钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（六）

第Ⅱ部分 钨在新能源电池市场的介绍

第六章 钨在锂离子电池中的应用

随着电动汽车、移动设备和储能系统等领域的快速发展，锂离子电池的需求不断增加。锂离子电池具有高能量密度、长寿命、环保等优点，已成为当今主流的电池类型之一。

然而，随着人们对电池性能要求的不断提高，锂离子电池的能量密度、安全性和循环寿命等方面仍需不断改进和完善。

钨在锂离子电池中的应用近年来引起了广泛的关注。作为一种具有优异性能的材料，钨基材料如纳米钨酸、纳米三氧化钨、针状紫色氧化钨、二硫化钨纳米片等具有潜在的高能量密度、良好的热化学稳定性和导电性，被认为是下一代锂离子电池的理想电极材料添加剂。

钨基材料作为理想电极材料的原因：一是钨基材料具有较高的能量密度，这意味着可以提供更高的储能密度，从而增加电池的续航能力。二是钨基材料的良好结构稳定性和循环性能，可以延长电池的寿命。三是钨基材料具有较低的膨胀系数和较好的结构稳定性，可以避免电池在使用过程中因体积变化而引起的结构破坏和安全隐患。四是钨基材料具有较高的电导率和良好的电化学稳定性，可以提供更快的充放电速度和更高的能量转换效率。

据中钨在线/中钨智造了解，在“2018年横滨人车科技展”上，日本东芝展示出了一款使用紫色氧化钨超细粉末生产的负极材料，能使锂离子电池实现超快速充电。2023年，英国电池初创公司展示了一款基于莲花Elise的概念电动车，该电动车采用了新型的铌钨氧化物电池技术，可以在短短6分钟内充满电。

目前，针对钨基电极材料的研究主要集中在制备方法、结构设计和性能优化等方面。其中，纳米结构钨基电极材料的研究是一个热点领域。纳米结构的钨基材料可以提供更高的比表面积和更快的离子传输通道，从而进一步改善电池的性能。此外，研究人员还在探索新型的钨基复合电极材料，如钨碳复合材料、钨氮复合材料等。这些复合材料可以结合不同材料的优点，进一步优化电极的性能。

未来，随着对钨基电极材料的深入研究和新材料的不断涌现，钨基材料在锂离子电池中的应用前景广阔。然而，仍需解决一些关键的科学和技术问题。例如，进一步优化钨基电极材料的制备工艺和降低成本；深入研究电极材料的电化学反应机制和失效机理；提高钨基电极材料的可逆容量和循环寿命等。此外，还需要加强与产业界的合作，推动钨基电极材料的实际应用和产业化进程。

6.1 纳米钨酸在锂离子电池中的应用

纳米钨酸（H2WO4或WO3·H2O）作为一种新型的纳米材料，通常是指三氧化钨和水的比值为1:1的一种过渡金属化合物，因其特殊的物理化学性质和优异的性能，在许多领域中得到了广泛的应用。在锂离子电池领域中，纳米钨酸也被认为是一种很有前途的电极材料添加剂。

传统的锂电池负极材料主要由石墨等碳材料组成，但是这些材料的容量和充放电效率相对较低。纳米钨酸作为电极材料的添加剂可以增加电极的比表面积，提高电极的容量和充放电效率。同时，纳米H2WO4还可以通过控制形貌和结构来优化其电化学性能，提高锂离子电池的能量密度和功率密度。

纳米钨酸的尺寸在纳米级别，具有很高的比表面积和良好的电导性。这些性质使得纳米H2WO4在电化学反应中表现出良好的催化性能和电导性，可以有效地提高锂电池的电化学性能。

纳米钨酸还具有良好的离子导电性和化学稳定性。在锂离子电池中，离子导电性对于电池的倍率性能和充放电效率具有重要影响。纳米钨酸的高离子导电性可以降低电池的内阻，提高倍率性能和充放电效率。同时，纳米H2WO4还可以在高温和高电压条件下稳定存在，增加电池的安全性和稳定性。

