Applications of carbon nanotubes in high performance lithium ion batteries

Frontiers of Physics

Volumn 9, Issue 3, 2014, Pages 351-369

  Wu, Yang ^a   Wang, Jiaping ^a   Jiang, Kaili ^a   Fan, Shoushan ^a  

^a TSINGHUA UNIVERSITY   (China)

Author keywords

carbon nanotube; composite; conductive additive; lithium ion battery; structural scaffold

Indexed keywords

EID: 84899907227     PISSN: 20950462     EISSN: 20950470     Source Type: Journal    
DOI: 10.1007/s11467-013-0308-x     Document Type: Review

References (155)

1. M. Armand and J. M. Tarascon, Nature, 2008, 451(7179): 652.
2. B. Dunn, H. Kamath, and J.-M. Tarascon, Science, 334(6058): 928.
3. J. M. Tarascon and M. Armand, Nature, 2001, 414(6861): 359.
4. M. S. Whittingham, Science, 1976, 192(4244): 1126.
5. M. S. Whittingham, Chem. Rev., 2004, 104(10): 4271.
6. K. Ozawa, Solid State Ion., 1994, 69(3-4): 212.
7. M. Winter, J. O. Besenhard, M. E. Spahr, and P. Novak, Adv. Mater., 1998, 10(10): 725.
8. H. Dai, Surface Science, 2002, 500(1-2): 218.
9. T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. Hiura, J. W. Bennett, H. F. Ghaemi, and T. Thio, Nature, 1996, 382(6586): 54.
10. M. F. Yu, O. Lourie, M. J. Dyer, K. Moloni, T. F. Kelly, and R. S. Ruoff, Science, 2000, 287(5453): 637.
11. M. M. J. Treacy, T. W. Ebbesen, and J. M. Gibson, Nature, 1996, 381(6584): 678.
12. R. Fong, U. v. Sacken, and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 1990, 137(7): 2009.
13. Z. X. Shu, R. S. McMillan, and J. J. Murray, J. Electrochem. Soc., 1993, 140(4): 922.
14. M. S. Dresselhaus and G. Dresselhaus, Adv. Phys., 1981, 30(2): 139.
15. N. A. Kaskhedikar and J. Maier, Adv. Mater., 2009, 21(25-26): 2664.
16. M. Armand and P. Touzain, Materials Science and Engineering, 1977, 31(0): 319.
17. L. Pauling, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1966, 56(6): 1646.
18. J. R. Dahn, Phys. Rev. B, 1991, 44(17): 9170.
19. N. Kambe, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, S. Basu, A. R. McGhie, and J. E. Fischer, Materials Science and Engineering, 1979, 40(1): 1.
20. T. Ohzuku, Y. Iwakoshi, and K. Sawai, J. Electrochem. Soc., 1993, 140(9): 2490.
21. K. Persson, Y. Hinuma, Y. S. Meng, A. van der Ven, and G. Ceder, Phys. Rev. B, 2010, 82(12).
22. R. C. Boehm and A. Banerjee, J. Chem. Phys., 1992, 96(2): 1150.
23. V. A. Nalimova, D. Guerard, M. Lelaurain, and O. V. Fateev, Carbon, 1995, 33(2): 177.
24. V. V. Avdeev, V. A. Nalimova, and K. N. Semenenko, High Pressure Res., 1990, 6(1): 11.
25. Y. Nagata, Y. Ohnishi, H. Hatori, M. Shiraishi, and T. Kajiyama, Kobunshi Ronbunshu, 1996, 53(5): 302.
26. A. Yasuda, N. Kawase, F. Banhart, W. Mizutani, T. Shimizu, and H. Tokumoto, J. Phys. Chem. B, 2002, 106(8): 1849.
27. R. E. Franklin, Proceedings of the Royal Society of London, Series A: Mathematical and Physical Sciences, 1951, 209(1097): 196.
28. K. Tatsumi, N. Iwashita, H. Sakaebe, H. Shioyama, S. Higuchi, A. Mabuchi, and H. Fujimoto, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(3): 716.
