鋰離子電池納米材料研究
製藥工程學院製藥工程專業2014級一班胡波142010106 摘要鋰離子電的核心是選擇高能儲鋰電極材料，納米材料以其獨特的物理化學性能應用作為鋰離子電池電極材料，具有減小極化，增大充放電電流密度，提高放電容量和循環穩定性等優點，有利於高性能、高容量和高功率電池的發展。納米電極材料具有非常廣闊的應用前景，但目前已有的研究基本處於實驗開發階段，且主要集中在製備方法上，其微觀結構和電化學性能沿需進一步研究探討。關鍵詞鋰離子電池納米材料
Abstract The main task in Lithium-ion battery research is how to find out the material with high storage -scale material is used to be the positive electrode of Lithium-ion battery for its special physical and chemical this paper, the applying actuality of Nano-scale anode and cathode materials of Lithium-ion battery are performances and the preparation methods of the materials are also words Lithium-ion battery, nano-scale material, 1.電極
鋰離子電池納米電極存在一些潛在的優缺點。
優點：（1）更好地釋放鋰嵌入和脱嵌過程中的應力，提高循環壽命；（2）可發生在塊體材料中不可能出現的反應；
（3）更高的電極/電解液接觸面積提高了充/放電速率；（4）短的電子輸運路徑（允許在低電導或高功率下使用）。缺點：（1）有自放電現象，差的循環性能及壽命；
（2）劣等的顆粒包裝技術使其體積能量密度很低，限制應用；（3）電極合成過程可能會更加複雜。2.正極材料的性能和一般製備方法
為了獲得較高的單體電池電壓，傾向於選擇高電勢的嵌鋰化合物。正極材料應滿足：（1）在所要求的充放電電位範圍內，具有與電解質溶液的電化學相容性；（2）温和的電極過程動力學；（3）高度可逆性；
（4）全鋰化狀態下在空氣中的穩定性。
成功的商品化電極材料在製備工藝上都有其獨到之處，這是國內目前研究的差距所在，各種製備方法優缺點列舉如下。（1）固相法：一般選用碳酸鋰等鋰鹽和鈷化合物或多元化合物研磨混合後，進行燒結反應:。此方法優點是工藝流程簡單，原料易得；缺點是所製得正極材料電容量有限，原料混合均勻性差，製備材料的性能穩定性不好，批次與批次之間質量一致性差。（2）絡合物法：用有機絡合物先製備含鋰離子和鈷或釩離子的絡合物前驅體，再燒結制備。該方法的優點是分子規模混合，材料均勻性和性能穩定性好，正極材料電容量比固相法高；缺點是材料振實密度低，生產使用困難。
（3）溶膠凝膠法：利用上世紀70年代發展起來的製備超微粒子的方法，製備正極材料，該方法具備了絡合物法的優點，而且製備出的電極材料電容量有較大的提高；缺點是成本較高，技術還屬於開發階段]。（4）離子交換法：用離子交換法制備的LiMnO2，獲得了可逆放電容量達270mA·h/g高值，它具有所制電極性能穩定，電容量高的特點。但過程涉及溶液重結晶蒸發等費能費時步驟，距離實用化還有相當距離。（5）橄欖石型的磷酸鐵鋰材料，近年研究已經取得了很大的進展，已經在部分產品中應用，它具有安全性高（不存在爆炸的理論危險），使用壽命長（是鈷酸鋰的4倍）、可以大電流充放電等優異性能；缺點是生產成本高、材料堆積密度小，不利於生產控制，還不能應用到手機和電腦上。
3、負極材料的性能和一般製備方法 負極材料的電導率一般都較高，則選擇電位儘可能接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物，如各種碳材料和金屬氧化物。可逆地嵌入脱嵌鋰離子的負極材料要求具有：（1）在鋰離子的嵌入反應中自由能變化小；（2）鋰離子在負極的固態結構中有高的擴散率；（3）高度可逆的嵌入反應；（4）有良好的電導行；
（5）熱力學上穩定，同時與電解質不發生反應。鋰離子電池中所用碳材料尚存在兩方面的問題：
（1）電壓滯後，即鋰的嵌入反應在0～0．25V之間進行（相對於Li＋／Li）而脱嵌反應則在1V左右發生；
（2）循環容量逐漸下降，一般經過12～20次循環後，容量降至400～500mA·h/g。一般製備負極材料的方法可綜述如下。
（1）在一定高温下加熱軟碳得到高度石墨化的碳；
