喷雾干燥技术在锂离子电池中的应用分享

作为最先进的二次电池，锂离子电池在索尼公司于 20 世纪 90 年代初推出以锂钴为负极材料电池后，一直占据着消费电子市场。锂离子电池高效运行的关键在于富锂离子的电解质与电极中活性材料颗粒之间的有效接触。电极材料的颗粒特性影响锂离子的扩散路径、扩散阻力、与活性材料的接触面积、电化学性能和电池的能量密度。为了使锂离子电池达到满意的综合性能，不仅要注重材料的改性，而且要平衡电极材料颗粒的性能。

因此，本文将从三个方面分析颗粒特性对电池性能的影响：颗粒尺寸、颗粒分布和颗粒形状。深入了解粒子对电极和电池的作用和机理，将有助于开发和制造实用的锂电池。

锂电池本质上是锂离子在两个电极之间反复循环 “流动”，锂离子会不断地被脱嵌和嵌入到正负极材料中，这是电极材料颗粒与电解液接触和反应的过程。因此，锂化和脱锂过程受电极材料颗粒特性的影响。由于电极中活性物质粒子的高比表面积，以及传输和化学转化中多层次结构的多样性，平衡粒子的性能成为实际 LIBs 技术突破的关键。颗粒的形态和尺寸影响锂离子的扩散路径、扩散阻力以及活性材料与电解质的接触面积，进而影响 LIBs 的电化学性能。

较小的粒子通常具有较短的从粒子内部到表面的路径，而球形粒子可以提供较大的接触面积并提高电极中的活性物质含量。同时，颗粒大小分布对电极材料颗粒的堆积有直接影响，这种空间效应会影响锂离子的脱嵌，从而影响电池性能。

下图作者使用八卦图的方式，展示平衡理念，非常形象的描述了离子颗粒特性的几个因素。更多内容请阅读原文献内容。

锂离子、钠离子及相关电池中电极材料的性能不仅取决于其化学成分，还取决于其微观结构。因此，合成方法的选择至关重要的。在各种各样的合成或成型路线中，报道了越来越多的组合方法，喷雾干燥作为一种多功能工具脱颖而出，提供了扩大到工业级别的潜力。

在这篇文章中，概述了迅速增加的文献研究数量，包括溶液的喷雾干燥和悬浮液的喷雾干燥。并特别关注待喷雾干燥的溶液/悬浮液配方的化学方面；也考虑了喷雾干燥前驱体的后处理以及由此产生的颗粒形态。在表格中引用了 300 多种出版，其中条目根据最终化合物组成、起始材料、碳来源等列出。

作者建议，关于电极材料的合成，应从早期阶段考虑将结果从克级的实验室规模转移到公斤级工业规模的可能性。这在电极材料研究中尤其重要，因为在从小批量到大批量或连续生产时，由于传热问题，微观结构通常是放大时受影响最大的特性之一。容易放大是喷雾干燥的优势之一，这是一种通用且强大的技术，其在食品和制药行业已成为经典的方法，最近已扩展到电极材料领域的研究。

下图来源原文献中：

喷雾干燥发表文献&喷雾干燥原理介绍

喷雾干燥微观颗粒形态

喷雾干燥流程示意图

喷雾干燥技术是一种适用于各种先进材料规模化生产的工艺。广泛应用于材料、化学、食品和制药工业领域。该方法具有连续性、可扩展性、成本低、易于产业化等特点。

它提供了生成具有特殊结构的功能性粉末的能力，例如复合材料、核壳或封装颗粒等。最近的实验室规模研究集中在开发：

本文综述了这些应用领域的研究进展，并强调了实验室规模的喷雾干燥在相应的先进材料加工路线中的重要性。

BUCHI 经典实验室喷雾干燥仪 B-290 示意图

不同电极材料合成路线

具有精确控制工程的过渡金属磷化物（TMP）材料的微/纳米结构调控的新型合成方法的发展对于实现其在电池中的实际应用至关重要。本研究采用喷雾干燥技术构建了三维（3D）N,P 共掺杂石墨烯（G-NP）微球，微球内嵌 CoP@C 和 MoP@C 两种核-壳型纳米粒子（CoP@C ? G-NP, MoP@C ? G-NP）。

这种有意义的设计显示了微观结构 G-NP 和核壳 CoP@C/MoP@C 纳米粒子系统的化学性质之间的密切相关性，这有助于锂离子电池（LIBs）中的负极性能。所获得的结构具有通过共掺杂杂原子（N,P）制备的稳定的多孔 G-NP 骨架，该骨架具有三维导电高速通道，允许离子和电子快速通过并保持材料的整体结构完整性。内部碳壳可有效抑制体积变化并防止 CoP/MoP 纳米颗粒聚集，提供出色的机械稳定性。