29. N. Takami, A. Satoh, M. Hara, and T. Ohsaki, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(2): 371.
30. A. Satoh, N. Takami, and T. Ohsaki, Solid State Ion., 1995, 80(3): 291.
31. A. Mabuchi, K. Tokumitsu, H. Fujimoto, and T. Kasuh, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(4): 1041.
32. J. R. Dahn, T. Zheng, Y. Liu, and J. S. Xue, Science, 1995, 270(5236): 590.
33. T. D. Tran, J. H. Feikert, X. Song, and K. Kinoshita, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(10): 3297.
34. C. Kim, T. Fujino, K. Miyashita, T. Hayashi, M. Endo, and M. S. Dresselhaus, J. Electrochem. Soc., 2000, 147(4): 1257.
35. M. K. Song and K. T. No, J. Electrochem. Soc., 2004, 151(10): A1696.
36. T. Zheng, Y. Liu, E. W. Fuller, S. Tseng, U. v. Sacken, and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(8): 2581.
37. N. Takami, A. Satoh, T. Ohsaki, and M. Kanda, Electrochim. Acta, 1997, 42(16): 2537.
38. S. Iijima, Nature, 1991, 354(6348): 56.
39. V. Meunier, J. Kephart, C. Roland, and J. Bernholc, Phys. Rev. Lett., 2002, 88(7).
40. Z. Zhou, X. P. Gao, J. Yan, D. Y. Song, and M. Morinaga, Carbon, 2004, 42(12-13): 2677.
41. C. Garau, A. Frontera, D. Quinonero, A. Costa, P. Ballester, and P. M. Deya, Chem. Phys. Lett., 2003, 374(5-6): 548.
42. T. Kar, J. Pattanayak, and S. Scheiner, Journal of Physical Chemistry A, 2001, 105(45): 10397.
43. G. Maurin, C. Bousquet, F. Henn, P. Bernier, R. Almairac, and B. Simon, Chem. Phys. Lett., 1999, 312(1): 14.
44. A. S. Claye, J. E. Fischer, C. B. Huffman, A. G. Rinzler, and R. E. Smalley, J. Electrochem. Soc., 2000, 147(8): 2845.
45. B. Gao, C. Bower, J. D. Lorentzen, L. Fleming, A. Kleinhammes, X. P. Tang, L. E. McNeil, Y. Wu, and O. Zhou, Chem. Phys. Lett., 2000, 327(1-2): 69.
46. G. L. Che, B. B. Lakshmi, E. R. Fisher, and C. R. Martin, Nature, 1998, 393(6683): 346.
47. E. Frackowiak, S. Gautier, H. Gaucher, S. Bonnamy, and F. Beguin, Carbon, 1999, 37(1): 61.
48. E. Frackowiak and F. Beguin, Carbon, 2002, 40(10): 1775.
49. B. Gao, A. Kleinhammes, X. P. Tang, C. Bower, L. Fleming, Y. Wu, and O. Zhou, Chem. Phys. Lett., 1999, 307(3-4): 153.
50. G. X. Wang, J. H. Ahn, J. Yao, M. Lindsay, H. K. Liu, and S. X. Dou, J. Power Sources, 2003, 119: 16.
51. C. Masarapu, V. Subramanian, H. W. Zhu, and B. Q. Wei, Advanced Functional Materials, 2009, 19(7): 1008.
52. S. B. Yang, H. H. Song, X. H. Chen, A. V. Okotrub, and L. G. Bulusheva, Electrochim. Acta, 2007, 52(16): 5286.
53. K. L. Jiang, Q. Q. Li, and S. S. Fan, Nature, 2002, 419(6909): 801.
54. K. L. Jiang, J. P. Wang, Q. Q. Li, L. A. Liu, C. H. Liu, and S. S. Fan, Adv. Mater., 2011, 23(9): 1154.
55. H. Zhang, G. P. Cao, and Y. S. Yang, Energy Environ. Sci., 2009, 2(9): 932.
56. S. H. Ng, J. Wang, Z. P. Guo, G. X. Wang, and H. K. Liu, Electrochim. Acta, 2005, 51(1): 23.
57. S. Y. Chew, S. H. Ng, J. Z. Wang, P. Novak, F. Krumeich, S. L. Chou, J. Chen, and H. K. Liu, Carbon, 2009, 47(13): 2976.
