浅析纳米材料在电池中的应用

黎志勇

（肇庆科技职业技术学院，广东 肇庆 526100）

前言

纳米材料已广泛应用到化学电源中的活性材料中，并推动着电池科技发展，纳米活性材料所具有的比表面大、锂离子嵌入脱出深度小、行程短的特性，使电极在大电流下充放电极化程度小，可逆容量高，循环寿命长；纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间，使有机溶剂具有良好的相容性，同时，也给锂离子的嵌入脱出提供了大量的空间，进一步提高嵌锂容量及能量密度。这也成为当前新材料、新能源研究的前瞻性课题，鉴于此，本文就纳米材料在电池中的应用进行探讨，以便为研究纳米新材料在实际生活中应用提供参考。

一、碱性锌锰电池材料

进入21世纪以来，碱性锌锰电池得到飞速的发展，大有替代普通锌锰电池和其他电池的趋势。同时用电器具的发展对碱锰电池高容量和大电流放电提出更高的要求。因此，未来碱锰电池的研究主要集中在高功率重负荷放电性能，电池容量的提升以及储存寿命的提高上，这可大程度上推动了材料科学的发展。

1、纳米级γ-MnO2

电池对原材料中的重金属元素十分敏感。铁铝等元素易引发电池爬碱，铜等元素造成电池短路。阳极材料中即使含有微量的析氢交换电流密度高的金属（如铁、镍等）都将会有气体产生的危险。因此，必须有效地控制原材料中的杂质含量，提高原材料纯度。研究人员普遍利用溶胶凝胶法、微乳法、低热固相反应法合成制得纳米级γ MnO2用作碱锰电池正极材料，并与EMD以最佳配比混合，可大大提高第2电子当量的放电容量，也就是可出现混配效应，由此就提高了电池的寿命和容量。

2、纳米MnO2掺入Bi

可再充电的碱性锌锰电池，不仅具有很好的荷电保持能力，电池的活性材料也得到了充分利用，从而节约了资源，保护了环境，研究人员通过加入Bi2O3合成得到改性MnO2，采用纳米级和微米级改性掺Bi MnO2混配的方法，放电容量都有不同程度的提高，通过掺Bi在充放电过程中形成一系列不同价态的Bi Mn复合物的共还原和共氧化，有效抑制Mn3O4的生成，可极大地改善电极的可充性。

3、纳米级α-MnO2

采用固相反应法合成不含杂质阳离子的纳米α MnO2，粒径小于50nm，其电化学活性较高，放电容量比常规粒径EMD更大，尤其适于重负荷放电，表现出良好的去极化性能，具有一定的开发和应用潜力。

4、纳米级In2O3

In2O3是碱锰电池的无机代汞缓蚀剂的选择之一，经过科技人员潜心研究，目前已研究出无汞碱锰电池用高纯纳米In2O3，该材料具有比表面积大，分散性好，缓蚀效果更佳的特点，应用于无汞碱锰电池具有良好的抑制气体产生的作用。并在军事通信装备中，它被广泛作为战术电台、野战电话、末端设备、仪器仪表等的配套电源。

二、在MH/Ni电池中的应用

1、纳米级Ni(OH)2

US NanocorP.Inc公司的科研人员利用湿化学法制备出的纳米纤维（纳米Ni（OH）），纤维直径为 2～5 urn，长为 15～50 urn，经团聚后制成电极，可使正极容量提高约20%。我国科技人员用沉淀转化法制备了纳米级Ni(OH)2，并发现纳米级Ni(OH)2比微米级Ni(OH)2具有更高的电化学反应可逆性和更快速的活化能力。采用该材料制作的电极在电化学氧化还原过程中极化较小，充电效率高，活性物质利用更充分，而且显示出放电电位较高的特点。

2、纳米晶贮氢合金

有科技人员用快淬法制备的ABS型贮氢合金，虽然具有纳米晶的结晶构型，呈现出较好的吸放氢电化学动力学特性，但是由于熔体在由液态变为固态的急冷过程中会产生内应力、无序化以及晶格缺陷，因此它的吸放氢循环稳定性比较差，具体表现在它的比容量衰减速度较快，不能满足制备Ni/MH电池对合金粉技术性能的要求；陈朝晖等科技人员利用电弧熔炼高能球磨法制备出纳米晶LaNi5，平均粒径约20nm，采用该材料制备的电极与粗晶LaNi5制备的电极相比，它不但具有相当的放电容量，还具有很好活化特性。唯有不足的就是他的循环寿命较短，这有待科技人员不断的研究克服。

三、锂离子电池材料

1、阴极材料---纳米LiCoO2

固态无机材料MnO2具有广泛的用途，可作为分子筛、高级催化剂、可充电池电极材料等等。锂离子可以在宽敞的隧道中快速迁移，因而特别适合作为锂离子电池的阴极材料。另外，我国科技人员用低热固相反应法合成纳米LiCoO2，发现了混配效应:以一定比例与常规LiCoO2进行混配，做成电池测试，充电容量可达132mAh/g，放电容量为125mAh/g，放电平台在39V，由于纳米颗粒增大了比表面积，令Li+更易嵌入和脱出，削弱了极化现象，循环性能比常规LiCoO2明显提高，显示出较好的性能。

2、纳米阳极材料

碳纳米管是商品化锂离子电池使用的阳极材料，因其具有易于合成，电压平台高，比能量适中，循环性能好等优点，普遍为锂离子电池的主流阳极材料。研究制得的碳纳米管层间距离为034nm，这有利于Li+的嵌入和脱出，它不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌入，也可防止因溶剂化Li+的嵌入引起石墨层剥离而造成负极材料的损坏。研究表明，如果用该材料单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性，且循环性能稳定。香港科技大学研究人员用多孔的沸石晶体作载体，首次成功研制出尺寸最小，全球最细且排列规整的04nm单壁纳米碳管，继而又发现在超导温度15℃以下呈现出特殊的一维超导特性。

四、电容器材料

近几年，由于环保电动汽车研究的兴起，可充电电池和电容器共同组合的复合电源系统已成为当前科技研究的新课题，这种复合电源系统可在汽车启动、爬坡、刹车时提供大功率电源，降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求，大大延长蓄电池循环使用寿命。另外，以纳米碳管为代表的纳米碳材料的研究，以及作为电极材料的应用探索，为更高性能的电化学超级电容器的研究提供新思路。美国加州大学洛杉矶分校和中国天津大学的研究人员们合作，将导电性能良好的碳纳米管和高容量的氧化钒编织成多孔的纤维复合材料，并将该复合材料应用到超级电容器的电极上，获得了新型的具有高能量密度和高循环稳定性的超级电容器。这种超级电容器是非对称的，包含复合材料的阳极和传统的阴极，以及有机的电解质。其中电极薄膜的厚度要比之前的报道高很多，可以达到100微米上，从而使其可以获得更高的能量密度。

小结

纳米材料已广泛应用到化学电源中的活性材料中，并推动着电池科技发展，作为电极的活性材料纳米化后，它表面增大，致使它极化减小，而电容量增大。由此产生较强大的电化学活性。特别是纳米碳管在作为新型贮锂材料、电化学贮能材料和高性能复合材料等方面的研究已取得了重大突破。另外，由于纳米材料的研究目前大多处于实验室阶段，因此如何制得粒径可控的纳米颗粒，解决这些颗粒在贮存和运输过程中的团聚问题，简化合成方法，降低成本等，依然是以后还需要研究的重要问题。

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