6.1.1 锂电池正极材料用纳米钨酸

6.1.2 锂电池负极材料用纳米钨酸

6.1.3 锂电池电极材料用纳米钨酸的挑战

6.2 纳米黄色氧化钨在锂离子电池中的应用

6.2.1 锂电池正极材料用纳米黄色氧化钨

6.2.2 锂电池负极材料用纳米黄色氧化钨

6.2.3 锂电池电极材料用纳米黄色氧化钨的挑战

6.3 纳米紫色氧化钨在锂离子电池中的应用

6.3.1 锂电池正极材料用纳米紫色氧化钨

6.3.2 锂电池负极材料用纳米紫色氧化钨

为了延长新型电动车的使用寿命，改良其动力锂电池负极材料的性能是非常关键的。制造商们一直在寻找能够提高负极材料性能的有效物质。在这个过程中，紫色氧化钨超细颗粒成为了一个备受关注的选项。

紫色氧化钨超细颗粒是一种纳米材料，具有颗粒尺寸小、分散均匀、不易团聚、量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应等特点。这种材料在作为锂离子电池负极材料时，具有许多优势。紫色氧化钨的纳米尺寸可以提供更大的比表面积和更快的离子传输通道，进而能够有效地增大材料储存锂离子的空间，加快离子的氧化还原反应速率。这可以缓解锂枝晶的生长问题，降低电池容量的衰减速度。

锂枝晶的生长是锂离子电池中常见的问题之一。当锂离子在迁移到负极表面时，部分锂离子没有进入负极活性物质中形成稳定的化合物，而是获得电子后沉积在负极表面成为金属锂。这些金属锂的沉积会导致电池容量下降，严重时甚至会引起电池短路和爆炸。

除了以上提到的优点外，紫色氧化钨还具有较高的化学稳定性、良好的电导性和热导性等优点。这些特性使得WO2.72可以作为负极材料的添加剂，提高电池的安全性、循环寿命和倍率性能等。

总之，紫色氧化钨超细颗粒具有较大的比表面积和较强的化学扩散性能，因此被认为是制备电池负极材料的优选原料。它可以在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题，从而提高电池的循环寿命和安全性。此外，紫色氧化钨还可以改善电池的倍率性能和能量密度，使得电池具有更高的功率输出和更长的续航里程。

然而，虽然紫色氧化钨在负极材料中的应用前景广阔，但目前仍处于研发阶段。未来需要进一步研究其制备工艺、性能优化以及在电池制造中的应用等方面的问题。同时，还需要考虑其与其他材料的兼容性和成本等因素，以实现其在电动车领域的广泛应用。

据中钨在线/中钨智造了解，在“2018年横滨人车科技展”上，日本东芝展示出了一款使用紫色氧化钨超细粉末生产的负极材料，能使锂离子电池在短时间内快速充电，同时保持长寿命。东芝的这款新锂离子电池除了具有快速充电和长寿命的特点外，还具有较高的能量密度和良好的安全性。这些优点使得这款电池可以用于汽车领域，为电动汽车提供更长的续航里程和更快的充电速度；也可以用于微型/轻度混合动力火车、电梯等领域，提供可靠的能源存储设备；还可以用于不间断电源UPS和大电流电源等领域，提供高效、可靠的储能解决方案。

6.3.3 锂电池电极材料用纳米紫色氧化钨的挑战

6.4 二氧化钨在锂离子电池中的应用

6.4.1 锂电池正极材料用二氧化钨

6.4.2 锂电池负极材料用二氧化钨

6.4.3 锂电池电极材料用二氧化钨的挑战

6.5 铌钨氧化物在锂离子电池中的应用

铌钨氧化物（Niobium Tungsten Oxide，NTO）是一种由铌（Nb）和钨（W）与氧（O）组合而成的化合物，具有正交相晶体结构，并拥有较大的空位尺寸，被认为是一种潜力巨大的锂离子电池负极材料。

铌钨氧化物作为一种新型的负极材料，具有高容量、长循环寿命和良好的倍率性能等优点，可以有效地提高锂离子电池的性能，如能量密度、循环寿命、安全性等。NTO材料高容量和长循环寿命主要得益于其稳定的晶体结构和较大的空位尺寸，这使得锂离子在充放电过程中能够快速进出电极材料，并减少了电极材料的粉化或脱落等问题。