58. B. J. Landi, R. A. Dileo, C. M. Schauerman, C. D. Cress, M. J. Ganter, and R. P. Raffaelle, J. Nanosci. Nanotechnol., 2009, 9(6): 3406.
59. J. Chen, A. I. Minett, Y. Liu, C. Lynam, P. Sherrell, C. Wang, and G. G. Wallace, Adv. Mater., 2008, 20(3): 566.
60. G. T. Wu, C. S. Wang, X. B. Zhang, H. S. Yang, Z. F. Qi, P. M. He, and W. Z. Li, J. Electrochem. Soc., 1999, 146(5): 1696.
61. J. Zhao, A. Buldum, J. Han, and J. Ping Lu, Phys. Rev. Lett., 2000, 85(8): 1706.
62. J. Li, C. Wu, and L. Guan, J. Phys. Chem. C, 2009, 113(42): 18431.
63. X. X. Wang, J. N. Wang, H. Chang, and Y. F. Zhang, Adv. Funct. Mater., 2007, 17(17): 3613.
64. D. T. Welna, L. T. Qu, B. E. Taylor, L. M. Dai, and M. F. Durstock, J. Power Sources, 2011, 196(3): 1455.
65. I. Lahiri, S. W. Oh, J. Y. Hwang, S. Cho, Y. K. Sun, R. Banerjee, and W. Choi, ACS Nano, 2010, 4(6): 3440.
66. Mukhopadhyay, I., N. Hoshino, S. Kawasaki, F. Okino, W. K. Hsu, and H. Touhara, J. Electrochem. Soc., 2002, 149(1): A39.
67. L. G. Bulusheva, A. V. Okotrub, A. G. Kurenya, H. K. Zhang, H. J. Zhang, X. H. Chen, and H. H. Song, Carbon, 2011, 49(12): 4013.
68. X. L. Li, F. Y. Kang, X. D. Bai, and W. Shen, Electrochem. Commun., 2007, 9(4): 663.
69. B. Jin, E. M. Jin, K. H. Park, and H. B. Gu, Electrochem. Commun., 2008, 10(10): 1537.
70. Liu, Y. J., X. H. Li, H. J. Guo, Z. X. Wang, W. J. Peng, Y. Yang, and R. F. Liang, J. Power Sources, 2008, 184(2): 522.
71. Y. Feng, Mater. Chem. Phys., 2010, 121(1-2): 302.
72. T. Muraliganth, A. V. Murugan, and A. Manthiram, J. Mater. Chem., 2008, 18(46): 5661.
73. G. P. Wang, Q. T. Zhang, Z. L. Yu, and M. Z. Qu, Solid State Ion., 2008, 179(7-8): 263.
74. K. Sheem, Y. H. Lee, and H. S. Lim, J. Power Sources, 2006, 158(2): 1425.
75. J. H. Park, S. Y. Lee, J. H. Kim, S. Ahn, J. S. Park, and Y. U. Jeong, J. Solid State Electrochem., 2010, 14(4): 593.
76. J. H. Lee, G. S. Kim, Y. M. Choi, W. Il Park, J. A. Rogers, and U. Paik, J. Power Sources, 2008, 184(1): 308.
77. X. L. Li, F. Y. Kang, and W. C. Shen, Carbon, 2006, 44(7): 1334.
78. X. L. Li, F. Y. Kang, and W. C. Shen, Electrochem. Solid State Lett., 2006, 9(3): A126.
79. A. Varzi, C. Taubert, M. Wohlfahrt-Mehrens, M. Kreis, and W. Schutz, J. Power Sources, 2011, 196(6): 3303.
80. J. Y. Eom, J. W. Park, H. S. Kwon, and S. Rajendran, J. Electrochem. Soc., 2006, 153(9): A1678.
81. C. Sotowa, G. Origi, M. Takeuchi, Y. Nishimura, K. Takeuchi, I. Y. Jang, Y. J. Kim, T. Hayashi, Y. A. Kim, M. Endo, and M. S. Dresselhaus, ChemSusChem, 2008, 1(11): 911.
