基于转化反应机制的锂离子电池电极材料研究进(17)

除将过渡金属化合物与碳材料进行纳米复合外，将导电性差的过渡金属化合物与导电性好的过渡金属化合物经高能球磨形成混合导电化合物，不仅提高电子电导率，还能提高离子电导率，从而使其电化学性能得到改善。Wu等[169,170]在FeF3中分别加入V2O5和MoS2，在4.5~2.5 V电压范围内，首次放电容量为219 mAh/g和170 mAh/g，非常接近这一电压范围内的理论值。

石墨烯是继富勒烯和碳纳米管后的又一种新型碳纳米材料，由单层原子紧密堆积成二维蜂窝状结构，其厚度为0.335 nm，是构成其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元[171]。已有研究结果表明[172,173]，石墨烯具有大的比表面积(理论值为2600 m2/g)、高度的导电性、较好的化学稳定性和宽广的电化学稳定窗口。此外，在石墨烯材料中锂离子不仅可以被束缚在石墨烯单层的两面，而且可以被束缚在石墨烯纳米单层的边缘和共价位置，从而使它具有高出传统石墨材料2倍以上的储锂容量(740~780 mAh/g)。因而将石墨烯与过渡金属化合物制备成纳米复合材料，将优于其它碳材料与过渡金属化合物形成的纳米复合材料，会对电极的充放电容量、循环性能和倍率性能产生巨大的影响

[174]。例如Wu等[175]采用水热合成法制备了Co3O4和Co3O4/石墨烯复合材料，发现在0.01~3.0 V和50 mA/g充放电倍率下，Co3O4和Co3O4/石墨烯复合材料首次放电容量分别为1105 mAh/g、1097 mAh/g，经过30周充放电循环后放电容量分别为184 mAh/g、935 mAh/g。Xu等[176]合成了Cu2O/石墨烯复合材料，在0~3.0 V电压范围内和0.1 mA/cm2充放电电流密度下，Cu2O/石墨烯复合材料首次放电容量达到1100 mAh/g。因此，目前这一领域正快速成为锂离子电池研究的热点。

5 结论

基于转化反应机制而实现储锂功能的电极材料具有比基于锂离子嵌入脱出机制的传统锂离子电池电极材料高出2~4倍以上的比容量，是极具潜力的新一代锂离子电池电极材料。然而相对于基于锂离子嵌入脱出机制的传统锂离子电池电极材料，人们对基于转化反应机制而实现储锂功能的电极材料认识还十分肤浅，无论是在理论层面还是应用层面上都面临着许多问题需要深入认识，这主要包括：(1)转化反应的相关反应机制尚待系统和深入的研究；(2)如何从根本上解决基于转化反应机制而实现储锂功能的过渡金属化合物电极材料中存在的严重的电压滞后、首次充放电过程库伦效率低和可逆循环容量衰减较快等问题仍是一个极具挑战性问题；(3)基于转化反应机制而实现储锂功能的过渡金属化物电极材料的放电产物中高催化活性纳米金属颗粒的存在和转化反应中存在较大的体积膨胀等导致基于转化反应机制而实现储锂功能的过渡金属化物电极材料的电极界面特性尤其是其表面SEI的组成、性质、作用，与基于锂离子嵌入脱出机制的传统锂离子电池电极材料存在较大的不同，但这方面的内容我们还知之甚少；(4)基于转化反应机制而实现储锂功能的过渡金属化合物电极材料结构与性能之间关系还需进一步明晰，科学工作者需要进一步对基于转化反应机制而实现储锂功能的过渡金属化合物电极材料的制备、结构形貌与性能、SEI膜与界面稳定性等基础研究做长期艰苦的数据积累。

虽然目前基于转化反应而实现储锂功能的过渡金属化合物电极材料离商品化应用还有一定的差距，但随着其制备技术不断完善和发展、新的制备法方的不断开发、相关机理的进一步探明，将会为基于转化反应机制而实现储锂功能的过渡金属化合物电极材料作为商品化锂离子电池电极材料铺平道路，并将最终推进新一代高容量、高功率锂离子电池体系的发展。