钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二十二）
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- 分类：钨业新闻
- 发布于 2024年6月28日 星期五 17:15
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第Ⅲ部分 钼在新能源电池市场的介绍
第二十二章 钼在电池中的技术挑战与解决方案
据中钨在线/中钨智造了解，氧化钼、二硫化钼、二硒化钼、碳化钼等钼化合物均可以应用在电池中。在电池中的应用，尤其是在提高电池性能和储能能力方面，展现出巨大的潜力。然而，其在实际应用中仍面临一系列技术挑战。
导电性能不足：钼基材料大多属于半导体，不利于电子的快速传输，这会影响电池在大倍率下的充放电性能。特别是在需要高电流密度的应用场景下，钼基材料的导电性能成为制约其应用的瓶颈。
稳定性问题：钼基材料在充放电循环过程中可能会出现稳定性下降的情况，导致电池容量衰减和循环寿命缩短。这一问题在锌锰电池中尤为突出，由于MnO2存在反应动力学慢和稳定性较差的问题，严重限制了锌锰电池的实际应用。
体积膨胀：在某些电池体系中，如锂硫电池，硫电极在充放电过程中会发生体积膨胀，导致电极结构破坏和电池性能下降。钼基材料作为硫电极的支撑材料，需要具备一定的体积缓冲能力。
材料成本：高纯度的钼基材料制备成本较高，这限制了其在低成本电池中的应用。
为了解决钼在电池应用中的问题，研究者提出了以下几种解决方法：
一、提高导电性能
（1）将钼基材料纳米化，缩短离子及电子的传输距离，从而提高材料的导电性能。
（2）与碳材料复合，利用碳材料的高导电性提升钼基材料的整体导电性能。例如，通过构筑复合结构，利用碳材料的柔性缓解晶格嵌锂引发的体积膨胀效应，提高结构稳定性。
（3）通过组分调控、结构形貌调控、自组装等方法制备一系列钼基纳米复合材料，以期实现新结构高性能电池材料的构筑与应用。
二、增强稳定性
（1）通过元素掺杂（如钼掺杂二氧化锰电极材料）和有机物改性等方法，改善MnO2电极材料的稳定性和反应动力学性能。
（2）针对钼基材料在充放电循环中的稳定性问题，可以通过优化电池结构和电解液配方，减少活性物质的损失和腐蚀，从而提高电池的循环稳定性。
三、缓解体积膨胀
在锂硫电池中，通过设计合理的硫正极结构，如采用多孔碳材料作为硫的载体，缓解硫电极在充放电过程中的体积膨胀。同时，可以利用钼基材料的体积缓冲能力，通过制备钼基复合材料来进一步提高硫电极的稳定性。
四、降低材料成本
研究低成本钼基材料的制备工艺，如采用化学气相沉积、溶胶凝胶法等低成本方法制备钼基纳米材料。探索钼基材料的回收利用技术，降低生产成本并减少对环境的污染。
钼在电池中的应用前景广阔，但也面临着导电性能不足、稳定性问题、体积膨胀和材料成本等挑战。通过提高导电性能、增强稳定性、缓解体积膨胀和降低材料成本等解决方案，可以进一步推动钼在电池领域的应用和发展。
22.1 氧化钼在电池中的挑战与解决方案
随着能源危机和环境问题的日益严重，电池技术作为新能源领域的重要组成部分，其性能的提升和成本的降低一直是研究的热点。氧化钼作为一种潜在的电极材料，因其独特的物理和化学性质而受到广泛关注。然而，氧化钼在电池中的应用也面临着诸多挑战。
一、氧化钼在电池中的挑战
（1）离子电导率和电子电导率差
氧化钼在电池中的离子电导率和电子电导率相对较低，这极大地限制了其电化学性能。离子电导率关系到电池中离子在电极材料中的迁移速度，而电子电导率则关系到电子在材料中的传输效率。在高倍率充放电过程中，这种较差的离子和电子传输能力成为了氧化钼性能提升的瓶颈。当电池需要快速充放电时，由于离子和电子在氧化钼中的传输速度较慢，会导致电池内部电阻增大，进而影响电池的功率密度和能量效率。
为了解决这一问题，研究者们正在探索各种方法，如通过纳米化技术提高氧化钼的比表面积，缩短离子和电子的传输路径；或者通过掺杂其他元素（如碳、氮、硫等）来提高氧化钼的导电性。这些方法都有望在一定程度上提高氧化钼的离子电导率和电子电导率，进而改善其在电池中的电化学性能。
（2）不可逆相变和体积变化大
