纳米科技在锂电池中的应用
摘要：介绍了纳米材料在锂离子电池中的应用及进展情况。主要介绍了在锂离子电池中用作阴极材料的锰钡矿型MnO2纳米纤维、聚吡咯包覆尖晶石型LiMn2O4纳米管、聚吡咯/V2O5纳米复合材料，用作阳极材料的碳纳米管、纳米掺杂碳材料、纳米二氧化锡，用作固态电解质的纳米填料修饰聚氧乙烯基复合材料等几种新型纳米化学电源材料的制备、结构、形貌以及电化学性质。
引言:
90年代纳米材料在锂离子电池中的应用取得较大的发展。如以纳米材料、纳米复合材料作为嵌锂材料，由于其特殊的微观结构及形貌，有望更加有效地提高材料的可逆嵌锂容量和循环寿命。纳米活性材料所具有的比表面大、锂离子嵌入脱出深度小、行程短的特性，使电极在大电流下充放电极化程度小，可逆容量高，循环寿命长；纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间，使有机溶剂具有良好的相容性，同时也给锂离子的嵌入脱出提供了大量的空间，进一步提高嵌锂容量及能量密度。
已开发的用于锂离子电池的纳米材料有阴极材料锰钡矿型MnO2纳米纤维，聚吡咯（PPY）包覆尖晶石型LiMn2O4纳米管，纳米晶态VO2,TiO2，热解聚硅烷、聚硅氧烷、聚沥青硅烷，以及多种纳米复合材料，例如，PPY或聚苯胺（PANI）和V2O5或HMWO6~nH2O（M为.Ta或Nb）的复合物，聚氧乙烯（PEO）与AxMoO3的复合物，纳米分散锰盐PEO复合物，而将LiClO4或LiBF4以及纳米Al2O3，沸石或蒙脱石掺入PEO或其它导电聚合物可以获得用于锂离子电池的固态电解质。纳米碳材料和纳米二氧化锡材料则主要用作锂离子电池的阳极材料。另外，锰钡矿型MnO2纳米纤维还可以用作燃料电池的催化组分，纳米晶态VO2既可用作4V锂离子电池的阴极材料，又可作为阳极与LiMn2O4配对组成1.5V,水溶液锂离子电池。
在电池用纳米材料的研究开发中，某些制备方法易于进行工业放大和批量生产，纳米材料将可能成为新一代高性能化学电源的崭新材料。本文对几种新型纳米材料的制备、结构与形貌、电化学性能做简要介绍。
1 纳米科技在航天航空上的应用
一、纳米技术的简介
纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。
二、纳米技术的特性
（1）表面与界面效应
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。
（2）小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。
（3）量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。
本科毕业论文
纳米科技的应用及其发展
学 院
专 业 化学工程与工艺
年级班别
学 号
学生姓名
指导教师
2012 年 6 月 12日
1 目 录
摘要 .................................................................................................................................................................. 2
Abstract........................................................................................................................................................... 3
1 纳米科技的内涵及其发展原因 ................................................................................................................... 4
1.1 纳米技术的涵义 ............................................................................................................................... 4
1.1.1 纳米(Nanometer) .................................................................................................................. 4
