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第Ⅲ部分鉬在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第二十二章鉬在電池中的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

據(jù)中鎢在線/中鎢智造了解，氧化鉬、二硫化鉬、二硒化鉬、碳化鉬等鉬化合物均可以應(yīng)用在電池中。在電池中的應(yīng)用，尤其是在提高電池性能和儲(chǔ)能能力方面，展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，其在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。

二硫化鉬圖片

導(dǎo)電性能不足：鉬基材料大多屬于半導(dǎo)體，不利于電子的快速傳輸，這會(huì)影響電池在大倍率下的充放電性能。特別是在需要高電流密度的應(yīng)用場(chǎng)景下，鉬基材料的導(dǎo)電性能成為制約其應(yīng)用的瓶頸。

穩(wěn)定性問(wèn)題：鉬基材料在充放電循環(huán)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性下降的情況，導(dǎo)致電池容量衰減和循環(huán)壽命縮短。這一問(wèn)題在鋅錳電池中尤為突出，由于MnO2存在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢和穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，嚴(yán)重限制了鋅錳電池的實(shí)際應(yīng)用。

體積膨脹：在某些電池體系中，如鋰硫電池，硫電極在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破壞和電池性能下降。鉬基材料作為硫電極的支撐材料，需要具備一定的體積緩沖能力。

材料成本：高純度的鉬基材料制備成本較高，這限制了其在低成本電池中的應(yīng)用。

二硫化鉬圖片

為了解決鉬在電池應(yīng)用中的問(wèn)題，研究者提出了以下幾種解決方法：

一、提高導(dǎo)電性能

（1）將鉬基材料納米化，縮短離子及電子的傳輸距離，從而提高材料的導(dǎo)電性能。

（2）與碳材料復(fù)合，利用碳材料的高導(dǎo)電性提升鉬基材料的整體導(dǎo)電性能。例如，通過(guò)構(gòu)筑復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用碳材料的柔性緩解晶格嵌鋰引發(fā)的體積膨脹效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（3）通過(guò)組分調(diào)控、結(jié)構(gòu)形貌調(diào)控、自組裝等方法制備一系列鉬基納米復(fù)合材料，以期實(shí)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)高性能電池材料的構(gòu)筑與應(yīng)用。

二、增強(qiáng)穩(wěn)定性

（1）通過(guò)元素?fù)诫s（如鉬摻雜二氧化錳電極材料）和有機(jī)物改性等方法，改善MnO2電極材料的穩(wěn)定性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能。

（2）針對(duì)鉬基材料在充放電循環(huán)中的穩(wěn)定性問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和電解液配方，減少活性物質(zhì)的損失和腐蝕，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

鋰離子電池圖片

三、緩解體積膨脹

在鋰硫電池中，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的硫正極結(jié)構(gòu)，如采用多孔碳材料作為硫的載體，緩解硫電極在充放電過(guò)程中的體積膨脹。同時(shí)，可以利用鉬基材料的體積緩沖能力，通過(guò)制備鉬基復(fù)合材料來(lái)進(jìn)一步提高硫電極的穩(wěn)定性。

四、降低材料成本

研究低成本鉬基材料的制備工藝，如采用化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠法等低成本方法制備鉬基納米材料。探索鉬基材料的回收利用技術(shù)，降低生產(chǎn)成本并減少對(duì)環(huán)境的污染。

鉬在電池中的應(yīng)用前景廣闊，但也面臨著導(dǎo)電性能不足、穩(wěn)定性問(wèn)題、體積膨脹和材料成本等挑戰(zhàn)。通過(guò)提高導(dǎo)電性能、增強(qiáng)穩(wěn)定性、緩解體積膨脹和降低材料成本等解決方案，可以進(jìn)一步推動(dòng)鉬在電池領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

22.1 氧化鉬在電池中的挑戰(zhàn)與解決方案

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，電池技術(shù)作為新能源領(lǐng)域的重要組成部分，其性能的提升和成本的降低一直是研究的熱點(diǎn)。氧化鉬作為一種潛在的電極材料，因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。然而，氧化鉬在電池中的應(yīng)用也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

三氧化鉬圖片

一、氧化鉬在電池中的挑戰(zhàn)