在电池充放电过程中，氧化钼会发生不可逆的相变和体积变化。这种变化会导致电极材料的结构破坏和容量衰减，尤其是在长期循环使用过程中，这种不可逆变化会加剧，严重影响电池的寿命和性能。当电池进行充放电循环时，氧化钼的晶体结构会发生变化，导致材料的体积膨胀或收缩。这种体积变化不仅会导致电极材料的机械稳定性下降，还可能引起电极与电解液之间的接触不良，进一步降低电池的性能。
为了解决这一问题，研究者们正在尝试通过设计合理的复合结构来减少氧化钼的体积变化。例如，可以将氧化钼与其他具有较好机械稳定性和较小体积变化的材料（如碳纳米管、石墨烯等）进行复合，以提高电极材料的整体稳定性。此外，还可以通过优化电池的设计和管理策略来减少充放电过程中的体积变化对电池性能的影响。
（3）稳定性差
二氧化钼（MoO₂）在电池充放电过程中，由于锂离子的嵌入和脱出，其晶体结构易发生不可逆的变化和相变。这种结构的不稳定性会导致电极材料的性能衰减，进而影响电池的整体性能。具体来说，当锂离子嵌入到MoO₂中时，其晶格结构会发生变化，导致材料的体积膨胀；而在锂离子脱出时，材料体积又会收缩。这种反复的体积变化会导致材料内部产生裂纹和缺陷，从而降低其稳定性和循环寿命。
挑战分析：根据相关研究，二氧化钼在充放电过程中的体积变化率可达数百分比，这远高于其他电极材料。这种大体积变化不仅会导致电极材料的结构破坏，还会引起电极与电解液之间的接触不良，进一步降低电池的性能。
（4）循环性能不佳
由于二氧化钼在充放电过程中存在较大的体积变化，其循环性能通常较差。这意味着在多次充放电循环后，电池的容量和性能会迅速衰减。
挑战分析：循环性能是评价电池性能的重要指针之一。对于电动汽车等需要长时间、高频率充放电的应用场景来说，电池的循环性能尤为重要。然而，由于MoO₂的体积变化问题，其循环性能往往无法满足这些应用的需求。
（5）制备工艺复杂且成本高
目前，氧化钼的制备工艺相对复杂，且成本较高。这限制了其在电池中的大规模应用。复杂的制备工艺不仅增加了生产成本，还可能导致产品质量的不稳定。此外，高昂的成本也使得氧化钼在与其他电极材料竞争时处于不利地位。
为了降低氧化钼的制备成本和简化制备工艺，研究者们正在探索新的制备方法和优化现有的制备工艺。例如，可以采用水热法、溶胶凝胶法等简单高效的制备方法；或者通过优化反应条件、添加助剂等手段来降低生产成本和提高产品质量。此外，还可以通过开发新型的氧化钼复合材料来降低整体成本，同时提高电池的性能。
二、解决方案
针对氧化钼在电池中面临的挑战，以下是几种可能的解决方案，旨在提高其电化学性能、降低成本并优化制备工艺。
（1）纳米化改性
纳米化改性是提高氧化钼电化学性能的有效手段。纳米材料因其独特的物理和化学性质，如较大的比表面积和较短的离子传输路径，而展现出优异的电化学性能。通过纳米化改性，氧化钼的比表面积得到显著增加，这有利于活性物质与电解液的充分接触，从而提高电池的容量和充放电效率。此外，纳米化还可以减少锂离子在材料中的扩散长度，降低电荷转移的路径，进而提升电池的电化学性能。
方法：可采用物理或化学方法制备纳米级氧化钼材料，如使用溶胶凝胶法、水热法、化学气相沉积法等。这些方法可以控制纳米材料的形貌、尺寸和晶相，从而优化其电化学性能。
预期效果：纳米化改性后的氧化钼材料将具有更高的离子电导率和电子电导率，同时减少不可逆相变和体积变化的发生，提高电池的循环稳定性和寿命。
（2）杂原子掺杂
杂原子掺杂是另一种提高氧化钼电化学性能的有效方法。通过引入碳、氮、硫等杂原子，可以引入新的电荷载体和活性位点，提高材料的导电性和离子传输能力。同时，杂原子掺杂还可以调节材料的电子结构和化学性质，提高材料的稳定性和循环寿命。
方法：可以采用化学气相沉积、物理气相沉积或溶液法等方法进行杂原子掺杂。通过控制掺杂元素的种类和浓度，可以优化材料的电化学性能。
预期效果：杂原子掺杂后的氧化钼材料将具有更高的导电性和离子传输能力，从而提高电池的功率密度和能量效率。同时，掺杂还可以提高材料的稳定性和循环寿命，延长电池的使用寿命。
（3）引入碳纳米管或石墨烯等导电材料
原理与效果：碳纳米管（CNTs）和石墨烯具有优异的导电性和机械强度，当它们与二氧化钼复合时，可以有效提高复合材料的导电性和稳定性。碳纳米管或石墨烯的高比表面积和优异的电子传输能力，能够有效地分散和支撑二氧化钼纳米颗粒，减少其体积变化对性能的影响。
实施方法：可以通过物理或化学方法将碳纳米管或石墨烯与二氧化钼进行复合。例如，利用溶液共混法将碳纳米管或石墨烯与二氧化钼前驱体溶液混合，然后通过热处理或化学还原等方法得到复合材料。
