蒙脫石：能源材料用我更穩(wěn)、更快、更猛！

蒙脫土給人的第一印象是“土”。其實(shí)，蒙脫石還是一種“隱形的”新能源礦產(chǎn)，其價值正在被發(fā)現(xiàn)、挖掘。

蒙脫土結(jié)構(gòu)示意圖(a)，SEM圖(b)和TEM圖(c)

蒙脫土(MMT)是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，而且在蒙脫土的結(jié)構(gòu)中，由于鋁氧八面體中的高價鋁原子易被低價原子取代，使得片層間帶有一定的負(fù)電荷。為了保持層間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，蒙脫土?xí)罩車腘a+、Ca2+、Mg2+、Al3+、K+等陽離子，這種特性使得蒙脫土具有很強(qiáng)的吸附能力和陽離子交換能力。正是這種結(jié)構(gòu)和交換能力，賦予了蒙脫石在新能源領(lǐng)域巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

鋰電池材料

（1）用于固態(tài)電解質(zhì)

多項(xiàng)研究表明，蒙脫石（MMT）作為一種新型無機(jī)填料，可以顯著提高固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPEs）的離子電導(dǎo)率和機(jī)械性能。

王浩博等對蒙脫土進(jìn)行離子交換處理制備了鋅蒙脫土（ZnMMT），并作為填料制備了PVDF/Zn-MMT復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。在0.1mAcm?2和0.1mAhcm?2下，Li/PVDF/Zn-MMT/Li對稱電池可以穩(wěn)定循環(huán)1800小時，在1C的倍率下循環(huán)400圈后，容量保持率高達(dá)96%。

（2）構(gòu)建人工SEI層

在人工固體電解質(zhì)界面膜（SEI）中，層狀蒙脫土-鋰（Li-MMT）賦予了SEI層較好的機(jī)械性能，并提供了Li+傳輸通道，有利于抑制鋰枝晶的生長。受益于Li-MMT中快速Li+通道，組裝帶有Li-MMTSEI層的Li-LiFePO4全電池具有更加優(yōu)異的倍率性能，而且在1C倍率下循環(huán)400次后仍能具有90.6%的高容量保持率。

（3）隔膜優(yōu)化

MMT因其優(yōu)異的吸附特性而被應(yīng)用于隔膜的優(yōu)化。與商用PE隔膜相比，經(jīng)LiMMT優(yōu)化后的隔膜在電極與電解質(zhì)界面處的Li+分布較多，這會減少選擇性鋰的沉積，削弱局部電流密度，抑制枝晶生長。

楊茂等利用蒙脫土（MMT）對商業(yè)聚丙烯（PP）隔膜進(jìn)行改性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PPy包覆的Li-MMT粉末不僅可以改善隔膜的耐熱性，而且可以改善硫正極側(cè)電子導(dǎo)電能力不足的缺點(diǎn)，更有利于促進(jìn)硫正極界面處的氧化還原反應(yīng)。

（4）優(yōu)化液態(tài)電解液

在鋰金屬電池體系中，相較于PEO電解液，蒙脫土表現(xiàn)出與金屬鋰更強(qiáng)的親合力，其Zeta電位達(dá)到+26mV，這促使鋰離子傾向于在蒙脫土表面附近富集。隨著鋰離子的吸附與分離，過電位會略微提升至-57.7mV，進(jìn)而引導(dǎo)鋰離子從蒙脫土遷移到銅集流體表面沉積。

（5）載體材料

紀(jì)凌梟等采用水熱法制備了不同氮摻雜含量的蒙脫土/碳納米管復(fù)合材料（NMCNT），作為鋰硫電池正極載硫材料。熔硫后的10NMCNT/S具有良好的電化學(xué)性能，這主要基于氮元素增加電極材料對多硫化物的吸附作用，減小了穿梭效應(yīng)帶來的容量損失，提高復(fù)合材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

蒙脫土基材料用于鋰金屬電池的電化學(xué)性能

超級電容器

（1）模板材料

某些天然礦物具有特定的形貌結(jié)構(gòu)，如凹凸棒石、蒙脫石、埃洛石、硅藻土等，常用作模板合成具有特定形貌的多孔碳材料。此外，可利用礦物模板法合成具有特定形貌的導(dǎo)電聚合物。

XIE等以凹凸棒石為模板，采用原位聚合法制備了石墨烯/多孔聚苯胺超級電容器電極材料，在1A/g的電流密度、50mV/s的掃描速度下比電容達(dá)654.75F/g，經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，電容保持率達(dá)74.36%，石墨烯/多孔聚苯胺復(fù)合電極材料具有較高的比表面積且電化學(xué)性能優(yōu)于純石墨烯和聚苯胺材料。

