纳米材料或为锂离子电池增寿

材料牛注：高容量锂离子电池在充放电过程中电极材料体积会发生巨大变化，从而影响锂离子电池使用寿命。同时，阳极和电解液之间沉淀层的积累也会导致活性物质的消耗和降解。纳米材料或为这一典型问题的解决带来希望。

高容量锂离子电池最大的缺点就是在充放电过程中，电极材料的体积会出现戏剧性的明显变化。这一点会导致电极的降解。周期性的体积膨胀和收缩，会使电极产生裂缝并且断裂。

针对这一问题，纳米材料分别从粒子层面和电极层面给出了解决方案。相比于其他材料，纳米材料往往更耐机械降解。因此，其中一个解决方案就是在锂离子电池中采用低于临界断裂尺寸的纳米颗粒或纳米线。

从电极层面来讲，纳米材料可以像“胶水”一样把阳极颗粒粘在一起。不断破碎、开裂和重组的活性物质会导致断电，但“胶水”的存在可以使活性物质顺利通电，从而增加锂离子电池的使用寿命。一般采用非晶硅胶将硅纳米颗粒结合到电极上。

针对电极材料在充放电过程中发生的巨大体积变化这一问题，其他解决方案包括：合成纳米复合材料或利用蛋-壳结构包裹有效化合物，如硫。

一直困扰锂离子电池的另一个问题是固体阳极和电解液之间沉淀层的积累。阳极表面会生成锂固体，形成一个电子绝缘层。这被称之为固体-电解液界面或SEI。因为充放电过程中的体积变化，SEI变得不稳定，出现裂缝时便会暴露电极。这会导致更多的固体积累，直到活性物质最终被消耗降解。

解决SEI不稳定性问题的方案包括纳米界面的形成、封装电极创建稳定接口和合并电解质添加剂。

尤其是锂离子电池的阳极，容易在阳极和电解液之间形成树突。一旦树突生长至连接到电极，电池就会放电。这个问题的解决，可以通过构建一个保护性的碳纳米球涂层，构建人工SEI层或在电解液中添加可以抑制树突生长的化合物来完成。

理想情况下，电池可以快速高效地传输电子和离子。这就意味着对于电子和离子来说，拥有高导电通路和短离子行程。相比于其他粒子，纳米颗粒更小，更有利于缩短电子和离子的行程。研究人员已经尝试过采用Si-C纳米纤维、Sn/C复合球体和石墨烯材料从粒子层面提高电子和离子的运动，并试图将不同类型的纳米体系合并到金属集电器上，同时调研了由诸如石墨烯类网状材料制备的集流材料。

一般来说，用于任何一种高容量电极的材料在电极体积变化过程中都会产生原子或分子的扩散损失。这个损失源于破碎或体积膨胀过程中的固体形貌变化或相变（如固体的产生）。例如，锂-硫电池经常产生多硫化合物中间体，最终导致硫电极的降解。多孔碳纳米材料或蛋-壳纳米结构可以物理包埋多硫化合物中间体。另一解决方法就是使用纳米吸附材料来化学限制产生于电极表面的中间体。

虽然纳米材料为高容量锂离子电池的典型问题提供了可能的解决方案，它们仍然存在一些缺点。首先，当试图组装更小的粒子（如纳米颗粒而非微米尺度颗粒）时，总体表面积将增大。大的表面积意味着在SEI层消耗更多的电解质溶液。这同时提高了有害边界反应发生的可能性。

此外，纳米颗粒组装密度很低。粒子之间的额外空间导致振实密度降低，较低的振实密度直接关系到充放电过程中电极尺寸变化的程度。最后，纳米材料的生产非常昂贵，用于规模化商业生产并不现实。

原文链接：Nanomaterials and lithium rechargeable batteries.

文献链接：Promises and challenges of nanomaterials for lithium-based rechargeable batteries.

本文由编辑部王宇提供素材，侯倩编译，点我加入材料人编辑部。