（2）將具有特殊結構的交聯樹脂在高温下分解得到的硬碳；（3）高温熱分解有機物和高聚物製備的含氫碳；（4）各種金屬氧化物其機理與正極材料類似；
（5）作為一種嵌鋰材料，碳納米管、巴基球C60等也是當前研究的一個新熱點，成為納米材料研究的一個分支。4.電解液
鋰離子電池的進展不僅需要電極性能的提高，也需要依靠電解液性能的增強。固態聚合物電解質代表了電池所需性能的終極形式。最理想的聚合物電解質是那些無溶劑薄膜形成的，如聚乙烯（乙烯氧化物），PEO和鋰鹽（LiX），如LiPF6或LiCF3SO3。然而這些材料在室温下差的離子傳導性使之無法實現那麼高的期望；1998年，Croce, F.等在Nature上宣告將納米級無機填充物分散於無溶劑、聚醚基的電解質中，可以使其傳導性增加數個量級。電解質輸運性能提高的原因可用Maier開發出的不同種類摻雜模型來解釋。可能與無機納米粒子的表面狀態跟聚合物鏈或鋰鹽陰離子之間發生的路易斯酸基交互作用有關。事實上，人們也在開發其它可以達到高導率的聚合物電解質。與這方面相關的有聚合物-鹽納米結構和離子液體的控制。
納米材料的應用及未來小望
（北京交通大學 軟件學院 軟件工程 15301111 張子開）由於納米微粒的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等使得它們在磁、光、電、敏感性等方面呈現常規材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、高緻密度材料的燒結、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應用前景。8.1陶瓷增韌
陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與延展性。8.2磁性材料方面的應用
磁性金屬和合金一般都有磁電阻現象，所謂磁電阻是指在一定磁場下電阻改變的現象，人們把這種現象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數值約高10餘倍。巨磁電阻效應是近10年來發現的新現象。磁性液體的主要特點是在磁場作用下可以被磁化，可以在磁場作用下運動，但同時它又是液體，具有液體的流動性。在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿着外磁場方向形成一定有序排列的團鏈簇，從而使得液體變為各向異性的介質。當光波、聲波在其中傳播時（如同在各向異性的晶體中傳播一樣），會產生光的法拉第旋轉、雙折射效應、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。此外，磁性液體在靜磁場作用下，介電性質亦會呈現各向異性。這些有別於通常液體的奇異性質，為若干新穎的磁性器件的發展奠定了基礎。納米微晶軟磁材料目前沿着高頻、多功能方向發展，其應用領域將遍及軟磁材料應用的各方面，如功率變壓器、脈衝變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開關、傳感器等，它將成為鐵氧體的有力競爭者。新近發現的納米微晶軟磁材料在高頻場中具有巨磁阻抗效應，又為它作為磁敏感元件的應用增添了多彩的一筆。研製納米複合稀土永磁材料，通常軟磁材料的飽和磁化強度高於永磁材料，而永磁材料的磁晶各向異性又遠高於軟磁材料，如將軟磁相與永磁相在納米尺度範圍內進行復合，就有可能獲得兼備高飽和磁化強度、高矯頑力的新型永磁材料。微磁學理論表明，稀土永磁相的晶粒尺寸只有低於20 nm時，通過交換糯合才有可能增大剩磁值。
8.3納米材料在催化領域的應用
催化劑在許多化學化工領域中起着舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數傳統的催化劑不僅催化效率低，而且其製備是憑經驗進行，不僅造成生產原料的巨大浪費，使經濟效益難以提高，而且對環境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒於作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～18倍。
8.4在漿料方面的應用 納米材料用作導電漿料，導電漿料是電子工業的原材料，由於納米材料可使塊體材料的熔點大大降低，因此用超銀粉製成的導電漿料可以在低温下燒結，此時基片可以不用耐高温陶瓷，甚至可採用塑料等低温材料。8.5在精細化工方面的應用