82. X. B. Zhang, K. L. Jiang, C. Teng, P. Liu, L. Zhang, J. Kong, T. H. Zhang, Q. Q. Li, and S. S. Fan, Adv. Mater., 2006, 18(12): 1505.
83. K. Liu, Y. H. Sun, L. Chen, C. Feng, X. F. Feng, K. L. Jiang, Y. G. Zhao, and S. S. Fan, Nano Lett., 2008, 8(2): 700.
84. K. Wang, Y. Wu, S. Luo, X. F. He, J. P. Wang, K. L. Jiang, and S. S. Fan, J. Power Sources, 2013, 233(1): 209.
85. S. Luo, K. Wang, J. Wang, K. Jiang, Q. Li, and S. Fan, Adv. Mater., 2012, 24(17): 2294.
86. M. D. Lima, S. Fang, X. Lepro, C. Lewis, R. Ovalle-Robles, J. Carretero-Gonzalez, E. Castillo-Martinez, M. E. Kozlov, J. Oh, N. Rawat, C. S. Haines, M. H. Haque, V. Aare, S. Stoughton, A. A. Zakhidov, and R. H. Baughman, Science, 2011, 331(6013): 51.
87. Z. Chen, D. Q. Zhang, X. L. Wang, X. L. Jia, F. Wei, H. X. Li, and Y. F. Lu, Adv. Mater., 2012, 24(15): 2030.
88. O. Toprakci, H. A. K. Toprakci, L. W. Ji, G. J. Xu, Z. Lin, and X. W. Zhang, ACS AppliedMaterials & Interfaces, 2012, 4(3): 1273.
89. P. G. Bruce, B. Scrosati, and J.-M. Tarascon, Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47(16): 2930.
90. C. M. Hayner, X. Zhao, and H. H. Kung, Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, 3(1): 445.
91. S.-D. Seo, G.-H. Lee, A.-H. Lim, K.-M. Min, J.-C. Kim, H.-W. Shim, K.-S. Park, and D.-W. Kim, RSC Advances, 2(8): 3315.
92. W. X. Chen, J. Y. Lee, and Z. Liu, Electrochem. Commun., 2002, 4(3): 260.
93. M. S. Park, S. A. Needham, G. X. Wang, Y. M. Kang, J. S. Park, S. X. Dou, and H. K. Liu, Chem. Mat., 2007, 19(10): 2406.
94. O. Crosnier, T. Brousse, X. Devaux, P. Fragnaud, and D. M. Schleich, J. Power Sources, 2001, 94(2): 169.
95. J. O. Besenhard, J. Yang, and M. Winter, J. Power Sources, 1997, 68(1): 87.
96. T. P. Kumar, R. Ramesh, Y. Y. Lin, and G. T. K. Fey, Electrochem. Commun., 2004, 6(6): 520.
97. Y. Wang, and J. Y. Lee, Angew. Chem.-Int. Edit., 2006, 45(42): 7039.
98. L. Huang, J.-S. Cai, Y. He, F.-S. Ke, and S.-G. Sun, Electrochem. Commun., 2009, 11(5): 950.
99. K. D. Kepler, J. T. Vaughey, and M. M. Thackeray, Electrochem. Solid-State Lett., 1999, 2(7): 307.
100. C. K. Chan, R. N. Patel, M. J. O'Connell, B. A. Korgel, and Y. Cui, ACS Nano, 2010, 4(3): 1443.
101. C. Martin, O. Crosnier, R. Retoux, D. Belanger, D. M. Schleich, and T. Brousse, Adv. Funct. Mater., 2011, 21(18): 3524.
