第Ⅱ部分 鎢在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第六章 鎢在鋰離子電池中的應(yīng)用
隨著電動(dòng)汽車、移動(dòng)設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，鋰離子電池的需求不斷增加。鋰離子電池具有高能量密度、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成爲(wèi)當(dāng)今主流的電池類型之一。然而，隨著人們對(duì)電池性能要求的不斷提高，鋰離子電池的能量密度、安全性和循環(huán)壽命等方面仍需不斷改進(jìn)和完善。
鎢在鋰離子電池中的應(yīng)用近年來引起了廣泛的關(guān)注。作爲(wèi)一種具有優(yōu)異性能的材料，鎢基材料如納米鎢酸、納米三氧化鎢、針狀紫色氧化鎢、二硫化鎢納米片等具有潛在的高能量密度、良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，被認(rèn)爲(wèi)是下一代鋰離子電池的理想電極材料添加劑。
中鎢在綫納米紫色氧化鎢圖片
鎢基材料作爲(wèi)理想電極材料的原因：一是鎢基材料具有較高的能量密度，這意味著可以提供更高的儲(chǔ)能密度，從而增加電池的續(xù)航能力。二是鎢基材料的良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)性能，可以延長電池的壽命。三是鎢基材料具有較低的膨脹係數(shù)和較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以避免電池在使用過程中因體積變化而引起的結(jié)構(gòu)破壞和安全隱患。四是鎢基材料具有較高的電導(dǎo)率和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，可以提供更快的充放電速度和更高的能量轉(zhuǎn)換效率。
據(jù)中鎢在綫/中鎢智造瞭解，在“2018年橫濱人車科技展”上，日本東芝展示出了一款使用紫色氧化鎢超細(xì)粉末生産的負(fù)極材料，能使鋰離子電池實(shí)現(xiàn)超快速充電。2023年，英國電池初創(chuàng)公司展示了一款基于蓮花Elise的概念電動(dòng)車，該電動(dòng)車采用了新型的鈮鎢氧化物電池技術(shù)，可以在短短6分鐘內(nèi)充滿電。
目前，針對(duì)鎢基電極材料的研究主要集中在製備方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化等方面。其中，納米結(jié)構(gòu)鎢基電極材料的研究是一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。納米結(jié)構(gòu)的鎢基材料可以提供更高的比表面積和更快的離子傳輸通道，從而進(jìn)一步改善電池的性能。此外，研究人員還在探索新型的鎢基複合電極材料，如鎢碳複合材料、鎢氮複合材料等。這些複合材料可以結(jié)合不同材料的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化電極的性能。
未來，隨著對(duì)鎢基電極材料的深入研究和新材料的不斷涌現(xiàn)，鎢基材料在鋰離子電池中的應(yīng)用前景廣闊。然而，仍需解決一些關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)問題。例如，進(jìn)一步優(yōu)化鎢基電極材料的製備工藝和降低成本；深入研究電極材料的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制和失效機(jī)理；提高鎢基電極材料的可逆容量和循環(huán)壽命等。此外，還需要加強(qiáng)與産業(yè)界的合作，推動(dòng)鎢基電極材料的實(shí)際應(yīng)用和産業(yè)化進(jìn)程。
6.1 納米鎢酸在鋰離子電池中的應(yīng)用
納米鎢酸（H2WO4或WO3·H2O）作爲(wèi)一種新型的納米材料，通常是指三氧化鎢和水的比值爲(wèi)1:1的一種過渡金屬化合物，因其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的性能，在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在鋰離子電池領(lǐng)域中，納米鎢酸也被認(rèn)爲(wèi)是一種很有前途的電極材料添加劑。