精細化工是一個巨大的工業領域，產品數量繁多，用途廣泛，並且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優越性無疑也會給精細化工帶來福音，並顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、塗料等精細化工領域，納米材料都能發揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優於用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且緻密性和防水性也相應提高。
9納米材料的應用前景
納米材料的應用前景是十分廣闊的，如：納米電子器件，醫學和健康，航天、航空和空間探索，環境、資源和能量，生物技術等。我們知道基因DNA具有雙螺旋結構，這種雙螺旋結構的直徑約為幾十納米。用合成的晶粒尺寸僅為幾納米的發光半導體晶粒，選擇性的吸附或作用在不同的鹼基對上，可以“照亮”DNA的結構，有點像黑暗中掛滿了燈籠的寶塔，藉助與發光的“燈籠”，我們不僅可以識別燈塔的外型，還可識別燈塔的結構。簡而言之，這些納米晶粒，在DNA分子上貼上了標籤。目前，我們應當避免納米的庸俗化。儘管有科學工作者一直在研究納米材料的應用問題，但很多技術仍難以直接造福於人類。現階段納米材料的應用主要集中在納米粉體方面，屬於納米材料的起步階段，應該指出這不過是納米材料應用的初級階段，可以説這並不是納米材料的核心，更不能將“納米粉體的應用”等同與納米材料。
10小結
納米科學是一門將基礎科學和應用科學集於一體的新興科學，主要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。21世紀是納米技術的時代，國家科委、中≮≯科院將納米技術定位為“21世紀最重要、最前沿的科學”。納米材料的應用涉及到各個領域，在機械、電子、光學、磁學、化學和生物學領域有着廣泛的應用前景。納米科學技術的誕生，將對人類社會產生深遠的影響，並有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環境保護等重大問題。21世紀初的主要任務是依據納米材料各種新穎的物理和化學特性，設計出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學技術對傳統產品的改性，增加其高科技含量以及發展納米結構的新型產品，目前已出現可喜的苗頭，具備了形成21世紀經濟新增長點的基礎。
參考文獻及資料
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納米技術在新型建築材料中的應用
納米技術作為一門新興的技術，在多個範疇具有十分重要的應用，特別是極大地推進了新型建材的開展，引見了納米技術在新型建築塗料、複合水泥、自潔玻璃、陶瓷、防護資料等方面的應用，經過闡述可知，納米資料在新型建材範疇具有很好的開展應用前景。納米技術；新型建材；應用；前景 1 納米塗料的應用
通常傳統的塗料都存在懸浮穩定性差，耐老化、耐洗刷性差，光亮度不夠等缺陷。而納米塗料則能較好的處理這一問題，納米塗料具有下述優越的性能:(1)具有很好的伸縮性，可以彌蓋牆體細小裂痕，具有對微裂痕的自修復作用。(2)具有很好的防水性，抗異物粘附、沾污性能，抗鹼、耐沖刷性。(3)具有除臭、殺菌、防塵以及隔熱保温性能。(4)納米塗料的色澤鮮豔温和，手感温和，漆膜平整，改善建築的外觀等。
固然國內外對納米塗料的研討還處在初步階段，但是已在工程上得到了較普遍的應用，如北京納美公司消費的納米系列塗料已大量應用於北京建欣苑、建東苑等住宅區的外牆粉刷，效果良好。在首體改造工程中，運用納米塗料1700噸，塗刷6萬平方米。復旦大學教育部先進塗料工程研討中心的專家已研發出了“透明隔熱玻璃塗料”。2 納米水泥的應用
普通水泥混凝土因其剛性較大而柔性較小，同時其本身也存在一些固有的缺陷，使其在運用過程中不可防止地產生開裂並毀壞。為理解決這一問題就必需加速對具有特殊性能混凝土的研發，而納米混凝土就能有效的處理這樣問題，納米混凝土，與普通混凝土相比，納米混凝土的強度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有顯着進步，同時還具有防水、吸聲、吸收電磁波等性能，因此可用於一些特殊的建築設備中（如國防設備）。通常在普通混凝土中參加納米礦粉（納米級SiO2、納米級CaCO3）或者納米金屬粉末已到達納米混凝土的性能，而且經過改動納米資料的摻量還能配置出防水砂漿等。目前開發研製的納米水泥資料包括納米防水複合水泥，納米敏感水泥、納米環保複合水泥以及納米隱身複合水泥。
納米防水水泥是經過在水泥中添加XPM水泥外加劑的納米資料而製成的，該納米外加劑摻入水泥後，能夠加快水泥誘導期和加速期的水化反響，改善水泥凝固的三維構造，同時進步水泥石的密實度，加強了防水性能。
