隨著全球能源的減少和環(huán)境的惡化,開(kāi)發(fā)環(huán)保的新能源受到廣泛關(guān)注。其中,新能源材料起到了很大的引導(dǎo)和支撐作用。電池材料主要涉及正極、負(fù)極、電解液和相隔膜等,是蓄電、供電的重要部分。目前電池材料向納米級(jí)發(fā)展,納米材料具有特殊的微觀(guān)形貌及結(jié)構(gòu)、嵌鋰容量及能量密度高和循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。然而納米顆粒團(tuán)聚和大小的控制, 電極材料與電解液接觸面積小,電解液的緩蝕效果等問(wèn)題的解決都需用到表面活性劑。

一、在電池催化劑制作上的應(yīng)用

表面活性劑的分子由疏水基和親水基組成,其在溶液中可以形成有序組合體膠團(tuán)、反膠束、囊泡等,有序組合體可以作為“微反應(yīng)器”制備納米粒子。表面活性劑能使載體形成定向排列,從而防止納米微粒的團(tuán)聚,控制納米微粒大小,提高所制電極的電性能等。表面活性劑在制作電池催化劑、電極材料,作為緩蝕劑和電池的回收等方面發(fā)揮了重要的作用。

表面活性劑在制作離子交換膜燃料電池催化劑方面發(fā)揮著重要的作用,制作方法以微乳法為主。微乳法有正膠團(tuán)微乳液體系和反膠團(tuán)微乳液體系。

正膠團(tuán)微乳液體系的主要缺點(diǎn)是顆粒很難從微乳液中分離、提純,再有在制作過(guò)程中消耗大量。

反膠束法用在制作質(zhì)子交換膜燃料電池電催化劑中,與其他化學(xué)法相比,制備的粒子不易聚結(jié)，大小可控，分散性好。該方法設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單,是一種具有良好發(fā)展前途的納米粒子制備方法。

表面活性劑在反膠束法制備納米粒子中的作用主要有：(1)形成反膠束體系,控制粒子尺寸；(2)減小粒子團(tuán)聚；(3)控制粒子的形狀和晶型等等。

二、在制備電極材料中的應(yīng)用

在制備電極材料中目前用到的表面活性劑主要：有CTAB、2-乙基己烷磺基琥珀酸鈉、壬基酚聚氧乙烯醚(NPE)、環(huán)氧乙烷(EO)與環(huán)氧丙烷(PO)三嵌段共聚物EO100PO70EO100、P123(E020P070EO20)、PEO600、吐溫80、Span、TritonX-100、失水山梨醇單油酸酯、SDBS、SDS、環(huán)己烷和氟代烷基季銨鹽、油酸和4-苯乙烯磺酸鈉等。

常用的方法有相轉(zhuǎn)移法、沉淀法、自組裝法、模板法、溶膠-凝膠法等。

2.1 制作正極材料

用SDBS、CTAB、TritonX-100和Brij56[C16H33 (OCH2CH2)8H]可以制得不同結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的MnO2。用SDBS為模版制得的MnO2對(duì)電池循環(huán)性能有阻礙作用,CTAB只是輕微地提高電池的循環(huán)性能,TritonX-100有較好的放電容量和循環(huán)性能 ,而用Brij56作為電解液,用電沉淀法制得納米級(jí)MnO2正極材料表現(xiàn)出很好的循環(huán)性能和很高的放電容量。

P123,4-苯乙烯磺酸鈉,CTAB、油酸和煤油混合熔融液分別可用于制備鋰電池正電極材料。P123為模版,用溶膠-凝膠法制得LiCoO2電極有很好的循環(huán)性能,工藝簡(jiǎn)單,成本低。用4-苯乙烯磺酸鈉為模版,FeCl3為氧化劑,制得硫-聚吡咯(S-PPy)復(fù)合材料,用作電池Li/S-PPy的正極,循環(huán)性能、放電容量有很好的提高。用CTAB為模版,水熱法制得的LiFePO4作電池正極時(shí)其放電容量提高,成本降低,毒性減小。用油酸和煤油混合熔融液制得LiFePO4與納米級(jí)TiO2/石墨復(fù)合材料組成LiFePO4/TiO2復(fù)合電極,較傳統(tǒng)鋰電池有較低的能量密度,循環(huán)700次中幾乎沒(méi)有損失,電流效率可達(dá)100%,經(jīng)久耐用,成本低和安全性好。

由上可知,表面活性劑在制備正極材料中起到了很大的作用,尤其是油酸和煤油混和熔融液活性劑制備的LiFePO4/TiO2復(fù)合電極性能良好。

2.2 制作負(fù)極材料

表面活性劑不僅可以控制顆粒大小,使晶體排列有序,還可以控制孔隙度,提高所制電極的電性能。

Ulagappan等最早成功利用陽(yáng)離子表面活性劑2-乙基己烷磺基琥珀酸鈉為模板劑合成了錫基介孔材料,孔徑為3.2nm。經(jīng)陰離子表面活性劑CTAB修飾過(guò)的CuO表面,結(jié)構(gòu)呈有序針狀晶型,增大CuO和電解液的接觸面積 。調(diào)節(jié)CTAB的量可控制錫-磷酸鹽材料孔隙度,提高電池循環(huán)性能 。

復(fù)合表面活性劑具有緩蝕協(xié)同作用。用TritonX-100和正已醇的用量控制Cu-Sn顆粒的大小,制得的Cu-Sn納米粒子組裝成鋰離子電池陽(yáng)極,有著較高的循環(huán)容量和可逆比容量。含聚氧乙烯基的非離子表面活性劑和氫氧化銦復(fù)合添加劑能夠明顯減緩電池的自放電,同時(shí)改善可充堿錳電池的電化學(xué)性能。用含P123的乙醇溶液中制得納米二氧化錫/碳復(fù)合材料和納米錫基氧化物/碳復(fù)合材料,將其作為鋰離子電池負(fù)極和一般納米錫基材料相比,顯示出更加優(yōu)良的循環(huán)性能。

審核編輯：湯梓紅