碳纳米管在锂电池中的应用研究进展

碳纳米管在锂电池中的应用研究进展

引用

科学网

等

3

来源

1.

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/1/537847.shtm

2.

https://electrochem.xmu.edu.cn/CN/article/showNewArticle.do

3.

https://www.mse.pku.edu.cn/info/1174/3481.htm

近年来，碳纳米管（CNTs）在锂离子电池领域的应用研究取得了重要进展。碳纳米管因其独特的物理化学性质，如高导电性、高比表面积和优异的机械强度，在提升锂电池性能方面展现出巨大潜力。本文将从碳纳米管在锂电池中的应用现状、最新研究进展、面临的挑战及未来展望等方面进行综述。

碳纳米管在锂电池中的应用主要体现在三个方面：作为导电剂、作为负极材料以及改善电池整体性能。

1. 作为导电剂：碳纳米管因其卓越的导电性和长径比，在正极材料中可形成高效导电网络，显著提升电池性能。例如，与传统导电剂相比，使用多壁碳纳米管（MWCNTs）的钴酸锂电池在2C倍率下循环时容量几乎无衰减，而碳黑和碳纤维则分别出现10%和30%的衰减。

2. 作为负极材料：碳纳米管独特的结构使其成为高性能负极材料的理想选择。通过模板法合成的碳纳米管薄膜电极展现了高达490mAh/g的比容量。然而，由于其较大的比表面积，直接用作负极时首圈容量损失较大，通常需要与其他材料复合以优化性能。

3. 改善电池整体性能：碳纳米管的加入还能全面提升电池的能量密度、充放电速率及循环寿命等关键指标。

1. 碳纳米管/硅复合材料：硅作为锂电池负极材料具有很高的理论比容量（4200mAh/g），但其在充放电过程中的体积变化会导致电极结构破坏。近期研究发现，将碳纳米管与硅复合可以有效解决这一问题。例如，韩国蔚山科学技术院（UNIST）的研究团队开发了一种新型硅-碳纳米管复合材料，该材料在经过500次充放电循环后，容量保持率仍高达80%。

2. 碳纳米管/金属氧化物复合材料：金属氧化物（如Fe3O4、SnO2等）具有较高的理论容量，但导电性较差。通过与碳纳米管复合，可以显著改善其电化学性能。例如，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队制备了Fe3O4/MWCNTs复合材料，该材料在0.2C倍率下首次放电比容量达到1200mAh/g，经过100次循环后容量保持率为85%。

3. 碳纳米管基集流体：传统的铜箔集流体不仅重量大，而且在高电流密度下容易产生枝晶，影响电池安全。近期研究发现，碳纳米管薄膜可以作为轻质、高导电的集流体替代传统铜箔。例如，美国麻省理工学院（MIT）的研究团队开发了一种碳纳米管基集流体，其重量仅为传统铜箔的1/10，但导电性却提高了5倍。

尽管碳纳米管在锂电池中的应用展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战：

1. 成本问题：目前碳纳米管的生产成本相对较高，限制了其大规模应用。未来需要开发更经济的制备方法，以降低生产成本。

2. 分散性问题：碳纳米管在电解液中的分散性较差，容易团聚，影响电池性能。需要开发有效的分散技术，以提高其在电池中的应用效果。

3. 环境影响：碳纳米管的生产和处理过程中可能对环境造成影响，需要开发更环保的生产工艺。

随着研究的深入和技术的进步，碳纳米管在锂电池中的应用前景广阔。未来的研究方向将集中在以下几个方面：

1. 优化复合材料结构：通过优化碳纳米管与其他材料的复合结构，进一步提升电池性能。

2. 开发新型应用：探索碳纳米管在固态电池、钠离子电池等新型电池体系中的应用。

3. 降低成本：开发更经济的碳纳米管制备方法，推动其大规模应用。

4. 提高安全性：研究碳纳米管在电池中的安全性问题，开发更安全的电池体系。

碳纳米管作为新一代电池材料，其在锂电池中的应用研究正不断深入。随着技术的突破和成本的降低，碳纳米管有望在未来的能源存储领域发挥重要作用。