102. G. Chen, Z. Y. Wang, and D. G. Xia, Chem. Mat., 2008, 20(22): 6951.
103. Z. H. Wen, Q. Wang, Q. Zhang, and J. H. Li, Adv. Funct. Mater., 2007, 17(15): 2772.
104. L. Noerochim, J. Z. Wang, S. L. Chou, H. J. Li, and H. K. Liu, Electrochim. Acta, 2010, 56(1): 314.
105. H. X. Zhang, C. Feng, Y. C. Zhai, K. L. Jiang, Q. Q. Li, and S. S. Fan, Adv. Mater., 2009, 21(22): 2299.
106. J. Xie and V. K. Varadan, Mater. Chem. Phys., 2005, 91(2-3): 274.
107. G. M. An, N. Na, X. R. Zhang, Z. J. Miao, S. D. Miao, K. L. Ding, and Z. M. Liu, Nanotechnology, 2007, 18(43).
108. Y. B. Fu, R. B. Ma, Y. Shu, Z. Cao, and X. H. Ma, Mater. Lett., 2009, 63(22): 1946.
109. G. D. Du, C. Zhong, P. Zhang, Z. P. Guo, Z. X. Chen, and H. K. Liu, Electrochim. Acta, 2010, 55(7): 2582.
110. C. H. Xu, J. Sun, and L. Gao, J. Phys. Chem. C, 2009, 113(47): 20509.
111. Z. Y. Wang, G. Chen, and D. G. Xia, J. Power Sources, 2008, 184(2): 432.
112. P. Poizot, S. Laruelle, S. Grugeon, L. Dupont, and J. M. Tarascon, Nature, 2000, 407(6803): 496.
113. J. Cabana, L. Monconduit, D. Larcher, and M. R. Palacin, Adv. Mater., 2010, 22(35): E170.
114. C. M. Ban, Z. C. Wu, D. T. Gillaspie, L. Chen, Y. F. Yan, J. L. Blackburn, and A. C. Dillon, Adv. Mater., 2010, 22(20): E145.
115. A. L. M. Reddy, M. M. Shaijumon, S. R. Gowda, and P. M. Ajayan, Nano Lett., 2009, 9(3): 1002.
116. F. Teng, S. Santhanagopalan, and D. D. Meng, Solid State Sci., 2010, 12(9): 1677.
117. Z. Wang, D. Luan, S. Madhavi, Y. Hu, and X. W. Lou, Energy Environ. Sci., 2012, 5(1): 5252.
118. Y. He, L. Huang, J. S. Cai, X. M. Zheng, and S. G. Sun, Electrochim. Acta, 2010, 55(3): 1140.
119. H. Xia, M. O. Lai, and L. Lu, J. Mater. Chem., 2010, 20(33): 6896.
120. G. X. Wang, X. P. Shen, J. N. Yao, D. Wexler, and J. Ahn, Electrochem. Commun., 2009, 11(3): 546.
121. A. R. Armstrong, G. Armstrong, J. Canales, R. Garcia, and P. G. Bruce, Adv. Mater., 2005, 17(7): 862.
122. P. Liu, S. H. Lee, C. e. Tracy, Y. Yan, and J. a. Turner, Adv. Mater., 2002, 14(1): 27.
123. C. M. Julien, Materials Science and Engineering: R: Reports, 2003, 40(2): 47.
124. Y. S. Hu, L. Kienle, Y. G. Guo, and J. Maier, Adv. Mater., 2006, 18(11): 1421.
125. Z. X. Yang, G. D. Du, Z. P. Guo, X. B. Yu, Z. X. Chen, T. L. Guo, and H. K. Liu, J. Mater. Chem., 2011, 21(24): 8591.
126. L. Shen, C. Yuan, H. Luo, X. Zhang, K. Xu, and F. Zhang, J. Mater. Chem., 2011, 21(3): 761.
127. J. J. Huang and Z. Y. Jiang, Electrochim. Acta, 2008, 53(26): 7756.
128. F. F. Cao, Y. G. Guo, S. F. Zheng, X. L. Wu, L. Y. Jiang, R. R. Bi, L. J. Wan, and J. Maier, Chem. Mat., 2010, 22(5): 1908.
129. D. H. Lee, D. W. Kim, and J. G. Park, Cryst. Growth Des., 2008, 8(12): 4506.
130. J. S. Sakamoto and B. Dunn, J. Electrochem. Soc., 2002, 149(1): A26.
131. X. Jia, Z. Chen, A. Suwarnasarn, L. Rice, X. Wang, H. Sohn, Q. Zhang, B. M. Wu, F. Wei, and Y. Lu, Energy Environ. Sci., 2012, 5(5): 6845.