（1）離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率差

氧化鉬在電池中的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率相對(duì)較低，這極大地限制了其電化學(xué)性能。離子電導(dǎo)率關(guān)系到電池中離子在電極材料中的遷移速度，而電子電導(dǎo)率則關(guān)系到電子在材料中的傳輸效率。在高倍率充放電過(guò)程中，這種較差的離子和電子傳輸能力成為了氧化鉬性能提升的瓶頸。當(dāng)電池需要快速充放電時(shí)，由于離子和電子在氧化鉬中的傳輸速度較慢，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部電阻增大，進(jìn)而影響電池的功率密度和能量效率。

為了解決這一問(wèn)題，研究者們正在探索各種方法，如通過(guò)納米化技術(shù)提高氧化鉬的比表面積，縮短離子和電子的傳輸路徑；或者通過(guò)摻雜其他元素（如碳、氮、硫等）來(lái)提高氧化鉬的導(dǎo)電性。這些方法都有望在一定程度上提高氧化鉬的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，進(jìn)而改善其在電池中的電化學(xué)性能。

（2）不可逆相變和體積變化大

在電池充放電過(guò)程中，氧化鉬會(huì)發(fā)生不可逆的相變和體積變化。這種變化會(huì)導(dǎo)致電極材料的結(jié)構(gòu)破壞和容量衰減，尤其是在長(zhǎng)期循環(huán)使用過(guò)程中，這種不可逆變化會(huì)加劇，嚴(yán)重影響電池的壽命和性能。當(dāng)電池進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，氧化鉬的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的體積膨脹或收縮。這種體積變化不僅會(huì)導(dǎo)致電極材料的機(jī)械穩(wěn)定性下降，還可能引起電極與電解液之間的接觸不良，進(jìn)一步降低電池的性能。

為了解決這一問(wèn)題，研究者們正在嘗試通過(guò)設(shè)計(jì)合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)減少氧化鉬的體積變化。例如，可以將氧化鉬與其他具有較好機(jī)械穩(wěn)定性和較小體積變化的材料（如碳納米管、石墨烯等）進(jìn)行復(fù)合，以提高電極材料的整體穩(wěn)定性。此外，還可以通過(guò)優(yōu)化電池的設(shè)計(jì)和管理策略來(lái)減少充放電過(guò)程中的體積變化對(duì)電池性能的影響。

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（3）穩(wěn)定性差

二氧化鉬（MoO?）在電池充放電過(guò)程中，由于鋰離子的嵌入和脫出，其晶體結(jié)構(gòu)易發(fā)生不可逆的變化和相變。這種結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致電極材料的性能衰減，進(jìn)而影響電池的整體性能。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)鋰離子嵌入到MoO?中時(shí)，其晶格結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的體積膨脹；而在鋰離子脫出時(shí)，材料體積又會(huì)收縮。這種反復(fù)的體積變化會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋和缺陷，從而降低其穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。

挑戰(zhàn)分析：根據(jù)相關(guān)研究，二氧化鉬在充放電過(guò)程中的體積變化率可達(dá)數(shù)百分比，這遠(yuǎn)高于其他電極材料。這種大體積變化不僅會(huì)導(dǎo)致電極材料的結(jié)構(gòu)破壞，還會(huì)引起電極與電解液之間的接觸不良，進(jìn)一步降低電池的性能。

（4）循環(huán)性能不佳

由于二氧化鉬在充放電過(guò)程中存在較大的體積變化，其循環(huán)性能通常較差。這意味著在多次充放電循環(huán)后，電池的容量和性能會(huì)迅速衰減。

挑戰(zhàn)分析：循環(huán)性能是評(píng)價(jià)電池性能的重要指標(biāo)之一。對(duì)于電動(dòng)汽車等需要長(zhǎng)時(shí)間、高頻率充放電的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，電池的循環(huán)性能尤為重要。然而，由于MoO?的體積變化問(wèn)題，其循環(huán)性能往往無(wú)法滿足這些應(yīng)用的需求。

（5）制備工藝復(fù)雜且成本高

目前，氧化鉬的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，且成本較高。這限制了其在電池中的大規(guī)模應(yīng)用。復(fù)雜的制備工藝不僅增加了生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。此外，高昂的成本也使得氧化鉬在與其他電極材料競(jìng)爭(zhēng)時(shí)處于不利地位。

為了降低氧化鉬的制備成本和簡(jiǎn)化制備工藝，研究者們正在探索新的制備方法和優(yōu)化現(xiàn)有的制備工藝。例如，可以采用水熱法、溶膠凝膠法等簡(jiǎn)單高效的制備方法；或者通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件、添加助劑等手段來(lái)降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，還可以通過(guò)開發(fā)新型的氧化鉬復(fù)合材料來(lái)降低整體成本，同時(shí)提高電池的性能。

