【摘要】 研究具有负热膨胀性能的材料对于有效缓解电极材料的应力具有重要意义。

高能、高功率密度锂离子电池（LIB）的可靠安全性是其广泛应用的关键。由于电池各组成部分的电阻和电解质中Li离子的扩散阻力，电池的充放电过程不可避免地是一个显著的放热过程。电池放热问题的管理应特别强调作为一个安全影响因素。除了利用热传导来排除反应放热或环境传热外，通过调节电极材料的热膨胀特性来调节电极材料的应力，可以降低充放电过程中普遍存在的剧烈热膨胀所带来的爆炸危险。

 

研究具有负热膨胀性能的材料对于有效缓解电极材料的应力具有重要意义。以上对NTE材料的研究将为电池的高效热管理奠定基础。电极材料的特殊结构要求与NTE材料不同。迄今为止，大多数电极材料的热膨胀性能尚未得到充分的研究。理想的LIB热膨胀材料的合理设计仍是一个未开发的领域。

 

Ge等人采用热处理的方法制备了负热膨胀ZrScMo2VO12及其碳包覆复合材料作为锂离子电池的电极材料。对恒流充放电过程、循环伏安法测量和电化学阻抗谱进行了测试，以了解它们的热膨胀和电化学性能。

图1. 用Cu箔制备的电极材料的XRD谱图[1]

 

ZSMVO、ZSMVO@C和ZSMVO@rGO的XRD谱图如图1所示。所有剖面的衍射线都很清晰，表明制备的样品结晶良好。ZSMVO的衍射峰与Sc2Mo3O12 (JCPDs)卡号匹配良好。为了进一步确定ZSMVO中碳和还原氧化石墨烯的添加程度，进行了拉曼光谱，如图2所示。由于碳材料对光的吸收，三种材料的拉曼光谱强度不同。

 

综上所述，ZSMVO可以作为具有NTE特性的锂离子电池电极材料。其复合材料也可以采用碳包覆和还原氧化石墨烯包覆策略制备。碳或还原氧化石墨烯涂层不会改变材料的整体结构。碳和还原氧化石墨烯的涂层有效地提高了锂离子电池的电化学性能。ZSMVO的NTE特性在复合材料中得到了很好的保留，对提高复合材料的电化学性能也起到了积极的作用，在LIBs中具有更好的热稳定性。

 

由于这种独特的NTE电极材料，锂离子电池在储存、运输和使用过程中的热效应以及电化学过程中的结构变化都不会对锂离子电池的体积和应力产生明显的负面影响。作为一项概念验证研究，这种具有开放式框架结构的NTE复合材料将填补NTE与LIB之间的空白，从而为其在下一代更安全的高性能储能系统中的应用铺平道路。

图2. ZSMVO、ZSMVO@C和ZSMVO@rGO三个电极的拉曼光谱[1]

 

[1] Ge, X., Yuan, B., Xu, S., Xu, P., Shi, Y., Liu, Y., … Li, B. (2020). Anodic lithium ion battery material with negative thermal expansion. Ceramics International.

 

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