中鎢在綫納米鎢酸圖片
傳統(tǒng)的鋰電池負(fù)極材料主要由石墨等碳材料組成，但是這些材料的容量和充放電效率相對(duì)較低。納米鎢酸作爲(wèi)電極材料的添加劑可以增加電極的比表面積，提高電極的容量和充放電效率。同時(shí)，納米H2WO4還可以通過控制形貌和結(jié)構(gòu)來優(yōu)化其電化學(xué)性能，提高鋰離子電池的能量密度和功率密度。
納米鎢酸的尺寸在納米級(jí)別，具有很高的比表面積和良好的電導(dǎo)性。這些性質(zhì)使得納米H2WO4在電化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化性能和電導(dǎo)性，可以有效地提高鋰電池的電化學(xué)性能。
納米鎢酸還具有良好的離子導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性。在鋰離子電池中，離子導(dǎo)電性對(duì)于電池的倍率性能和充放電效率具有重要影響。納米鎢酸的高離子導(dǎo)電性可以降低電池的內(nèi)阻，提高倍率性能和充放電效率。同時(shí)，納米H2WO4還可以在高溫和高電壓條件下穩(wěn)定存在，增加電池的安全性和穩(wěn)定性。
6.1.1 鋰電池正極材料用納米鎢酸
6.1.2 鋰電池負(fù)極材料用納米鎢酸
6.1.3 鋰電池電極材料用納米鎢酸的挑戰(zhàn)
6.2 納米黃色氧化鎢在鋰離子電池中的應(yīng)用
6.2.1 鋰電池正極材料用納米黃色氧化鎢
6.2.2 鋰電池負(fù)極材料用納米黃色氧化鎢
6.2.3 鋰電池電極材料用納米黃色氧化鎢的挑戰(zhàn)
6.3 納米紫色氧化鎢在鋰離子電池中的應(yīng)用
6.3.1 鋰電池正極材料用納米紫色氧化鎢
6.3.2 鋰電池負(fù)極材料用納米紫色氧化鎢
爲(wèi)了延長新型電動(dòng)車的使用壽命，改良其動(dòng)力鋰電池負(fù)極材料的性能是非常關(guān)鍵的。製造商們一直在尋找能夠提高負(fù)極材料性能的有效物質(zhì)。在這個(gè)過程中，紫色氧化鎢超細(xì)顆粒成爲(wèi)了一個(gè)備受關(guān)注的選項(xiàng)。
紫色氧化鎢超細(xì)顆粒是一種納米材料，具有顆粒尺寸小、分散均勻、不易團(tuán)聚、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等特點(diǎn)。這種材料在作爲(wèi)鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，具有許多優(yōu)勢(shì)。紫色氧化鎢的納米尺寸可以提供更大的比表面積和更快的離子傳輸通道，進(jìn)而能夠有效地增大材料儲(chǔ)存鋰離子的空間，加快離子的氧化還原反應(yīng)速率。這可以緩解鋰枝晶的生長問題，降低電池容量的衰減速度。
鋰枝晶的生長是鋰離子電池中常見的問題之一。當(dāng)鋰離子在遷移到負(fù)極表面時(shí)，部分鋰離子沒有進(jìn)入負(fù)極活性物質(zhì)中形成穩(wěn)定的化合物，而是獲得電子後沉積在負(fù)極表面成爲(wèi)金屬鋰。這些金屬鋰的沉積會(huì)導(dǎo)致電池容量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣姵囟搪泛捅ā?/p>
鋰枝晶圖片
除了以上提到的優(yōu)點(diǎn)外，紫色氧化鎢還具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性等優(yōu)點(diǎn)。這些特性使得WO2.72可以作爲(wèi)負(fù)極材料的添加劑，提高電池的安全性、循環(huán)壽命和倍率性能等。
總之，紫色氧化鎢超細(xì)顆粒具有較大的比表面積和較強(qiáng)的化學(xué)擴(kuò)散性能，因此被認(rèn)爲(wèi)是製備電池負(fù)極材料的優(yōu)選原料。它可以在一定程度上緩解鋰枝晶的生長問題，從而提高電池的循環(huán)壽命和安全性。此外，紫色氧化鎢還可以改善電池的倍率性能和能量密度，使得電池具有更高的功率輸出和更長的續(xù)航里程。
然而，雖然紫色氧化鎢在負(fù)極材料中的應(yīng)用前景廣闊，但目前仍處于研發(fā)階段。未來需要進(jìn)一步研究其製備工藝、性能優(yōu)化以及在電池製造中的應(yīng)用等方面的問題。同時(shí)，還需要考慮其與其他材料的兼容性和成本等因素，以實(shí)現(xiàn)其在電動(dòng)車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
