探討用于鋰離子電池的中空無機非金屬納米材料

汪宇軒

摘 要：鋰離子電池在實際應用過程中，電極材料會因為鋰離子的應用，出現電池失效現象。應用中空無機非金屬納米材料可實現鋰離子電池電極空腔體積與殼層厚度的調整，以滿足電極材料在充放電過程中的膨脹、收縮需求，提升鋰離子電池使用性能，降低電池失效現象的產生。基于此，從中空無機非金屬納米材料相關概述出發，在文獻資料梳理下，就鋰離子電池的中空無機非金屬納米材料制作方法進行了簡要分析，以供參考。

關鍵詞：鋰離子電池;中空無機非金屬納米材料;材料研究

引言：鋰離子電池作為二次電池，興起于上世紀九十年代，在不斷發展過程中具備了大能量密度、充電快速、充電效率高、輸出功率大、低環境污染、自放電小等特征，并被廣泛應用于日常生產與生活中。在鋰離子電池應用過程中，其性能的優化與作用的發揮與電極材料存在密切關聯性。加強鋰離子電池電極材料的研究已經成為人們關注的重點。鑒于此，本文主要對用于鋰離子電池的中空無機非金屬納米材料如下分析，以期明確中空無機非金屬納米材料應用優勢，探尋電極材料制備創新方法。

1中空無機非金屬納米材料

“中空無機非金屬納米材料”主要是指具備中空結構的無機非金屬材料。而為無機非金屬材料（inorganic nonmetallic materials）是除有機高分子材料、金屬材料外，對其他材料的統稱，主要以一些元素的氧化物、氮化物、硼化物、硅酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽等構成，最早形成于上世紀四十年代，并在不斷發展中得到進步與完善，成為當前生活與生產中應用較為廣泛的材料之一[1]。而在無機非金屬材料應用過程中，利用模板法能夠制備具有納米級三維中空體系的無積分金屬材料，可有效提升無機非金屬性能，使其在能量存儲、能量轉化、氣體探測中得到廣泛應用。以鋰離子電池為例，應用中空無機非金屬納米材料制備電極可有效增大電極與電解液之間的接觸面積，增強反應活性位點。與此同時，中空無機非金屬納米材料功能化殼層，能夠有效適應鋰離子電池充放電過程中顆粒的膨脹、收縮，降低電池失效現象的產生，以推動鋰離子電池優化發展，為能源應用與節約提供創新發展路徑。

而在鋰離子電池中空無機非金屬納米材料制備過程中，傳統模板法所制備材料多為球體結構，在實際應用過程中存在一定的限制。對此，如何在改變形貌的同時，有效控制高曲率與殘余應力的影響，實現冗長殼沉積的去除，提升操作簡便性，實現產品質量、經濟、品質的協調發展成為人們關注的重點。對此，有必要對用于鋰離子電池中空無機非金屬納米材料進行研究，在明確其應用價值的同時，創新實用性強、操作簡便的中空無機非金屬納米材料制備方法。

2用于鋰離子電池的中空無機非金屬納米材料制備方法

2.1中空無機非金屬納米材料制備之“柯肯達爾效應”

柯肯達爾效應（kirkendall effect）是現階段中空無機非金屬納米材料制備的重要方法之一。它能夠使兩種或兩種以上擴散速率不同的金屬在一定條件下產生缺陷，從而使原本實心的顆粒成為具備中空結構的納米材料。在用于鋰離子電池的中空無機非金屬納米材料制備過程中，應用柯肯達爾效應具有顯著的優勢。一方面，在材料制備過程中無需利用模板，實現制備步驟的縮減，有利于節約電極材料制作成本，提升材料制備的可操作性，滿足電極材料大規模生產需求;另一方面，柯肯達爾效應基于固態物質擴散現象，能夠在不利用層狀材料的情況下，實現二元及以上復雜結構材料的合成，簡化材料制備條件[2]。例如，可根據Mn與Ni原子向外擴散與O原子向內擴散存在的速率差，進行具備中空結構0.3Li2MnO3·0.7Li Ni0.5Mn0.5O2鋰離子電池負極材料的制作。該材料的應用可有效提升鋰離子電池放電性能，實現室溫條件下200mAh/g的放電電流密度，并在100次循環后仍具備201mAhg-1可逆比容。由鋰離子電池工作原理可知，鋰離子電池在充分放電過程中，鋰離子會在正負電機之間進行嵌入和脫嵌。在此過程中，鋰離子的嵌入和脫嵌性能與鋰離子電池正負電機內部結構存在密切關聯性。而

黑鐵釩礦VOOH與次鐵釩礦VO2由于具備高離子導電率、高能量密度等優勢，應用于鋰離子電池電極材料制備中，可有效提升鋰離子電池性能，增強鋰離子電池應用安全性。對此，可利用柯肯達爾效應進行鋰電池電極材料制備，如利用L-半胱氨酸將V（IV）O（acac）2還原成V10O14（OH）2，并使其在水解作用下生成黑鐵釩礦VOOH片狀結構，使其附著在V10O14（OH）2表面，與V10O14（OH）2之間形成空隙，隨著V10O14（OH）2的消失以及黑鐵釩礦VOOH的部分氧化，將得到具有中空海膽狀結構的次鐵釩礦VO2納米材料，用作于鋰離子電池電極材料，實現與電解液接觸面積的擴大，促進鋰離子嵌入、脫嵌效率的提升。

2.2中空無機非金屬納米材料制備之“溶劑熱法”

溶劑熱法（solvothermal method）是基于水熱法發生下形成的一種合成方法，主要以有機物或非水溶媒為溶劑，在一定條件下使混合物發生反應形成所需材料。在鋰離子電池中的中空無機非金屬納米材料制備過程中，可應用溶劑熱法進行實踐。例如，Tang等學者在研究過程中，以水和乙醇混合溶液為介質，在溶劑熱法作用下制備了具有中空結構的Li4Ti5O12并將其作為鋰離子電池負極材料，實驗表明，該材料的電化學性能相對較好，其電容量達到了114mAhg-1，在循環200次后，電容量仍可達到125mAhg-1。

3結論

總而言之，中空無機非金屬納米材料所具有的結構與功能可有有效提升鋰離子電池電極材料與電解液接觸面積，加快電解液擴散從而縮短鋰離子遷移距離，降低鋰離子電池充放電過程中鋰離子嵌入與脫嵌的不利影響。對此，有必要認知中空無機非金屬納米材料制備方法，以提升材料應用性能，為鋰離子電池優化發展奠定良好基礎。

參考文獻：

[1]高欣，裴廣玲.靜電紡絲法制備聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物鋰離子電池隔膜及性能[J].化工新型材料，2018（12）：85-89+93.

[2]王杰，何歡，李龍林，王得麗.用于鋰離子電池的中空無機非金屬納米材料的研究進展[J].中國科學：化學，2014，44（08）：1313-1324.