納米敏感水泥是在水泥中參加對四周環境變化非常敏感的納米資料，從而到達改善水泥製品温敏、濕敏、氣敏、力敏等性能。依據添加的敏感資料的不同可將納米敏感水泥用於化工廠的建立、高速路面的鋪設等。
納米環保複合水泥是應用納米資料的光催化功用，從而使水泥製品具有殺菌、除臭以及外表自清潔等功用。通常是選用TiO2作為納米添加劑。
納米隱身複合資料是經過運用具有吸收電磁波功用的納米資料（納米金屬粉居多），在電磁波映照時，納米資料的外表效應使得原子與電子運動加劇，促使電子能轉化為熱能，增強對電磁波的吸收，從何使資料可以在很寬的頻帶範圍內避開雷達、紅外光的偵查，這一資料常用於軍事國防建築等。3 納米玻璃的應用
普通玻璃在運用過程中會吸附空氣中的有機物，構成難以清洗的有機污垢，同時，水在玻璃上易構成水霧，影響可見度和反光度。而經過在平板玻璃的兩面鍍制一層TiO2納米薄膜構成的納米玻璃，則能有效的處理上述缺陷，同時TiO2光催化劑在陽光作用下，能夠合成甲醛、氨氣等有害氣體。此外納米玻璃具有十分好的透光性以及機構強度。將這種玻璃用作屏幕玻璃、大廈玻璃、住宅玻璃等可免去費事的人工清洗過程。4 納米技術在陶瓷資料中的應用
陶瓷因其具有較好的耐高温以及抗腐蝕性以及良好的外觀性能而在工程界得到了普遍的應用（如鋪貼牆面的瓷磚），但是陶瓷易發作脆性毀壞，因此在運用過程中也遭到了一定的限制。運用納米資料開發研製的納米陶瓷則具有良好的塑性性能，可以吸收一定量的外來能量。在陶瓷基中參加納米級的金屬碳化物纖維能夠大大進步陶瓷的強度，同時具有良好的抗燒蝕性，火箭噴氣口的耐高温資料就選用納米金屬陶瓷作為耐高温資料。用納米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等製成的陶瓷資料具有高硬度、高韌性、高強度、耐磨性、低温超塑性、抗冷熱疲倦等性能優點。納米陶瓷將作為防腐、耐熱、耐磨的新資料在更大的範圍內改動資料的力學性質，具有十分寬廣的應用前景 5納米級多相資料中納米粒子的開發與應用
納米級多相資料的優越性並非不為人知，這裏不加贅述。筆者在這裏討論的是，在一種納米粒子（或者微米粒子）
納米技術在新型建築材料中的應用
上生成另一種納米粒子的辦法以及它的應用價值。
開發的動因:在實踐工作中，筆者接觸到的浸透膜、離子隔閡等，大局部是進口產品。如反浸透膜有90%需求進口，超濾膜和微濾膜大約有50%需求進口，生物和醫用膜、氣體別離膜、特殊別離膜絕大局部需求進口。固然，關於這方面的種類，如反浸透膜、電池隔閡，我國曾經開端完成了範圍化消費，但是，在性能上，與國外先進產品相比，仍有較大差距。譬如，反浸透膜的透鹽率。國外同類產品能夠小於“2”，而我國常常大於“5”至“10”。顯而易見，國外在這方面的先進性顯而易見。在數量上，鋰電池的隔閡供不應求，依託大量進口，即使釩電池、超級電容等的隔閡，也是進口為主，我們存在的最大問題是在膜資料的製造方面。因而，開發新的隔閡消費技術火燒眉毛。
應用價值:納米顆粒的開發具有普遍的應用價值。主要表現為:其一，參加物質外表，能夠起到對應的化學催化、光觸媒、燒結、傳感、物質外表改性等作用。譬如，納米鉑在汽車尾氣催化淨化中可以起到十分好的效果，一些優秀的三元催化器就有納米鉑的成分，同時也普遍應用在氫氧燃料電池的低温催化反響方面；又譬如，目前許多空調的光觸媒含有納米二氧化鈦；極薄到肉眼看不見的納米金在玻璃上的塗層能夠起到冬暖夏涼的作用。其二，參加物質內部，能夠起到對應的改動物質的物化性質的作用。特別是金屬和非金屬資料的混合，如納米級陶瓷粉末和金屬粉末（包括納米級金屬粉末）的燒結的加工刀具。曾經普遍的應用在實踐消費中了。又譬如納米超硬資料參加到工程塑料中，能夠使工程塑料的耐磨性大幅度的進步，能夠普遍應用到國防、航天等範疇。其三，單獨運用。如納米級二氧化鈦用於噴霧殺菌和合成甲醛，納米銀用於殺菌，納米藥物用於治療等。
利用納米材料可以提高塑料（高分子材料）的強度，同時還能起到增韌作用。納米材料的問世，為新型增強塑料的合成提供了新的機遇，為傳統增強塑料的改性提供了一條新的途徑。把分散好的納米顆粒均勻地添加到樹脂材料中，可達到全面改善增強塑料性能的目的。通過加入納米材料，能夠明顯提高塑料的強度和延伸率，提高耐磨性和改善材料表面的光潔度，提高抗老化性能。
納米技術應用前景十分廣闊，經濟效益十分巨大，2010年納米技術市場估計達到14400億美元，納米技術未來的應用將遠遠超過計算機工業。納米技術正在改善着、提高着人們的生活質量。
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