優點，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極材料的損壞。研究表明，如果用該材料單獨用作鋰離子電池的負極材料均可顯著提高負極材料的嵌Li+容量和穩定性，且循環性能穩定。香港科技大學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，全球最細且排列規整的04nm單壁納米碳管，繼而又發現在超導溫度15℃以下呈現出特殊的一維超導特性。

四、電容器材料

近幾年，由于環保電動汽車研究的興起，可充電電池和電容器共同組合的復合電源系統已成為當前科技研究的新課題，這種復合電源系統可在汽車啟動、爬坡、剎車時提供大功率電源，降低電動車輛對蓄電池大功率放電的限制要求，大大延長蓄電池循環使用壽命。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用探索，為更高性能的電化學超級電容器的研究提供新思路。美國加州大學洛杉磯分校和中國天津大學的研究人員們合作，將導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合材料，并將該復合材料應用到超級電容器的電極上，獲得了新型的具有高能量密度和高循環穩定性的超級電容器。這種超級電容器是非對稱的，包含復合材料的陽極和傳統的陰極，以及有機的電解質。其中電極薄膜的厚度要比之前的報道高很多，可以達到100微米上，從而使其可以獲得更高的能量密度。

小結

納米材料已廣泛應用到化學電源中的活性材料中，并推動著電池科技發展，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。由此產生較強大的電化學活性。特別是納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學貯能材料和高性能復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驗室階段，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輸過程中的團聚問題，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。

[1]吳宇平等，鋰離子電池[M].化學工業出版社，2004.

[2]彭捷.數碼器具對電池的誤判誤用問題[J].電池工業 2006，11(5):311--313.

[3]鄭雪萍，曲選輝.鋰離子電池正極材料LiMn2O4研究現狀稀[J].有金屬快報，2005.

[3]李泓.鋰離子電池納米材料研究[J].電化學，2000(02).

[4]吳國良.LiCoO2正極材料的制備及其應用研究[J].電池，2000(03)

[5]李新海.化學電源-電池原理及制造技術[M].長沙:中南工業大學出版社，2000.