锂电池与纳米技术

  SAMSUNG电子宣布暂停Galaxy Note 7生产，同时决定自2016年10月11日起，召回在中国大陆地区销售的全部SAMSUNGNote7。SAMSUNGNote7电池爆炸事件毫无疑问引发了人们对于电池安全的更高关注。

纳米材料和纳米技术在电子信息、新能源、先进装备、生物医药等新兴产业有广泛应用，借此机会大家一起来看看纳米技术在电池领域的“用武之地”。今天先从锂离子电池说起——

锂离子电池小课堂

所谓锂离子电池（Lithium-ion battery）是指分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。

1、锂离子电池的结构

锂离子电池一般包括：正极（positive）、负极（negative）、电解质（electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positive lead）、负极板（negative plate）、中心端子、绝缘材料（insulator）、安全阀（safety vent）、密封圈（gasket）、PTC（正温度控制端子）、电池壳。

2、锂离子电池的工作原理

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

正极和负极必须具有类似海绵的物理结构，以释放和接收锂离子。在放电时，锂离子从负极材料移出至电解液，再像水进入海绵一样地进入正极材料，这个过程被称为嵌入。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入。二者过程相反。

纳米技术在锂离子电池领域的应用

随着科技的发展，纳米技术更多的运用于锂离子电池领域，传统电池材料存在的许多重难点基础问题有望得到解决。下面大家一起看看这些新型纳米技术的运用。

1、电池充电过热

  手机爆炸的常见原因之一就是电池过热。电池刺穿、短路或过度充电都会产生热量。如果温度达到约150摄氏度，电极之间的电解质就会着火并引发爆炸。

纳米级凸起的镍颗粒覆盖石墨烯在电池中的应用

  运用纳米技术，崔屹、鲍哲楠等人在具有弹性的聚乙烯薄膜中嵌入覆盖石墨烯并带有纳米级凸起的镍颗粒。导电时镍颗粒彼此接触；温度升高时聚乙烯薄膜被拉伸，镍颗粒相互分开使薄膜不再导电。这为解决过热问题提供了安全、可逆的策略。

2、锂离子电池充放电效率

碰到下图这种情况，相信大家和小编一样都会十分崩溃，也会不禁想问：“手机电池怎么越来越不耐用了？”

  问题是这样的：锂离子电池的容量是由电池阳极所能附着的锂离子数量决定，而在充放电过程中，硅材料不断吸取与释放锂离子，产生膨胀与收缩，这种反复会导致硅材料变得粉末化，导致电池的容量不断降低。

 斯坦福大学崔屹等人的研究成果解决了这一难题，他们利用纳米技术制成了硅纳米线作为阳极，在吸取锂离子时能够膨胀四倍，而在放电过程中又不会出现粉末化或者折断，这就意味着不仅能够确保电池容量提升10倍，而且可以大幅度延长锂离子电池的使用寿命。

3、SEI膜的稳定性

  当锂与电解液接触时,会在锂负极上形成一钝化膜并不断增厚。稳定的SEI膜有助于负极材料高库伦效率和长期稳定性的实现，然而，体积变化导致SEI不断变化，难以维持稳定。

纳米技术如何实现SEI膜的稳定呢？

Si表面SEI膜的形成与稳定策略

针对Si负极，主要采用空心包裹的策略来实现SEI膜的稳定。譬如Si@C，Si@CNT，Al@TiO2等多种yolk-shell结构的设计，既提供了电解液阻隔层，又为活性颗粒的体积膨胀预留了空间，电池性能从而得到有效提高。

Li金属表面SEI膜的形成与稳定策略

针对Li金属负极，研究人员在锂金属和电解质之间构建一层纳米界面保护层，譬如相互连接的空心碳纳米球，或者超薄的二维BN/Grphene纳米复合材料。这样，在充放电过程中，SEI膜就因界面保护层的存在而稳定，不会逐渐变厚。

展望

大家相信，随着纳米技术的深入发展，其他纳米技术的运用可以更好地解决锂离子电池存在的问题，制作更加优良的电池产品。