鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二十二）
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- 分類：鎢新聞
- 發佈於：2024-06-28, 週五 17:15
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第Ⅲ部分 鉬在新能源電池市場的介紹
第二十二章 鉬在電池中的技術挑戰與解決方案
據中鎢線上/中鎢智造瞭解，氧化鉬、二硫化鉬、二硒化鉬、碳化鉬等鉬化合物均可以應用在電池中。在電池中的應用，尤其是在提高電池性能和儲能能力方面，展現出巨大的潛力。然而，其在實際應用中仍面臨一系列技術挑戰。
導電性能不足：鉬基材料大多屬於半導體，不利於電子的快速傳輸，這會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用場景下，鉬基材料的導電性能成為制約其應用的瓶頸。
穩定性問題：鉬基材料在充放電迴圈過程中可能會出現穩定性下降的情況，導致電池容量衰減和迴圈壽命縮短。這一問題在鋅錳電池中尤為突出，由於MnO2存在反應動力學慢和穩定性較差的問題，嚴重限制了鋅錳電池的實際應用。
體積膨脹：在某些電池體系中，如鋰硫電池，硫電極在充放電過程中會發生體積膨脹，導致電極結構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衝能力。
材料成本：高純度的鉬基材料製備成本較高，這限制了其在低成本電池中的應用。
為了解決鉬在電池應用中的問題，研究者提出了以下幾種解決方法：
一、提高導電性能
（1）將鉬基材料納米化，縮短離子及電子的傳輸距離，從而提高材料的導電性能。
（2）與碳材料複合，利用碳材料的高導電性提升鉬基材料的整體導電性能。例如，通過構築複合結構，利用碳材料的柔性緩解晶格嵌鋰引發的體積膨脹效應，提高結構穩定性。
（3）通過組分調控、結構形貌調控、自組裝等方法製備一系列鉬基納米複合材料，以期實現新結構高性能電池材料的構築與應用。
二、增強穩定性
（1）通過元素摻雜（如鉬摻雜二氧化錳電極材料）和有機物改性等方法，改善MnO2電極材料的穩定性和反應動力學性能。
（2）針對鉬基材料在充放電迴圈中的穩定性問題，可以通過優化電池結構和電解液配方，減少活性物質的損失和腐蝕，從而提高電池的迴圈穩定性。
三、緩解體積膨脹
在鋰硫電池中，通過設計合理的硫正極結構，如採用多孔碳材料作為硫的載體，緩解硫電極在充放電過程中的體積膨脹。同時，可以利用鉬基材料的體積緩衝能力，通過製備鉬基複合材料來進一步提高硫電極的穩定性。
四、降低材料成本
研究低成本鉬基材料的製備工藝，如採用化學氣相沉積、溶膠凝膠法等低成本方法製備鉬基納米材料。探索鉬基材料的回收利用技術，降低生產成本並減少對環境的污染。
鉬在電池中的應用前景廣闊，但也面臨著導電性能不足、穩定性問題、體積膨脹和材料成本等挑戰。通過提高導電性能、增強穩定性、緩解體積膨脹和降低材料成本等解決方案，可以進一步推動鉬在電池領域的應用和發展。
22.1 氧化鉬在電池中的挑戰與解決方案
隨著能源危機和環境問題的日益嚴重，電池技術作為新能源領域的重要組成部分，其性能的提升和成本的降低一直是研究的熱點。氧化鉬作為一種潛在的電極材料，因其獨特的物理和化學性質而受到廣泛關注。然而，氧化鉬在電池中的應用也面臨著諸多挑戰。
一、氧化鉬在電池中的挑戰
（1）離子電導率和電子電導率差
氧化鉬在電池中的離子電導率和電子電導率相對較低，這極大地限制了其電化學性能。離子電導率關係到電池中離子在電極材料中的遷移速度，而電子電導率則關係到電子在材料中的傳輸效率。在高倍率充放電過程中，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。當電池需要快速充放電時，由於離子和電子在氧化鉬中的傳送速率較慢，會導致電池內部電阻增大，進而影響電池的功率密度和能量效率。
為了解決這一問題，研究者們正在探索各種方法，如通過納米化技術提高氧化鉬的比表面積，縮短離子和電子的傳輸路徑；或者通過摻雜其他元素（如碳、氮、硫等）來提高氧化鉬的導電性。這些方法都有望在一定程度上提高氧化鉬的離子電導率和電子電導率，進而改善其在電池中的電化學性能。
（2）不可逆相變和體積變化大