132. X. M. Liu, Z. D. Huang, S. Oh, P. C. Ma, P. C. H. Chan, G. K. Vedam, K. Kang, and J. K. Kim, J. Power Sources, 2010, 195(13): 4290.
133. J. Xu, G. Chen, and X. Li, Mater. Chem. Phys., 2009, 118(1): 9.
134. Y. Zhou, J. Wang, Y. Hu, R. O'Hayre, and Z. Shao, Chemical Communications, 2010, 46(38): 7151.
135. C. Ban, Z. Li, Z. Wu, M. J. Kirkham, L. Chen, Y. S. Jung, E. A. Payzant, Y. Yan, M. S. Whittingham, and A. C. Dillon, Adv. Energy Mater., 2011, 1(1): 58.
136. J. J. Chen and M. S. Whittingham, Electrochem. Commun., 2006, 8(5): 855.
137. L. Wang, Y. D. Huang, R. R. Jiang, and D. Z. Jia, J. Electrochem. Soc., 2007, 154(11): A1015.
138. Y. Q. Qiao, J. P. Tu, Y. J. Mai, L. J. Cheng, X. L. Wang, and C. D. Gu, J. Alloy. Compd., 2011, 509(25): 7181.
139. K. Evanoff, J. Khan, A. A. Balandin, A. Magasinski, W. J. Ready, T. F. Fuller, and G. Yushin, Adv. Mater., 2012, 24(4): 533.
140. X. Chen, H. Zhu, Y.-C. Chen, Y. Shang, A. Cao, L. Hu, and G. W. Rubloff, ACS Nano, 2012, 6(9): 7948.
141. D. R. Rolison, J. W. Long, J. C. Lytle, A. E. Fischer, C. P. Rhodes, T. M. McEvoy, M. E. Bourg, and A. M. Lubers, Chem. Soc. Rev., 2008, 38(1): 226.
142. I. S. Hwang, J. C. Kim, S. D. Seo, S. Lee, J. H. Lee, and D. W. Kim, Chem. Commun., 2012, 48(56): 7061.
143. W. Wang and P. N. Kumta, ACS Nano, 2010, 4(4): 2233.
144. L. F. Cui, L. B. Hu, J. W. Choi, and Y. Cui, ACS Nano, 2010, 4(7): 3671.
145. Y. Wu, Y. Wei, J. P. Wang, K. L. Jiang, and S. S. Fan, Nano Lett., 2013, 13(2): 818.
146. B. A. Johnson and R. E. White, J. Power Sources, 1998, 70(1): 48.
147. P. Arora, R. E. White, and M. Doyle, J. Electrochem. Soc., 1998, 145(10): 3647.
148. J. W. Braithwaite, A. Gonzales, G. Nagasubramanian, S. J. Lucero, D. E. Peebles, J. A. Ohlhausen, and W. R. Cieslak, J. Electrochem. Soc., 1999, 146(2): 448.
149. A. Kiebele and G. Gruner, Appl. Phys. Lett., 2007, 91(14).
150. Y. X. Zhou, L. B. Hu, and G. Gruner, Appl. Phys. Lett., 2006, 88(12).
151. L. B. Hu, J. W. Choi, Y. Yang, S. Jeong, F. La Mantia, L. F. Cui, and Y. Cui, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2009, 106(51): 21490.
152. N. Singh, C. Galande, A. Miranda, A. Mathkar, W. Gao, A. L. M. Reddy, A. Vlad, and P. M. Ajayan, Sci. Rep., 2012, 2.
153. L. B. Hu, H. Wu, F. La Mantia, Y. A. Yang, and Y. Cui, ACS Nano, 2010, 4(10): 5843.
154. B. J. Landi, M. J. Ganter, C. D. Cress, R. A. DiLeo, and R. P. Raffaelle, Energy Environ. Sci., 2009, 2(6): 638.
155. K. Wang, S. Luo, Y. Wu, X. F. He, F. Zhao, J. P. Wang, K. L. Jiang, and S. S. Fan, Adv. Funct. Mater., 2013, 23(7): 846.