化学反应与结晶控制的电化学储能电极材料.pdf

中国科学: 技术科学 2015 年 第45 卷 第1 期: 36 ~ 49 《中国科学》杂志社 评 述 SCIENCE CHINA PRESS 化学反应和结晶控制的电化学储能电极材料 陈昆峰, 薛冬峰* 中国科学院长春应用化学研究所, 稀土资源利用国家重点实验室, 长春 130022 * E-mail: dongfeng@ 收稿日期: 2014-09-15; 接受日期: 2014-10-24 国家杰出青年科学基金(批准号:、国家自然科学基金(批准号:、国家自然科学基金创新研究群体(批准号: 和中国科学院百人计划资助项目 摘要 电化学储能材料的微结构、尺寸、形貌等特征直接影响着电化学储能设备的性能, 关键词 例如能量密度、功率密度、寿命等. 因此, 合成高电化学活性的电极材料是储能设备性能的 化学反应 重要制约因素. 在电极材料的合成过程中, 化学反应是材料合成的第一个步骤, 然后经过结 结晶 材料合成 晶过程最终得到电极材料. 通过控制化学反应和结晶过程, 可以得到具有不同活性的电极 电化学储能 材料. 电极材料制备过程中的化学反应以及电能储存过程中的电化学反应都是本文要研究 锂离子电池 的问题. 虽然在材料合成方面取得了巨大的进步, 能够合成各种不同形貌、结构和性能的电 超级电容器 极材料, 但是对化学反应如何控制材料的结晶、结晶过程如何影响材料的电化学性能以及电 极材料和电化学活性的对应关系, 依然缺少深入的理解. 本文通过研究反应控制的结晶过 程以及结晶影响的电化学性能, 揭示化学反应-结晶、结晶- 电化学性能和化学反应- 电化学性 能的关系, 以及提高储能材料综合性能的途径. 1 引言 的合成方法也会影响材料的以上性质[1,5]. 虽然材料 的合成取得了长足的进步, 能够可控地合成各种纳 由于化石燃料等传统能源的枯竭, 在现代生活 米结构的材料, 但是可控地合成具有特殊性能材料 中, 电能存储变得越来越重要, 例如日常使用的手 还面临着很多难题. 人们需要用系统的眼光来审视 机、笔记本、移动电源等. 电池和电化学电容器是两 材料合成和材料电化学性能之间的关系, 系统研究 种重要的电化学能量储存设备[1,2] . 然而, 为了满足 材料从制备到性能应用包括多个学科的知识: 化学、 更高的使用要求, 需要电能储存设备具有更大的容 化学工程、电化学、材料科学等. 量、更长的循环寿命、更快的充放电速度[3,4]. 锂离子 对于技术应用和科学研究来说, 合成特殊形态 电池和电化学电容器的性能主要受正负极电极材料 的微/ 纳米晶是一个长期的目标. 详细了解材料生长 的制约. 高活性电极材料通常需要满足以下条件: 可 机理和形貌控制过程是预测和控制晶体生长的关键. 逆容量高、结构稳定、锂离子扩散速度快、寿命长、 虽然人们合成了各种形貌的材料, 但是缺乏对不同 安全性高、成本低以及环境负影响小等[1~4]. 材料的 形态之间相互关系的理解, 特别是当化学反应包含 结构、形貌和尺寸都会影响材料性能的发挥, 而不同 在其中, 由于缺乏合成中间过程变化的信息,