（2）電極載體材料

為得到具有特定形貌的活性材料，同時提升材料的比電容，改善循環(huán)穩(wěn)定性，可以將活性材料負(fù)載在蒙脫石、埃洛石等礦物表面。

REN等以將蒙脫石為載體的新型氮摻雜碳（NMC）為原料，采用超聲分散法制備了NMC/MnO2復(fù)合材料，再與苯胺（ANI）原位聚合得到NMC/MnO2/PANI復(fù)合材料，在1mol/LNa2SO4電解液中，0.25A/g的電流密度下其比電容達(dá)228.5F/g，在4A/g的電流密度下其比電容達(dá)140F/g，在1A/g的電流密度下循環(huán)800次其電容保持率為86%。

儲甲烷材料

目前，人們開始嘗試用經(jīng)濟(jì)性好、使用方便、安全性能高的吸附天然氣儲存技術(shù)來替代傳統(tǒng)的壓縮天然氣技術(shù)和液化天然氣技術(shù)。有研究表明，黏土礦物對頁巖氣藏的形成和開發(fā)具有一定的積極意義且具有儲氣性能。

LIU等研究了在高壓條件下蒙脫石、高嶺土和伊利石對甲烷的吸附性能，在18MPa/60℃的條件下，蒙脫石、高嶺土、伊利石均表現(xiàn)出了較高的吸附能力，分別為6.01、3.88、2.22cm3/g。其中，黏土礦物的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)是應(yīng)用的關(guān)鍵也是評價儲氣能力的重要參數(shù)。

光/電催化材料

電催化是使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的一種催化作用，已廣泛應(yīng)用于電催化析氫、析氧、脫硝等領(lǐng)域。蒙脫石等粘土礦物已經(jīng)被廣泛用作光電催化電極反應(yīng)組分的載體，以避免粒子團(tuán)聚、提高敏化劑分子穩(wěn)定性和反應(yīng)選擇性。

張盛等以凹凸棒石（ATP）為載體，類石墨相氮化碳（g-C3N4）通過原位沉積、干燥冷凍、焙燒工藝制備了ATP/g-C3N4復(fù)合電催化材料。將g-C3N4負(fù)載于凹凸棒石表面，增加了其比表面積和表面活性位點(diǎn)，使其析氧能力得到大幅提升。

相變儲能材料

相變儲能材料（PCM）是一種新型功能材料，是利用材料在相變時吸熱或放熱來實(shí)現(xiàn)儲熱或釋熱。在相變儲能領(lǐng)域天然礦物扮演著重要角色，一方面天然礦物本身就是很好的無機(jī)相變材料，在添加適當(dāng)?shù)某珊藙┖驮龀韯┖蟊隳鼙患庸こ尚阅軆?yōu)異的相變儲能材料；另一方面礦物內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)可作為相變儲能材料的優(yōu)良載體。

李道奎等將凹凸棒石與膨脹珍珠巖和石墨配置成懸浮液，通過噴霧干燥和酸活化構(gòu)筑三元復(fù)合礦物微球（AEG），并用于封裝相變材料（P-AEG）。P-AEG具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換特性，光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92%。同時，P-AEG具有優(yōu)越的儲熱能力，凝固焓達(dá)到了118.4J/g。儲能建筑材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理能力，在峰值位置的溫度比普通混凝土低3.9℃，在底部位置的溫度比普通混凝土高7.5℃，同時具有優(yōu)異的力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度為14.8MPa。

結(jié)語

你認(rèn)為蒙脫石在新能源領(lǐng)域，應(yīng)用潛力如何？

參考來源：

王浩博：PVDF/改性蒙脫土復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的制備及其性能研究，河南科技大學(xué)

楊茂：基于蒙脫土改性的鋰硫電池隔膜設(shè)計(jì)及其界面離子調(diào)控機(jī)理研究，電子科技大學(xué)

賀明亮：蒙脫土基材料在鋰金屬電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展，河南科技大學(xué)

陳天星：新能源礦物材料研究進(jìn)展，西安建筑科技大學(xué)

紀(jì)凌梟：蒙脫土/碳納米管載硫體的制備及鋰硫電池電化學(xué)性能研究，遼寧工程技術(shù)大學(xué)

李道奎：凹凸棒石基復(fù)合相變儲熱材料的性能調(diào)控及其功能設(shè)計(jì)，中南大學(xué)