在電池充放電過程中，氧化鉬會發生不可逆的相變和體積變化。這種變化會導致電極材料的結構破壞和容量衰減，尤其是在長期迴圈使用過程中，這種不可逆變化會加劇，嚴重影響電池的壽命和性能。當電池進行充放電迴圈時，氧化鉬的晶體結構會發生變化，導致材料的體積膨脹或收縮。這種體積變化不僅會導致電極材料的機械穩定性下降，還可能引起電極與電解液之間的接觸不良，進一步降低電池的性能。
為了解決這一問題，研究者們正在嘗試通過設計合理的複合結構來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械穩定性和較小體積變化的材料（如碳納米管、石墨烯等）進行複合，以提高電極材料的整體穩定性。此外，還可以通過優化電池的設計和管理策略來減少充放電過程中的體積變化對電池性能的影響。
（3）穩定性差
二氧化鉬（MoO₂）在電池充放電過程中，由於鋰離子的嵌入和脫出，其晶體結構易發生不可逆的變化和相變。這種結構的不穩定性會導致電極材料的性能衰減，進而影響電池的整體性能。具體來說，當鋰離子嵌入到MoO₂中時，其晶格結構會發生變化，導致材料的體積膨脹；而在鋰離子脫出時，材料體積又會收縮。這種反復的體積變化會導致材料內部產生裂紋和缺陷，從而降低其穩定性和迴圈壽命。
挑戰分析：根據相關研究，二氧化鉬在充放電過程中的體積變化率可達數百分比，這遠高於其他電極材料。這種大體積變化不僅會導致電極材料的結構破壞，還會引起電極與電解液之間的接觸不良，進一步降低電池的性能。
（4）迴圈性能不佳
由於二氧化鉬在充放電過程中存在較大的體積變化，其迴圈性能通常較差。這意味著在多次充放電迴圈後，電池的容量和性能會迅速衰減。
挑戰分析：迴圈性能是評價電池性能的重要指標之一。對於電動汽車等需要長時間、高頻率充放電的應用場景來說，電池的迴圈性能尤為重要。然而，由於MoO₂的體積變化問題，其迴圈性能往往無法滿足這些應用的需求。
（5）製備工藝複雜且成本高
目前，氧化鉬的製備工藝相對複雜，且成本較高。這限制了其在電池中的大規模應用。複雜的製備工藝不僅增加了生產成本，還可能導致產品品質的不穩定。此外，高昂的成本也使得氧化鉬在與其他電極材料競爭時處於不利地位。
為了降低氧化鉬的製備成本和簡化製備工藝，研究者們正在探索新的製備方法和優化現有的製備工藝。例如，可以採用水熱法、溶膠凝膠法等簡單高效的製備方法；或者通過優化反應條件、添加助劑等手段來降低生產成本和提高產品品質。此外，還可以通過開發新型的氧化鉬複合材料來降低整體成本，同時提高電池的性能。
二、解決方案
針對氧化鉬在電池中面臨的挑戰，以下是幾種可能的解決方案，旨在提高其電化學性能、降低成本並優化製備工藝。
（1）納米化改性
納米化改性是提高氧化鉬電化學性能的有效手段。納米材料因其獨特的物理和化學性質，如較大的比表面積和較短的離子傳輸路徑，而展現出優異的電化學性能。通過納米化改性，氧化鉬的比表面積得到顯著增加，這有利於活性物質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散長度，降低電荷轉移的路徑，進而提升電池的電化學性能。
方法：可採用物理或化學方法製備納米級氧化鉬材料，如使用溶膠凝膠法、水熱法、化學氣相沉積法等。這些方法可以控制納米材料的形貌、尺寸和晶相，從而優化其電化學性能。
預期效果：納米化改性後的氧化鉬材料將具有更高的離子電導率和電子電導率，同時減少不可逆相變和體積變化的發生，提高電池的迴圈穩定性和壽命。
（2）雜原子摻雜
雜原子摻雜是另一種提高氧化鉬電化學性能的有效方法。通過引入碳、氮、硫等雜原子，可以引入新的電荷載體和活性位點，提高材料的導電性和離子傳輸能力。同時，雜原子摻雜還可以調節材料的電子結構和化學性質，提高材料的穩定性和迴圈壽命。
方法：可以採用化學氣相沉積、物理氣相沉積或溶液法等方法進行雜原子摻雜。通過控制摻雜元素的種類和濃度，可以優化材料的電化學性能。
預期效果：雜原子摻雜後的氧化鉬材料將具有更高的導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，摻雜還可以提高材料的穩定性和迴圈壽命，延長電池的使用壽命。
（3）引入碳納米管或石墨烯等導電材料
原理與效果：碳納米管（CNTs）和石墨烯具有優異的導電性和機械強度，當它們與二氧化鉬複合時，可以有效提高複合材料的導電性和穩定性。碳納米管或石墨烯的高比表面積和優異的電子傳輸能力，能夠有效地分散和支撐二氧化鉬納米顆粒，減少其體積變化對性能的影響。
實施方法：可以通過物理或化學方法將碳納米管或石墨烯與二氧化鉬進行複合。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體溶液混合，然後通過熱處理或化學還原等方法得到複合材料。