IT之家最新消息显示，英国电池初创公司（Nyobolt）近年来展示了一款基于莲花Elise的概念电动车，该车采用了新型的铌钨氧化物电池技术，可以在短短6分钟内充满电。这一创新技术有望大幅度提升电动车的效率和性能，进而能有效缓解现有电动车充电时间长、续航里程短的问题。

Nyobolt的铌电池技术源自剑桥大学的研究，使用了铌钨氧化物作为锂电池的负极材料。研究表明，铌钨氧化物的电化学性能与其晶体结构、隧道尺寸有着密切关系：五边形NTO材料的隧道尺寸较大，因而能使电池拥有良好的倍率性能；四边形NTO材料因有独特的开放式晶体，而具有较强的锂离子存储能力，能使电池拥有较高的容量和较好的循环稳定性。另外，多孔微米球结构可以使电解液与NTO材料充分接触，增加电解液的渗透能力，减小界面电阻。

总之，铌钨氧化物作为一种新型的锂离子电池负极材料，具有高容量、长循环寿命、良好的倍率性能和环保等优点。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，铌钨氧化物在锂离子电池负极材料中的应用将会有更加广泛的发展前景。

6.5.1 锂电池正极材料用铌钨氧化物

铌钨氧化物是一种具有潜在应用价值的锂离子电池正极材料，由铌和钨的氧化物构成，通常具有正交相的晶体结构，这种结构有利于锂离子的嵌入和脱出。

在锂离子电池中，正极材料是电池的重要组成部分，对电池的能量密度、循环寿命、安全性和成本等有直接的影响。目前，商业化的正极材料如钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）和锰酸锂（LiMn2O4）等存在容量较低、循环寿命短、倍率性能差等问题，限制了其在某些领域的应用。

铌钨氧化物作为新型正极材料，具有高能量密度、高稳定性等优点，可以有效弥补现有正极材料的不足。其高能量密度主要得益于其较大的理论容量和较高的电子导电性。根据不同的合成方法和结构调控，铌钨氧化物的容量可以在数百至数千毫安时每克（mAh/g）的范围内变化。例如，通过固相法合成的Nb2O5正极材料具有较高的容量，可达到190mAh/g左右。

此外，铌钨氧化物还具有高稳定性、长循环寿命和良好的倍率性能等优点。在充放电过程中，NTO结构稳定，体积变化小，不会出现明显的粉化或脱落等问题。这使得NTO在循环过程中保持较好的结构完整性和电化学活性，从而具有较长的寿命和良好的倍率性能。

授权公告号CN115050946B的专利摘要显示，所述正极活性材料包括正极活性材料基体和包覆层，所述包覆层包裹在所述正极活性材料基体的外表面；所述正极活性材料基体为高镍材料，所述包覆层包括含碳铌钨氧化物材料，所述含碳铌钨氧化物材料为碳改性的铌钨氧化物，通过该技术可以有效提高电池的循环寿命和充放电性能。

然而，铌钨氧化物也存在一些问题需要解决。例如，其电导率相对较低，需要进一步提高其导电性能；在充放电过程中可能会发生体积变化，需要增强其结构稳定性和耐久性；同时，其容量和倍率性能还需进一步提高以满足实际应用的需求。

6.5.2 锂电池负极材料用铌钨氧化物

6.5.3 锂电池电极材料用铌钨氧化物的挑战

6.6 氮化钨在锂离子电池中的应用

6.6.1 锂电池负极材料用氮化钨

6.6.2 锂电池电极材料用氮化钨的挑战

6.7 二硫化钨在磷酸铁锂中的应用

二硫化钨（WS2）是一种具有特殊结构和性质的化合物，其颗粒形貌的不同可以影响其在锂离子电池正极材料或负极材料中的应用。以下是不同形貌的二硫化钨及其在锂离子电池中的应用：

二硫化钨纳米片：具有类似于石墨烯的层状结构，层内共价键强烈，层间范德华力较弱，使得层与层之间容易剥离，因此具有较低的摩擦系数。这种结构特点使得WS2纳米片在作为锂离子电池电极材料时具有一些独特的优势，如高能量密度、长循环寿命、良好的安全性和稳定性等。

