納米材料或為鋰離子電池增壽

材料牛注：高容量鋰離子電池在充放電過程中電極材料體積會發生巨大變化，從而影響鋰離子電池使用壽命。同時，陽極和電解液之間沉淀層的積累也會導致活性物質的消耗和降解。納米材料或為這一典型問題的解決帶來希望。

高容量鋰離子電池最大的缺點就是在充放電過程中，電極材料的體積會出現戲劇性的明顯變化。這一點會導致電極的降解。周期性的體積膨脹和收縮，會使電極產生裂縫并且斷裂。

針對這一問題，納米材料分別從粒子層面和電極層面給出了解決方案。相比于其他材料，納米材料往往更耐機械降解。因此，其中一個解決方案就是在鋰離子電池中采用低于臨界斷裂尺寸的納米顆粒或納米線。

從電極層面來講，納米材料可以像“膠水”一樣把陽極顆粒粘在一起。不斷破碎、開裂和重組的活性物質會導致斷電，但“膠水”的存在可以使活性物質順利通電，從而增加鋰離子電池的使用壽命。一般采用非晶硅膠將硅納米顆粒結合到電極上。

針對電極材料在充放電過程中發生的巨大體積變化這一問題，其他解決方案包括：合成納米復合材料或利用蛋-殼結構包裹有效化合物，如硫。

一直困擾鋰離子電池的另一個問題是固體陽極和電解液之間沉淀層的積累。陽極表面會生成鋰固體，形成一個電子絕緣層。這被稱之為固體-電解液界面或SEI。因為充放電過程中的體積變化，SEI變得不穩定，出現裂縫時便會暴露電極。這會導致更多的固體積累，直到活性物質最終被消耗降解。

解決SEI不穩定性問題的方案包括納米界面的形成、封裝電極創建穩定接口和合并電解質添加劑。

尤其是鋰離子電池的陽極，容易在陽極和電解液之間形成樹突。一旦樹突生長至連接到電極，電池就會放電。這個問題的解決，可以通過構建一個保護性的碳納米球涂層，構建人工SEI層或在電解液中添加可以抑制樹突生長的化合物來完成。

理想情況下，電池可以快速高效地傳輸電子和離子。這就意味著對于電子和離子來說，擁有高導電通路和短離子行程。相比于其他粒子，納米顆粒更小，更有利于縮短電子和離子的行程。研究人員已經嘗試過采用Si-C納米纖維、Sn/C復合球體和石墨烯材料從粒子層面提高電子和離子的運動，并試圖將不同類型的納米體系合并到金屬集電器上，同時調研了由諸如石墨烯類網狀材料制備的集流材料。

一般來說，用于任何一種高容量電極的材料在電極體積變化過程中都會產生原子或分子的擴散損失。這個損失源于破碎或體積膨脹過程中的固體形貌變化或相變（如固體的產生）。例如，鋰-硫電池經常產生多硫化合物中間體，最終導致硫電極的降解。多孔碳納米材料或蛋-殼納米結構可以物理包埋多硫化合物中間體。另一解決方法就是使用納米吸附材料來化學限制產生于電極表面的中間體。

雖然納米材料為高容量鋰離子電池的典型問題提供了可能的解決方案，它們仍然存在一些缺點。首先，當試圖組裝更小的粒子（如納米顆粒而非微米尺度顆粒）時，總體表面積將增大。大的表面積意味著在SEI層消耗更多的電解質溶液。這同時提高了有害邊界反應發生的可能性。

此外，納米顆粒組裝密度很低。粒子之間的額外空間導致振實密度降低，較低的振實密度直接關系到充放電過程中電極尺寸變化的程度。最后，納米材料的生產非常昂貴，用于規模化商業生產并不現實。

原文鏈接：Nanomaterials and lithium rechargeable batteries.

文獻鏈接：Promises and challenges of nanomaterials for lithium-based rechargeable batteries.

本文由編輯部王宇提供素材，侯倩編譯，點我加入材料人編輯部。