相關研究支持：碳納米管負載二氧化鉬納米點（CNTs-MoO₂）通過CNTs的限域效應調控MoO₂納米點的生長，提高MoO₂的分散性和穩定性。這種複合材料在能源轉換、存儲和感測器等領域具有潛在應用。
（4）製備工藝優化
優化製備工藝是降低氧化鉬製備成本和品質控制難度的關鍵。通過採用簡單高效的製備方法、控制反應條件和添加助劑等手段，可以優化材料的結構和性能，同時降低生產成本。
方法：可以採用水熱法、溶膠凝膠法等簡單高效的製備方法。這些方法具有操作簡單、成本低廉、產率高等優點。同時，通過控制反應溫度、時間、pH值等條件，以及添加適量的助劑，可以優化材料的結構和性能。
預期效果：優化製備工藝後的氧化鉬材料將具有更好的結構和性能穩定性，同時降低生產成本和品質控制難度。這將有助於推動氧化鉬在電池領域的大規模應用和發展。
22.1 氧化鉬在電池中的挑戰與解決方案
22.2碳化鉬在電池中的挑戰與解決方案
22.3 氮化鉬在電池中的挑戰與解決方案
22.4 二硫化鉬在電池中的挑戰與解決方案
二硫化鉬（MoS2）因其獨特的物理和化學性質，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用。不過，在應用時存在一定的挑戰。
一、二硫化鉬在鋰離子電池中的挑戰
二硫化鉬在鋰離子電池的充放電迴圈中，尤其是在高電流密度或高溫條件下，容易遭受結構破壞和分解，導致電池迴圈穩定性降低。此外，其鋰化產物Li2S在充放電過程中可能會與電解液發生副反應，形成不穩定的介面層，進一步加劇電池性能的衰減。
二硫化鉬的導電性相對較差，這限制了其作為鋰離子電池電極材料的高倍率性能。在快速充放電過程中，由於電子傳送速率的限制，電池內阻增大，導致電池性能下降。
為了解決上述的問題，研究者提出了幾種解決方法：表面改性、納米化與複合材料設計。
表面改性：通過在二硫化鉬表面引入有機分子或無機物質，形成穩定的固體電解質介面（SEI）膜，可以有效防止電極材料與電解液的直接接觸，減少副反應的發生，提高電池的迴圈穩定性。例如，利用十八烷分子等有機分子對MoS2進行表面修飾，可以形成一層穩定的SEI膜，保護電極活性物質。
納米化：利用納米技術製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活性。納米化的MoS2在鋰離子電池中表現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電性，降低電池內阻，提高電池性能。
複合材料設計：將二硫化鉬與導電性良好的材料（如石墨烯、碳納米管等）進行複合，可以形成具有優異電化學性能的複合材料。這些複合材料不僅繼承了MoS2的高容量和良好迴圈穩定性，還提高了材料的導電性和倍率性能。例如，將MoS2納米片與石墨烯複合，可以形成具有高導電性和高容量的複合材料，適用於高性能鋰離子電池的電極材料。
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之一。由於鈉離子在嵌入和脫出過程中可能引發MoS2的結構變化，導致其容量隨迴圈次數的增加而迅速下降。
在鈉離子嵌入和脫出的過程中，二硫化鉬的層狀結構容易發生變化，這種結構的不穩定性進一步加劇了容量的衰減，並可能導致電池性能的整體下降。
為了解決上述的問題，研究者提出了幾種解決方法：摻雜改性、結構設計與複合材料開發。
摻雜改性：通過在二硫化鉬中摻雜其他元素（如硫、氮等），可以改變其電子結構和化學性質，從而提高其結構穩定性和電化學性能。例如，硫摻雜石墨烯與MoS2的複合材料（MoS2/SG）在鈉離子電池中表現出較高的可逆容量和迴圈穩定性。
結構設計：利用納米技術設計具有特殊結構的二硫化鉬材料，如多孔結構、中空結構等，可以提高材料的比表面積和反應活性，同時抑制結構在鈉離子嵌入和脫出過程中的變化。例如，MoS2超薄納米片與硫化亞錫納米點以共價鍵組裝的中空超結構，不僅增強了片層間的作用力，還提高了材料的機械穩定性和電子傳輸效率。
複合材料開發：將二硫化鉬與鈉離子電池中常用的負極材料（如硬碳、鈦酸鹽等）複合，可以形成具有優異電化學性能的複合材料。這種複合材料能夠結合不同材料的優點，提高電池的整體性能。
22.5 二硒化鉬在電池中的挑戰與解決方案
22.6 鉬酸鹽在電池中的挑戰與解決方案
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