據(jù)中鎢在綫/中鎢智造瞭解，在“2018年橫濱人車科技展”上，日本東芝展示出了一款使用紫色氧化鎢超細(xì)粉末生産的負(fù)極材料，能使鋰離子電池在短時(shí)間內(nèi)快速充電，同時(shí)保持長壽命。東芝的這款新鋰離子電池除了具有快速充電和長壽命的特點(diǎn)外，還具有較高的能量密度和良好的安全性。這些優(yōu)點(diǎn)使得這款電池可以用于汽車領(lǐng)域，爲(wèi)電動(dòng)汽車提供更長的續(xù)航里程和更快的充電速度；也可以用于微型/輕度混合動(dòng)力火車、電梯等領(lǐng)域，提供可靠的能源存儲(chǔ)設(shè)備；還可以用于不斷電供應(yīng)系統(tǒng)UPS和大電流電源等領(lǐng)域，提供高效、可靠的儲(chǔ)能解決方案。
6.3.3 鋰電池電極材料用納米紫色氧化鎢的挑戰(zhàn)
6.4 二氧化鎢在鋰離子電池中的應(yīng)用
6.4.1 鋰電池正極材料用二氧化鎢
6.4.2 鋰電池負(fù)極材料用二氧化鎢
6.4.3 鋰電池電極材料用二氧化鎢的挑戰(zhàn)
6.5 鈮鎢氧化物在鋰離子電池中的應(yīng)用
鈮鎢氧化物（Niobium Tungsten Oxide，NTO）是一種由鈮（Nb）和鎢（W）與氧（O）組合而成的化合物，具有正交相晶體結(jié)構(gòu)，幷擁有較大的空位尺寸，被認(rèn)爲(wèi)是一種潛力巨大的鋰離子電池負(fù)極材料。
鈮鎢氧化物作爲(wèi)一種新型的負(fù)極材料，具有高容量、長循環(huán)壽命和良好的倍率性能等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地提高鋰離子電池的性能，如能量密度、循環(huán)壽命、安全性等。NTO材料高容量和長循環(huán)壽命主要得益于其穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)和較大的空位尺寸，這使得鋰離子在充放電過程中能夠快速進(jìn)出電極材料，幷減少了電極材料的粉化或脫落等問題。
IT之家最新消息顯示，英國電池初創(chuàng)公司（Nyobolt）近年來展示了一款基于蓮花Elise的概念電動(dòng)車，該車采用了新型的鈮鎢氧化物電池技術(shù)，可以在短短6分鐘內(nèi)充滿電。這一創(chuàng)新技術(shù)有望大幅度提升電動(dòng)車的效率和性能，進(jìn)而能有效緩解現(xiàn)有電動(dòng)車充電時(shí)間長、續(xù)航里程短的問題。
Nyobolt的鈮電池技術(shù)源自劍橋大學(xué)的研究，使用了鈮鎢氧化物作爲(wèi)鋰電池的負(fù)極材料。研究表明，鈮鎢氧化物的電化學(xué)性能與其晶體結(jié)構(gòu)、隧道尺寸有著密切關(guān)係：五邊形NTO材料的隧道尺寸較大，因而能使電池?fù)碛辛己玫谋堵市阅?；四邊形NTO材料因有獨(dú)特的開放式晶體，而具有較強(qiáng)的鋰離子存儲(chǔ)能力，能使電池?fù)碛休^高的容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。另外，多孔微米球結(jié)構(gòu)可以使電解液與NTO材料充分接觸，增加電解液的滲透能力，減小界面電阻。
總之，鈮鎢氧化物作爲(wèi)一種新型的鋰離子電池負(fù)極材料，具有高容量、長循環(huán)壽命、良好的倍率性能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，鈮鎢氧化物在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用將會(huì)有更加廣泛的發(fā)展前景。
電動(dòng)汽車圖片
6.5.1 鋰電池正極材料用鈮鎢氧化物
鈮鎢氧化物是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的鋰離子電池正極材料，由鈮和鎢的氧化物構(gòu)成，通常具有正交相的晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的嵌入和脫出。
在鋰離子電池中，正極材料是電池的重要組成部分，對(duì)電池的能量密度、循環(huán)壽命、安全性和成本等有直接的影響。目前，商業(yè)化的正極材料如鈷酸鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）和錳酸鋰（LiMn2O4）等存在容量較低、循環(huán)壽命短、倍率性能差等問題，限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。