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二、解決方案

針對(duì)氧化鉬在電池中面臨的挑戰(zhàn)，以下是幾種可能的解決方案，旨在提高其電化學(xué)性能、降低成本并優(yōu)化制備工藝。

（1）納米化改性

納米化改性是提高氧化鉬電化學(xué)性能的有效手段。納米材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如較大的比表面積和較短的離子傳輸路徑，而展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過(guò)納米化改性，氧化鉬的比表面積得到顯著增加，這有利于活性物質(zhì)與電解液的充分接觸，從而提高電池的容量和充放電效率。此外，納米化還可以減少鋰離子在材料中的擴(kuò)散長(zhǎng)度，降低電荷轉(zhuǎn)移的路徑，進(jìn)而提升電池的電化學(xué)性能。

方法：可采用物理或化學(xué)方法制備納米級(jí)氧化鉬材料，如使用溶膠凝膠法、水熱法、化學(xué)氣相沉積法等。這些方法可以控制納米材料的形貌、尺寸和晶相，從而優(yōu)化其電化學(xué)性能。

預(yù)期效果：納米化改性后的氧化鉬材料將具有更高的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，同時(shí)減少不可逆相變和體積變化的發(fā)生，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和壽命。

（2）雜原子摻雜

雜原子摻雜是另一種提高氧化鉬電化學(xué)性能的有效方法。通過(guò)引入碳、氮、硫等雜原子，可以引入新的電荷載體和活性位點(diǎn)，提高材料的導(dǎo)電性和離子傳輸能力。同時(shí)，雜原子摻雜還可以調(diào)節(jié)材料的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，提高材料的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。

方法：可以采用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或溶液法等方法進(jìn)行雜原子摻雜。通過(guò)控制摻雜元素的種類和濃度，可以優(yōu)化材料的電化學(xué)性能。

預(yù)期效果：雜原子摻雜后的氧化鉬材料將具有更高的導(dǎo)電性和離子傳輸能力，從而提高電池的功率密度和能量效率。同時(shí)，摻雜還可以提高材料的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

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（3）引入碳納米管或石墨烯等導(dǎo)電材料

原理與效果：碳納米管（CNTs）和石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)它們與二氧化鉬復(fù)合時(shí)，可以有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。碳納米管或石墨烯的高比表面積和優(yōu)異的電子傳輸能力，能夠有效地分散和支撐二氧化鉬納米顆粒，減少其體積變化對(duì)性能的影響。

實(shí)施方法：可以通過(guò)物理或化學(xué)方法將碳納米管或石墨烯與二氧化鉬進(jìn)行復(fù)合。例如，利用溶液共混法將碳納米管或石墨烯與二氧化鉬前驅(qū)體溶液混合，然后通過(guò)熱處理或化學(xué)還原等方法得到復(fù)合材料。

相關(guān)研究支持：碳納米管負(fù)載二氧化鉬納米點(diǎn)（CNTs-MoO?）通過(guò)CNTs的限域效應(yīng)調(diào)控MoO?納米點(diǎn)的生長(zhǎng)，提高M(jìn)oO?的分散性和穩(wěn)定性。這種復(fù)合材料在能源轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳感器等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

（4）制備工藝優(yōu)化

優(yōu)化制備工藝是降低氧化鉬制備成本和質(zhì)量控制難度的關(guān)鍵。通過(guò)采用簡(jiǎn)單高效的制備方法、控制反應(yīng)條件和添加助劑等手段，可以優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

方法：可以采用水熱法、溶膠凝膠法等簡(jiǎn)單高效的制備方法。這些方法具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)控制反應(yīng)溫度、時(shí)間、pH值等條件，以及添加適量的助劑，可以優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和性能。

預(yù)期效果：優(yōu)化制備工藝后的氧化鉬材料將具有更好的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性，同時(shí)降低生產(chǎn)成本和質(zhì)量控制難度。這將有助于推動(dòng)氧化鉬在電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展。

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22.1 氧化鉬在電池中的挑戰(zhàn)與解決方案

22.2碳化鉬在電池中的挑戰(zhàn)與解決方案

22.3 氮化鉬在電池中的挑戰(zhàn)與解決方案

22.4 二硫化鉬在電池中的挑戰(zhàn)與解決方案

二硫化鉬（MoS2）因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在鋰離子電池、鈉離子電池、燃料電池及其他電池中都有廣泛應(yīng)用。不過(guò)，在應(yīng)用時(shí)存在一定的挑戰(zhàn)。