因此，CoP@C ? G-NP 和 MoP@C ? G-NP 复合材料在 0.1 A g^-1 的电流密度下具有 823.6 和 602.9 mAh g^-1 的高比容量；在 1 A g^-1 下，500 次和 800 次循环后，比容量为 438 和 301mAh g^-1，表现出及其出色的循环稳定性。

下面为原文献截图：

制备工艺示意图

电化学性能测试

本研究开发了剥离石墨烯包裹的介孔氧化铜镍（CNO）纳米复合材料，采用快速喷雾干燥技术，通过石墨烯纳米片（GNSs）均匀包裹了分层介孔 CNO 纳米砌块，其协同效应有效地保护了电活性物质免受充放电过程引起的体积变化影响。由于脱落的石墨烯片的笼化效应产生的有趣结构和形态特征，这些 3D/2D CNO@GNS 纳米复合微球有望作为高性能锂离子电池的负极材料。

它们表现出前所未有的电化学行为，如高可逆比容量（在低 0.1 mA g^-1 下的初始放电容量超过 1700 mAh g^-1； 在 1 和 5 mA g^-1 下，800 次和 1300 次循环后，比容量为 850 和 730 mAh g^-1；在超过 2000 次循环 10 mA g^-1 的非常高的电流密度下，比容量仍高于 400 mAh g^-1），出色的库伦效率和长期稳定性（超过 3000 次循环，容量保持率＞55%）。与通过传统技术制备的大多数过渡金属氧化物和纳米复合材料相比，其在高电流密度下是显著的。

这种简单而创新的材料设计对开发用于锂离子电池或其他储能设备的先进转换材料具有启发意义。

喷雾干燥技术制备高度稳定的纳米硅负极。硅基材料是下一代锂离子电池理想的负极材料；然而，在充放电过程中，硅的体积变化很大，导致电极断裂和固体不稳定?电解质界面（SEI）层，严重影响其稳定性和库仑效率。新兴的 2D MXene 由于其有趣的表面物理化学特性，在电催化领域得到了广泛的研究。

本研究将硅纳米颗粒封装在坚固的微米级 MXene 框架中，其中 MXene 纳米片通过毛细管压缩力作用力下发生预褶皱，以有效缓冲体积变化，另外通过简单的热自交联反应在相邻纳米片之间形成了丰富的共价键（Ti?O?Ti）进一步保证了 MXene 框架相邻薄片的坚固性。

这两个因素都稳定了电极结构。此外，在充放电循环时， MXene 纳米片上丰富的氟/F封端基团有助于在框架外原位形成高度紧凑、耐用且机械坚固的富含 LiF 的电解质界面（SEI）层，这不仅抑制了 Si 和有机电解质之间的副反应，还增强了 MXene 框架的结构稳定性。

得益于这些优点，本研究所制备的阳极具有高达 1797 mA h/g 的高比容量，并且 500 次循环后，高容量保持率为 86.7%，平均库仑效率为 99.6%。可以说，这项工作为其它具有强烈体积效应的高容量电极材料提供了思路。

高镍层状材料由于具有高比容量等优点，已被广泛作用锂离子电池的正极材料。然而，传统的共沉淀法存在生产周期长、污水污染等缺点，因此开发一种高效、环保的合成方法具有重要意义。基于此，本文以醋酸盐为原料，采用喷雾干燥法成功合成了 LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 材料，并研究了喷雾溶液浓度对电化学性能的影响。XRD、SEM 和 EDS 测试结果表明，合成的 LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 材料样品具有层状晶体结构，一次粒子堆积形成二次球形粒子微观结构、组分分布均匀。

恒电流充放电测试结果表明，高浓度溶液制备的样品表现出优异的循环性能，初始放电容量为 199.3 mAh g^-1,在 2.8-4.3 V 下循环 300 次后容量保持率高达 83%，电流密度为 1C（1C=180 mAh g^-1 ）。

电池制备工艺图

本文采用喷雾干燥法（进、出口温度分别为 160℃ 和 110℃）结合低温还原技术制备了硅@石墨烯复合材料作为负极材料。通过改进的 Hummers 方法合成了氧化石墨烯材料，并超声波处理将氧化石墨烯粉末分散到 5% 的乙醇溶液中。并在剧烈搅拌下将纳米硅粉末均匀地分散到氧化石墨烯悬浮液中形成硅@石墨烯复合材料。XRD 结果表明复合材料由硅和石墨烯组成，并经 FT-IR 和拉曼光谱验证。

 SEM 和 TEM 结果表明，硅@石墨烯粉末为微米级别的球形颗粒，石墨烯片包裹了纳米硅颗粒。硅@石墨烯复合材料显示出优良的电化学性能，当硅和氧化石墨烯的质量比在 1：4 时，可表现出最佳的电化学性能，在100 mAh g^-1 时具有 1298.1 mAh g^-1 的高初始充电容量。此外，该样品表现出良好的倍率性能，这表明它是一种很有前途的锂离子电池负极材料。