鈮鎢氧化物作爲(wèi)新型正極材料，具有高能量密度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有正極材料的不足。其高能量密度主要得益于其較大的理論容量和較高的電子導(dǎo)電性。根據(jù)不同的合成方法和結(jié)構(gòu)調(diào)控，鈮鎢氧化物的容量可以在數(shù)百至數(shù)千毫安時(shí)每克（mAh/g）的範(fàn)圍內(nèi)變化。例如，通過固相法合成的Nb2O5正極材料具有較高的容量，可達(dá)到190mAh/g左右。
此外，鈮鎢氧化物還具有高穩(wěn)定性、長循環(huán)壽命和良好的倍率性能等優(yōu)點(diǎn)。在充放電過程中，NTO結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，體積變化小，不會(huì)出現(xiàn)明顯的粉化或脫落等問題。這使得NTO在循環(huán)過程中保持較好的結(jié)構(gòu)完整性和電化學(xué)活性，從而具有較長的壽命和良好的倍率性能。
授權(quán)公告號(hào)CN115050946B的專利摘要顯示，所述正極活性材料包括正極活性材料基體和包覆層，所述包覆層包裹在所述正極活性材料基體的外表面；所述正極活性材料基體爲(wèi)高鎳材料，所述包覆層包括含碳鈮鎢氧化物材料，所述含碳鈮鎢氧化物材料爲(wèi)碳改性的鈮鎢氧化物，通過該技術(shù)可以有效提高電池的循環(huán)壽命和充放電性能。
然而，鈮鎢氧化物也存在一些問題需要解決。例如，其電導(dǎo)率相對(duì)較低，需要進(jìn)一步提高其導(dǎo)電性能；在充放電過程中可能會(huì)發(fā)生體積變化，需要增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性；同時(shí)，其容量和倍率性能還需進(jìn)一步提高以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
鋰電池圖片
6.5.2 鋰電池負(fù)極材料用鈮鎢氧化物
6.5.3 鋰電池電極材料用鈮鎢氧化物的挑戰(zhàn)
6.6 氮化鎢在鋰離子電池中的應(yīng)用
6.6.1 鋰電池負(fù)極材料用氮化鎢
6.6.2 鋰電池電極材料用氮化鎢的挑戰(zhàn)
6.7 二硫化鎢在磷酸鐵鋰中的應(yīng)用
二硫化鎢（WS2）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的化合物，其顆粒形貌的不同可以影響其在鋰離子電池正極材料或負(fù)極材料中的應(yīng)用。以下是不同形貌的二硫化鎢及其在鋰離子電池中的應(yīng)用：
二硫化鎢納米片：具有類似于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)共價(jià)鍵強(qiáng)烈，層間范德華力較弱，使得層與層之間容易剝離，因此具有較低的摩擦係數(shù)。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得WS2納米片在作爲(wèi)鋰離子電池電極材料時(shí)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如高能量密度、長循環(huán)壽命、良好的安全性和穩(wěn)定性等。
二硫化鎢納米管：具有類似于納米管的形態(tài)，內(nèi)部具有中空的管狀結(jié)構(gòu)，外部覆蓋著層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得WS2納米管在作爲(wèi)鋰離子電池電極材料時(shí)具有較高的比表面積和良好的電導(dǎo)率，有利于提高電池的充放電性能。
二硫化鎢納米綫：具有類似于納米綫的形態(tài)，長徑比大，橫向尺寸小。這種結(jié)構(gòu)使得WS2在作爲(wèi)鋰離子電池電極材料時(shí)具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，能夠限制電流的過度釋放，提高電池的安全性。
二硫化鎢量子點(diǎn)：具有類似于量子點(diǎn)的形態(tài)，橫向尺寸小，表面能高。這種結(jié)構(gòu)使得WS2量子點(diǎn)在作爲(wèi)鋰離子電池電極材料時(shí)具有較高的比表面積和良好的電化學(xué)活性，能夠提供更多的活性物質(zhì)反應(yīng)位點(diǎn)，提高電池的容量和能量密度。
中鎢在綫納米二硫化鎢圖片
