碳纳米管材料在锂离子电池中的应用介绍

目前广泛应用的锂离子电池负极材料通常是石墨或者一些碳的其他形态，最常见的锂离子电池负极石墨材料主要有人造石墨和天然石墨，以及中间相碳微球。其中应用最为广泛的主要是人造石墨和天然石墨，但是近年来中间相碳微球由于其在容量方面的优势，正逐渐得到广泛的应用。在块状石墨中，锂会非连续的嵌入到石墨层间(分段现象)，形成最大化合物LiC6(理论容量为372mAh/g)。

在锂含量较低时，电压曲线以较大的斜率下降，当电压低于100mV的时候，在锂继续嵌入的过程中，会出现两个电压平台，在阻抗和化学极化的作用下，电压会出现很小的滞后现象。低电压的优势是可以提高电池的电压，提高能量密度，缺点是在较低的电压下，可能会造成锂的析出，造成安全问题。碳纳米管的使用可以提高电池的循环性能，但是会影响电池的电压曲线(电压范围变宽，电压滞后变大)。

碳纳米管是典型的纳米材料，由于其优异的机械和电子特性，应用范围十分广泛。锂离子电池中使用碳纳米管首见于Landi等人的报道。单壁碳纳米管(SWNT)是单层石墨烯管，直径为几纳米，长度在亚微米到微米的范围内。Gao等人首先研究了锂在SWNT中的电化学嵌入，他们在初始循环中观测到了600mAh/g的容量，但是当对SWNT进行球磨后其容量会增加到1000mAh/g。

有人提出这可能是球磨对碳纳米管的管壁造成了一定程度的破坏，从而引起SWNT的无序化，从而增加了锂的嵌入点位，也增加了锂离子进入到碳纳米管内部的通道。碳纳米管的特点是循环电压范围宽(0~3VvsLi/Li+)，明显的电压滞后，以及初始嵌锂时不可逆容量大(这可能是由于碳纳米管较高的比表面积造成电解液在其表面分解较多造成的，也有一部分嵌入到碳纳米管内部的锂成为失去活性成为死锂，造成容量损失)

多壁碳纳米管(MWNT)是由石墨烯卷成同心圆柱体制成的，科研人员也研究了它的的锂电化学插入特性。MWNT的嵌锂电压和循环电压与SWNT十分相似：不可逆容量高(主要在1V附近，主要原因为电解液在碳纳米管的高比表面积上发生分解)，电压范围宽(0~3VvsLi/Li+)，以及明显的电压滞后(脱锂和嵌锂间的差别为1V甚至更大)。可逆容量只有100~400mAh/g，比SWNT更低，相比于传统的石墨负极没有明显的提高。但是MWNT对高温处理十分敏感，经过高温处理，石墨化程度提高，显著的降低了不可逆容量，并提高了可逆容量。这主要是高温处理后，样品的表面积变低和样品的无序性降低。

尽管对碳纳米管进行了多年的研究，但是近年来对碳纳米管嵌锂和循环性能的研究并没有使得碳纳米管在容量或者倍率性能方面与传统石墨材料或者碳微球相比有明显的优势。碳纳米管在实际应用中仍然存在不可逆容量大，电压范围宽以及电压滞后明显的问题。同时由于成本方面的问题，碳纳米管离实际应用仍然会有很长的路要走，但是作为一种导电剂添加，提高电极的导电性，降低电池极化，已经在实际生产中获得应用。