二硫化钨纳米管：具有类似于纳米管的形态，内部具有中空的管状结构，外部覆盖着层状结构。这种结构使得WS2纳米管在作为锂离子电池电极材料时具有较高的比表面积和良好的电导率，有利于提高电池的充放电性能。

二硫化钨纳米线：具有类似于纳米线的形态，长径比大，横向尺寸小。这种结构使得WS2在作为锂离子电池电极材料时具有良好的导电性和稳定性，能够限制电流的过度释放，提高电池的安全性。

二硫化钨量子点：具有类似于量子点的形态，横向尺寸小，表面能高。这种结构使得WS2量子点在作为锂离子电池电极材料时具有较高的比表面积和良好的电化学活性，能够提供更多的活性物质反应位点，提高电池的容量和能量密度。

二硫化钨纳米花：具有类似于纳米花的形态，由多个小颗粒组成，表面具有丰富的边缘和缺陷。这种结构使得WS2纳米花同样能够为电极材料提供更多的活性物质反应位点，进而提高电池的容量和能量密度。

综上所述，不同形貌的二硫化钨具有不同的结构和性质特点，在作为锂离子电池电极材料时能够发挥不同的优势和作用。对于具体的电池体系和应用场景，可以选择合适的形貌和结构的WS2进行优化和改进，提高电池的性能和安全性。

6.7.1 锂电池正极材料用二硫化钨纳米片

二硫化钨纳米片在锂离子电池正极材料中的应用显示出巨大的潜力。由于其特殊的层状结构和优秀的电化学性能，WS2纳米片有望显著提高磷酸铁锂正极材料的性能。

磷酸铁锂是目前商业化锂离子电池中广泛使用的正极材料，具有高安全性和低生产成本等优势。然而，磷酸铁锂也存在一些不足，如导电率低、容量有限和低温性能不佳等问题。为了克服这些缺点，科学家们采用了WS2纳米片作为改性剂，以获得更高导电率、更大容量以及更好低温性能的产品。

二硫化钨纳米片是一种低维度的纳米材料，具有类似于石墨烯的层状结构和大表面积的特性。这些特性使得二硫化钨纳米片在锂离子电池正极材料的制备中具有多种优势。首先，WS2纳米片可以提供更多的活性物质反应位点，增加电池的容量和能量密度。其次，WS2纳米片的层状结构和良好的电导率有利于提高电池的充放电性能。此外，WS2纳米片还能限制电流的过度释放，提高电池的安全性。

在磷酸铁锂正极材料的改性中，二硫化钨纳米片通过改善材料的电化学性能和耐温性能来增强产品的抗高温性能与抗低温性能。具体来说，WS2纳米片可以提供更多的锂离子插层脱嵌通道，提高材料的导电率和容量。同时，WS2纳米片的热学性能和力学性能也得到了很好的提升，从而降低了自身发生化学反应的可能性，增强了特种锂电池的安全性。

除了在正极材料中的应用外，二硫化钨纳米片还可以用于制备新型锂电池的负极材料。研究表明，WS2纳米片具有较高的理论比容量、良好的循环稳定性和较低的制备成本等优点，有望成为下一代储能负极材料的理想选择。

6.7.2 锂电池正极材料用二硫化钨纳米管

6.7.3 锂电池负极材料用二硫化钨纳米片

6.7.4 锂电池负极材料用二硫化钨纳米管

6.7.5 锂电池电极材料用二硫化钨的挑战

6.8 钨酸钠在锂离子电池中的应用

6.8.1 锂电池负极材料用钨酸钠

6.8.2 锂电池电极材料用钨酸钠的挑战

6.9 钨酸锌在锂离子电池中的应用

6.9.1 锂电池负极材料用钨酸锌

6.9.2 锂电池电极材料用钨酸锌的挑战

6.10 钨酸锂在锂离子电池中的应用

6.10.1 锂离子电池正极材料用钨酸锂

6.10.2 锂离子电池负极材料用钨酸锂

6.10.3 锂电池电解质用钨酸锂

6.10.4 锂电池用钨酸锂的挑战

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《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（三）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二，下）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二，中）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二，上）》

《钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（一）》

 

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