二硫化鎢納米花：具有類似于納米花的形態(tài)，由多個(gè)小顆粒組成，表面具有豐富的邊緣和缺陷。這種結(jié)構(gòu)使得WS2納米花同樣能夠爲(wèi)電極材料提供更多的活性物質(zhì)反應(yīng)位點(diǎn)，進(jìn)而提高電池的容量和能量密度。
綜上所述，不同形貌的二硫化鎢具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點(diǎn)，在作爲(wèi)鋰離子電池電極材料時(shí)能夠發(fā)揮不同的優(yōu)勢(shì)和作用。對(duì)于具體的電池體系和應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇合適的形貌和結(jié)構(gòu)的WS2進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高電池的性能和安全性。
6.7.1 鋰電池正極材料用二硫化鎢納米片
二硫化鎢納米片在鋰離子電池正極材料中的應(yīng)用顯示出巨大的潛力。由于其特殊的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的電化學(xué)性能，WS2納米片有望顯著提高磷酸鐵鋰正極材料的性能。
磷酸鐵鋰是目前商業(yè)化鋰離子電池中廣泛使用的正極材料，具有高安全性和低生産成本等優(yōu)勢(shì)。然而，磷酸鐵鋰也存在一些不足，如導(dǎo)電率低、容量有限和低溫性能不佳等問題。爲(wèi)了克服這些缺點(diǎn)，科學(xué)家們采用了WS2納米片作爲(wèi)改性劑，以獲得更高導(dǎo)電率、更大容量以及更好低溫性能的産品。
二硫化鎢納米片是一種低維度的納米材料，具有類似于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)和大表面積的特性。這些特性使得二硫化鎢納米片在鋰離子電池正極材料的製備中具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，WS2納米片可以提供更多的活性物質(zhì)反應(yīng)位點(diǎn)，增加電池的容量和能量密度。其次，WS2納米片的層狀結(jié)構(gòu)和良好的電導(dǎo)率有利于提高電池的充放電性能。此外，WS2納米片還能限制電流的過度釋放，提高電池的安全性。
在磷酸鐵鋰正極材料的改性中，二硫化鎢納米片通過改善材料的電化學(xué)性能和耐溫性能來增強(qiáng)産品的抗高溫性能與抗低溫性能。具體來說，WS2納米片可以提供更多的鋰離子插層脫嵌通道，提高材料的導(dǎo)電率和容量。同時(shí)，WS2納米片的熱學(xué)性能和力學(xué)性能也得到了很好的提升，從而降低了自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性，增強(qiáng)了特種鋰電池的安全性。
除了在正極材料中的應(yīng)用外，二硫化鎢納米片還可以用于製備新型鋰電池的負(fù)極材料。研究表明，WS2納米片具有較高的理論比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較低的製備成本等優(yōu)點(diǎn)，有望成爲(wèi)下一代儲(chǔ)能負(fù)極材料的理想選擇。
中鎢在綫納米二硫化鎢圖片
6.7.2 鋰電池正極材料用二硫化鎢納米管
6.7.3 鋰電池負(fù)極材料用二硫化鎢納米片
6.7.4 鋰電池負(fù)極材料用二硫化鎢納米管
6.7.5 鋰電池電極材料用二硫化鎢的挑戰(zhàn)
6.8 鎢酸鈉在鋰離子電池中的應(yīng)用
6.8.1 鋰電池負(fù)極材料用鎢酸鈉
6.8.2 鋰電池電極材料用鎢酸鈉的挑戰(zhàn)
6.9 鎢酸鋅在鋰離子電池中的應(yīng)用
6.9.1 鋰電池負(fù)極材料用鎢酸鋅
6.9.2 鋰電池電極材料用鎢酸鋅的挑戰(zhàn)
6.10 鎢酸鋰在鋰離子電池中的應(yīng)用
6.10.1 鋰離子電池正極材料用鎢酸鋰
6.10.2 鋰離子電池負(fù)極材料用鎢酸鋰
6.10.3 鋰電池電解質(zhì)用鎢酸鋰
6.10.4 鋰電池用鎢酸鋰的挑戰(zhàn)
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《鎢鉬稀土在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用與市場(chǎng)研究（五）》
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