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一、二硫化鉬在鋰離子電池中的挑戰(zhàn)

二硫化鉬在鋰離子電池的充放電循環(huán)中，尤其是在高電流密度或高溫條件下，容易遭受結(jié)構(gòu)破壞和分解，導(dǎo)致電池循環(huán)穩(wěn)定性降低。此外，其鋰化產(chǎn)物L(fēng)i2S在充放電過(guò)程中可能會(huì)與電解液發(fā)生副反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的界面層，進(jìn)一步加劇電池性能的衰減。

二硫化鉬的導(dǎo)電性相對(duì)較差，這限制了其作為鋰離子電池電極材料的高倍率性能。在快速充放電過(guò)程中，由于電子傳輸速度的限制，電池內(nèi)阻增大，導(dǎo)致電池性能下降。

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為了解決上述的問(wèn)題，研究者提出了幾種解決方法：表面改性、納米化與復(fù)合材料設(shè)計(jì)。

表面改性：通過(guò)在二硫化鉬表面引入有機(jī)分子或無(wú)機(jī)物質(zhì)，形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，可以有效防止電極材料與電解液的直接接觸，減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。例如，利用十八烷分子等有機(jī)分子對(duì)MoS2進(jìn)行表面修飾，可以形成一層穩(wěn)定的SEI膜，保護(hù)電極活性物質(zhì)。

納米化：利用納米技術(shù)制備二硫化鉬納米片或納米顆粒，可以顯著提高材料的比表面積和反應(yīng)活性。納米化的MoS2在鋰離子電池中表現(xiàn)出更高的容量和更好的倍率性能。此外，納米化還可以改善材料的導(dǎo)電性，降低電池內(nèi)阻，提高電池性能。

復(fù)合材料設(shè)計(jì)：將二硫化鉬與導(dǎo)電性良好的材料（如石墨烯、碳納米管等）進(jìn)行復(fù)合，可以形成具有優(yōu)異電化學(xué)性能的復(fù)合材料。這些復(fù)合材料不僅繼承了MoS2的高容量和良好循環(huán)穩(wěn)定性，還提高了材料的導(dǎo)電性和倍率性能。例如，將MoS2納米片與石墨烯復(fù)合，可以形成具有高導(dǎo)電性和高容量的復(fù)合材料，適用于高性能鋰離子電池的電極材料。

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二、二硫化鉬在鈉離子電池中的解決方法

二硫化鉬在鈉離子電池中的容量衰減是其面臨的主要挑戰(zhàn)之一。由于鈉離子在嵌入和脫出過(guò)程中可能引發(fā)MoS2的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致其容量隨循環(huán)次數(shù)的增加而迅速下降。

在鈉離子嵌入和脫出的過(guò)程中，二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，這種結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性進(jìn)一步加劇了容量的衰減，并可能導(dǎo)致電池性能的整體下降。

為了解決上述的問(wèn)題，研究者提出了幾種解決方法：摻雜改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與復(fù)合材料開發(fā)。

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摻雜改性：通過(guò)在二硫化鉬中摻雜其他元素（如硫、氮等），可以改變其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，從而提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。例如，硫摻雜石墨烯與MoS2的復(fù)合材料（MoS2/SG）在鈉離子電池中表現(xiàn)出較高的可逆容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：利用納米技術(shù)設(shè)計(jì)具有特殊結(jié)構(gòu)的二硫化鉬材料，如多孔結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)等，可以提高材料的比表面積和反應(yīng)活性，同時(shí)抑制結(jié)構(gòu)在鈉離子嵌入和脫出過(guò)程中的變化。例如，MoS2超薄納米片與硫化亞錫納米點(diǎn)以共價(jià)鍵組裝的中空超結(jié)構(gòu)，不僅增強(qiáng)了片層間的作用力，還提高了材料的機(jī)械穩(wěn)定性和電子傳輸效率。

復(fù)合材料開發(fā)：將二硫化鉬與鈉離子電池中常用的負(fù)極材料（如硬碳、鈦酸鹽等）復(fù)合，可以形成具有優(yōu)異電化學(xué)性能的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料能夠結(jié)合不同材料的優(yōu)點(diǎn)，提高電池的整體性能。