相关研究支持：碳纳米管负载二氧化钼纳米点（CNTs-MoO₂）通过CNTs的限域效应调控MoO₂纳米点的生长，提高MoO₂的分散性和稳定性。这种复合材料在能源转换、存储和传感器等领域具有潜在应用。
（4）制备工艺优化
优化制备工艺是降低氧化钼制备成本和质量控制难度的关键。通过采用简单高效的制备方法、控制反应条件和添加助剂等手段，可以优化材料的结构和性能，同时降低生产成本。
方法：可以采用水热法、溶胶凝胶法等简单高效的制备方法。这些方法具有操作简单、成本低廉、产率高等优点。同时，通过控制反应温度、时间、pH值等条件，以及添加适量的助剂，可以优化材料的结构和性能。
预期效果：优化制备工艺后的氧化钼材料将具有更好的结构和性能稳定性，同时降低生产成本和质量控制难度。这将有助于推动氧化钼在电池领域的大规模应用和发展。
22.1 氧化钼在电池中的挑战与解决方案
22.2碳化钼在电池中的挑战与解决方案
22.3 氮化钼在电池中的挑战与解决方案
22.4 二硫化钼在电池中的挑战与解决方案
二硫化钼（MoS2）因其独特的物理和化学性质，在锂离子电池、钠离子电池、燃料电池及其他电池中都有广泛应用。不过，在应用时存在一定的挑战。
一、二硫化钼在锂离子电池中的挑战
二硫化钼在锂离子电池的充放电循环中，尤其是在高电流密度或高温条件下，容易遭受结构破坏和分解，导致电池循环稳定性降低。此外，其锂化产物Li2S在充放电过程中可能会与电解液发生副反应，形成不稳定的接口层，进一步加剧电池性能的衰减。
二硫化钼的导电性相对较差，这限制了其作为锂离子电池电极材料的高倍率性能。在快速充放电过程中，由于电子传输速度的限制，电池内阻增大，导致电池性能下降。
为了解决上述的问题，研究者提出了几种解决方法：表面改性、纳米化与复合材料设计。
表面改性：通过在二硫化钼表面引入有机分子或无机物质，形成稳定的固体电解质接口（SEI）膜，可以有效防止电极材料与电解液的直接接触，减少副反应的发生，提高电池的循环稳定性。例如，利用十八烷分子等有机分子对MoS2进行表面修饰，可以形成一层稳定的SEI膜，保护电极活性物质。
纳米化：利用纳米技术制备二硫化钼纳米片或纳米颗粒，可以显著提高材料的比表面积和反应活性。纳米化的MoS2在锂离子电池中表现出更高的容量和更好的倍率性能。此外，纳米化还可以改善材料的导电性，降低电池内阻，提高电池性能。
复合材料设计：将二硫化钼与导电性良好的材料（如石墨烯、碳纳米管等）进行复合，可以形成具有优异电化学性能的复合材料。这些复合材料不仅继承了MoS2的高容量和良好循环稳定性，还提高了材料的导电性和倍率性能。例如，将MoS2纳米片与石墨烯复合，可以形成具有高导电性和高容量的复合材料，适用于高性能锂离子电池的电极材料。
二、二硫化钼在钠离子电池中的解决方法
二硫化钼在钠离子电池中的容量衰减是其面临的主要挑战之一。由于钠离子在嵌入和脱出过程中可能引发MoS2的结构变化，导致其容量随循环次数的增加而迅速下降。
在钠离子嵌入和脱出的过程中，二硫化钼的层状结构容易发生变化，这种结构的不稳定性进一步加剧了容量的衰减，并可能导致电池性能的整体下降。
为了解决上述的问题，研究者提出了几种解决方法：掺杂改性、结构设计与复合材料开发。
掺杂改性：通过在二硫化钼中掺杂其他元素（如硫、氮等），可以改变其电子结构和化学性质，从而提高其结构稳定性和电化学性能。例如，硫掺杂石墨烯与MoS2的复合材料（MoS2/SG）在钠离子电池中表现出较高的可逆容量和循环稳定性。
结构设计：利用纳米技术设计具有特殊结构的二硫化钼材料，如多孔结构、中空结构等，可以提高材料的比表面积和反应活性，同时抑制结构在钠离子嵌入和脱出过程中的变化。例如，MoS2超薄纳米片与硫化亚锡纳米点以共价键组装的中空超结构，不仅增强了片层间的作用力，还提高了材料的机械稳定性和电子传输效率。
复合材料开发：将二硫化钼与钠离子电池中常用的负极材料（如硬碳、钛酸盐等）复合，可以形成具有优异电化学性能的复合材料。这种复合材料能够结合不同材料的优点，提高电池的整体性能。
22.5 二硒化钼在电池中的挑战与解决方案
22.6 钼酸盐在电池中的挑战与解决方案
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