探讨用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料

汪宇轩

摘 要：锂离子电池在实际应用过程中，电极材料会因为锂离子的应用，出现电池失效现象。应用中空无机非金属纳米材料可实现锂离子电池电极空腔体积与壳层厚度的调整，以满足电极材料在充放电过程中的膨胀、收缩需求，提升锂离子电池使用性能，降低电池失效现象的产生。基于此，从中空无机非金属纳米材料相关概述出发，在文献资料梳理下，就锂离子电池的中空无机非金属纳米材料制作方法进行了简要分析，以供参考。

关键词：锂离子电池;中空无机非金属纳米材料;材料研究

引言：锂离子电池作为二次电池，兴起于上世纪九十年代，在不断發展过程中具备了大能量密度、充电快速、充电效率高、输出功率大、低环境污染、自放电小等特征，并被广泛应用于日常生产与生活中。在锂离子电池应用过程中，其性能的优化与作用的发挥与电极材料存在密切关联性。加强锂离子电池电极材料的研究已经成为人们关注的重点。鉴于此，本文主要对用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料如下分析，以期明确中空无机非金属纳米材料应用优势，探寻电极材料制备创新方法。

1中空无机非金属纳米材料

“中空无机非金属纳米材料”主要是指具备中空结构的无机非金属材料。而为无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials）是除有机高分子材料、金属材料外，对其他材料的统称，主要以一些元素的氧化物、氮化物、硼化物、硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐等构成，最早形成于上世纪四十年代，并在不断发展中得到进步与完善，成为当前生活与生产中应用较为广泛的材料之一[1]。而在无机非金属材料应用过程中，利用模板法能够制备具有纳米级三维中空体系的无积分金属材料，可有效提升无机非金属性能，使其在能量存储、能量转化、气体探测中得到广泛应用。以锂离子电池为例，应用中空无机非金属纳米材料制备电极可有效增大电极与电解液之间的接触面积，增强反应活性位点。与此同时，中空无机非金属纳米材料功能化壳层，能够有效适应锂离子电池充放电过程中颗粒的膨胀、收缩，降低电池失效现象的产生，以推动锂离子电池优化发展，为能源应用与节约提供创新发展路径。

而在锂离子电池中空无机非金属纳米材料制备过程中，传统模板法所制备材料多为球体结构，在实际应用过程中存在一定的限制。对此，如何在改变形貌的同时，有效控制高曲率与残余应力的影响，实现冗长壳沉积的去除，提升操作简便性，实现产品质量、经济、品质的协调发展成为人们关注的重点。对此，有必要对用于锂离子电池中空无机非金属纳米材料进行研究，在明确其应用价值的同时，创新实用性强、操作简便的中空无机非金属纳米材料制备方法。

2用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料制备方法

2.1中空无机非金属纳米材料制备之“柯肯达尔效应”

柯肯达尔效应（kirkendall effect）是现阶段中空无机非金属纳米材料制备的重要方法之一。它能够使两种或两种以上扩散速率不同的金属在一定条件下产生缺陷，从而使原本实心的颗粒成为具备中空结构的纳米材料。在用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料制备过程中，应用柯肯达尔效应具有显著的优势。一方面，在材料制备过程中无需利用模板，实现制备步骤的缩减，有利于节约电极材料制作成本，提升材料制备的可操作性，满足电极材料大规模生产需求;另一方面，柯肯达尔效应基于固态物质扩散现象，能够在不利用层状材料的情况下，实现二元及以上复杂结构材料的合成，简化材料制备条件[2]。例如，可根据Mn与Ni原子向外扩散与O原子向内扩散存在的速率差，进行具备中空结构0.3Li2MnO3·0.7Li Ni0.5Mn0.5O2锂离子电池负极材料的制作。该材料的应用可有效提升锂离子电池放电性能，实现室温条件下200mAh/g的放电电流密度，并在100次循环后仍具备201mAhg-1可逆比容。由锂离子电池工作原理可知，锂离子电池在充分放电过程中，锂离子会在正负电机之间进行嵌入和脱嵌。在此过程中，锂离子的嵌入和脱嵌性能与锂离子电池正负电机内部结构存在密切关联性。而

黑铁钒矿VOOH与次铁钒矿VO2由于具备高离子导电率、高能量密度等优势，应用于锂离子电池电极材料制备中，可有效提升锂离子电池性能，增强锂离子电池应用安全性。对此，可利用柯肯达尔效应进行锂电池电极材料制备，如利用L-半胱氨酸将V（IV）O（acac）2还原成V10O14（OH）2，并使其在水解作用下生成黑铁钒矿VOOH片状结构，使其附着在V10O14（OH）2表面，与V10O14（OH）2之间形成空隙，随着V10O14（OH）2的消失以及黑铁钒矿VOOH的部分氧化，将得到具有中空海胆状结构的次铁钒矿VO2纳米材料，用作于锂离子电池电极材料，实现与电解液接触面积的扩大，促进锂离子嵌入、脱嵌效率的提升。

2.2中空无机非金属纳米材料制备之“溶剂热法”

溶剂热法（solvothermal method）是基于水热法发生下形成的一种合成方法，主要以有机物或非水溶媒为溶剂，在一定条件下使混合物发生反应形成所需材料。在锂离子电池中的中空无机非金属纳米材料制备过程中，可应用溶剂热法进行实践。例如，Tang等学者在研究过程中，以水和乙醇混合溶液为介质，在溶剂热法作用下制备了具有中空结构的Li4Ti5O12并将其作为锂离子电池负极材料，实验表明，该材料的电化学性能相对较好，其电容量达到了114mAhg-1，在循环200次后，电容量仍可达到125mAhg-1。

3结论

总而言之，中空无机非金属纳米材料所具有的结构与功能可有有效提升锂离子电池电极材料与电解液接触面积，加快电解液扩散从而缩短锂离子迁移距离，降低锂离子电池充放电过程中锂离子嵌入与脱嵌的不利影响。对此，有必要认知中空无机非金属纳米材料制备方法，以提升材料应用性能，为锂离子电池优化发展奠定良好基础。

参考文献：

[1]高欣，裴广玲.静电纺丝法制备聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物锂离子电池隔膜及性能[J].化工新型材料，2018（12）：85-89+93.

[2]王杰，何欢，李龙林，王得丽.用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料的研究进展[J].中国科学：化学，2014，44（08）：1313-1324.