纳米科技与纳米材料的应用现状 吴琴刘俊汪洋 （中国人民解放军武汉军械士官学校，湖北武汉４３００００） 摘要：纳米科技包括纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学这三个研究领域。纳米材料是纳米科技的基础，纳米材料是 一种新型的材料，具有特殊的光学、热学、磁学、力学等性能。本文分别阐释纳米科技与纳米材料的应用现状。 关键词：纳米科技；纳米材料；应用现状 一、纳米的相关定义 米固 隐身飞机 纳米是长度计量单位，１纳米等于 １Ｏ 米，形象地讲，１纳米的物体放到 １个乒乓球上，相当于１个乒乓球放在 地球上。２０世纪８Ｏ年代末纳米科技迅 速发展。１９８２年，宾尼希等人发明了 扫描隧道显微镜。该显微镜为人类进入 纳米世界打开了一扇更宽广的门。 二、纳米科技的应用现状 纳米科技指在纳米尺度（１～１００纳 米）上研究物质（包括原子、分子的 操纵）的特性和相互作用，以及如何利 用这些特性和相互作用的具有多学科交 叉性质的科学和技术。纳米科技用途广 泛，涉及领域多，体现多学科交叉性质 的前沿领域，包含纳米物理学、纳米电 子学等学科领域。 １．纳米电子学 量子元器件是纳米电子器件中最有 应用前景的。这种利用量子效应制作的 器件具有体积小、高速、低耗、电路简 化等优点。 ２．纳米材料学 由于纳米材料具有较大的界面，界 面的原子排列很混乱的，在外力变形的 条件下原子易迁移，因此纳米材料表现 出优越的韧性与延展性。陶瓷材料通常 呈脆性，而由纳米粒子压制成的纳米陶 瓷材料却有很好的韧性。 当前材料研究领域中最热门的纳米 材料是具有未来超级纤维之称的碳纳米 管，可做成纳米开关或极细的针头用于 给细胞“打针”等。纳米材料现已用 于研究太空升降机、纳米壁挂电视、纳 ’ ０５２ Ｉ雹圃圃 用原子、分子操纵技术、纳米加工 技术、分子自组装技术等新科技，科学 家们已经制造了纳米齿轮、纳米电池、 纳米探针、分子泵、分子开关和分子马 达等。美国康纳尔大学的科学家利用 ＡＴＰ酶作为分子马达，研制出了一种可 以进入人体细胞的纳米机电设备—— “纳米直升机”。 美国朗讯科技公司和英国牛津大学 的科学家用ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）制 造出了一种纳米级的镊子，每条臂长只 有７纳米。 还可用极微小部件组装一辆比米粒 还小，能够运转的汽车、微型车床，可 望钻进核电站管道系统检查裂缝；组装 提供化工使用的火柴盒大小的反应器； 组装驰骋未来战场上的纳米武器，如蚂 蚁士兵、蚊子导弹、苍蝇飞机、间谍草 等。 ２１世纪，纳米技术将广泛应用于 信息、医学和新材料领域。 三、纳米材料的应用现状 纳米材料是纳米科技的基础。纳米 材料是指在三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围或由它们作为基本单元构 成的材料。纳米材料大都是人工制备 的，属于人工材料，但是自然界中早就 存在纳米微粒和纳米固体，如陨石碎 片、牙齿皆由纳米微粒构成的。纳米材 料是一种新型的材料，具有以下优点： １．特殊的光学性能 １９９１年海湾战争中，美国Ｆ一１１７Ａ 型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包 含有多种纳米超微颗粒，强烈吸收不同 波段的电磁波来欺骗雷达，实现隐形， 成功地打击了伊拉克的重要军事目标。 ２．特殊的热学性能 固态物质在其形态为大尺寸时，熔 点固定，超细微化后将显著降低熔点， 当颗粒小于１Ｏ纳米量级时尤为显著。 ３．特殊的磁学性能 研究发现，鸽子、海豚、蝴蝶、蜜 蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体 中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在 地磁场导航下能辨别方向，具有回归的 本领。 ４．特殊的力学性能 陶瓷材料通常呈脆性，陶瓷水杯一 摔就碎，而由纳米超微颗粒压制成的纳 米陶瓷材料，可像弹簧一样具有良好的 韧性。研究表明，人的牙齿具有很高的 强度是由于它是由磷酸钙等纳米材料构 成的。纳米晶粒的金属要比传统的粗晶 粒金属硬３—５倍。金属～陶瓷复合纳 米材料的应用前景很广。 钱学森曾说：“纳米和纳米以下的 结构是下一阶段科技发展的一个重点， 会是一次技术革命，从而将是２１世纪 又一次产业革命。”在不久的将来，纳 米科技和纳米材料的发展和应用必将促 进人类文明的进步！ 参考文献： ［１］杨玉芬，陈清如．纳米材料的基本特 征与纳米科技的发展［Ｊ］．中国粉体 技术，２００２（０６）． ［２］翟华嶂，李建保，黄 勇．纳米材料 和纳米科技的进展、应用及产业化 现状口］．材料工程，２００１（１１）．
