Abstract
The development of lithium ion batteries (LIBs) relies on the improvement in the performance of electrode materials with higher capacity, higher rate capability, and longer cycle life. In this review article, the recent advances in Carbon nanotube (CNT) anodes, CNT-based composite electrodes, and CNT current collectors for high performance LIBs are concerned. CNT has received considerable attentions as a candidate material for the LIB applications. In addition to a possible choice for anode, CNT has been recognized as a solution in improving the performance of the state-of-the-art electrode materials. The CNT-based composite electrodes can be fabricated by mechanical or chemical approaches. Owing to the large aspect ratio and the high electrical conductivity, CNTs at very low loading can lead to an efficient conductive network. The excellent mechanical strength suggests the great potential in forming a structure scaffold to accommodate nano-sized electrode materials. Accordingly, the incorporation of CNTs will enhance the conductivity of the composite electrodes, mitigate the agglomeration problem, decrease the dependence on inactive binders, and improve the electrochemical properties of both anode and cathode materials remarkably. Freestanding CNT network can be used as lightweight current collectors to increase the overall energy density of LIBs. Finally, research perspectives for exploiting CNTs in high-performance LIBs are discussed.
Similar content being viewed by others
References
M. Armand and J. M. Tarascon, Nature, 2008, 451(7179): 652
B. Dunn, H. Kamath, and J.-M. Tarascon, Science, 334(6058): 928
J. M. Tarascon and M. Armand, Nature, 2001, 414(6861): 359
M. S. Whittingham, Science, 1976, 192(4244): 1126
M. S. Whittingham, Chem. Rev., 2004, 104(10): 4271
K. Ozawa, Solid State Ion., 1994, 69(3–4): 212
M. Winter, J. O. Besenhard, M. E. Spahr, and P. Novak, Adv. Mater., 1998, 10(10): 725
H. Dai, Surface Science, 2002, 500(1–2): 218
T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. Hiura, J. W. Bennett, H. F. Ghaemi, and T. Thio, Nature, 1996, 382(6586): 54
M. F. Yu, O. Lourie, M. J. Dyer, K. Moloni, T. F. Kelly, and R. S. Ruoff, Science, 2000, 287(5453): 637
M. M. J. Treacy, T. W. Ebbesen, and J. M. Gibson, Nature, 1996, 381(6584): 678
R. Fong, U. v. Sacken, and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 1990, 137(7): 2009
Z. X. Shu, R. S. McMillan, and J. J. Murray, J. Electrochem. Soc., 1993, 140(4): 922
M. S. Dresselhaus and G. Dresselhaus, Adv. Phys., 1981, 30(2): 139
N. A. Kaskhedikar and J. Maier, Adv. Mater., 2009, 21(25–26): 2664
M. Armand and P. Touzain, Materials Science and Engineering, 1977, 31(0): 319
L. Pauling, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1966, 56(6): 1646
J. R. Dahn, Phys. Rev. B, 1991, 44(17): 9170
N. Kambe, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, S. Basu, A. R. McGhie, and J. E. Fischer, Materials Science and Engineering, 1979, 40(1): 1
T. Ohzuku, Y. Iwakoshi, and K. Sawai, J. Electrochem. Soc., 1993, 140(9): 2490
K. Persson, Y. Hinuma, Y. S. Meng, A. Van der Ven, and G. Ceder, Phys. Rev. B, 2010, 82(12)
R. C. Boehm and A. Banerjee, J. Chem. Phys., 1992, 96(2): 1150
V. A. Nalimova, D. Guerard, M. Lelaurain, and O. V. Fateev, Carbon, 1995, 33(2): 177
V. V. Avdeev, V. A. Nalimova, and K. N. Semenenko, High Pressure Res., 1990, 6(1): 11
Y. Nagata, Y. Ohnishi, H. Hatori, M. Shiraishi, and T. Kajiyama, Kobunshi Ronbunshu, 1996, 53(5): 302
A. Yasuda, N. Kawase, F. Banhart, W. Mizutani, T. Shimizu, and H. Tokumoto, J. Phys. Chem. B, 2002, 106(8): 1849
R. E. Franklin, Proceedings of the Royal Society of London, Series A: Mathematical and Physical Sciences, 1951, 209(1097): 196
K. Tatsumi, N. Iwashita, H. Sakaebe, H. Shioyama, S. Higuchi, A. Mabuchi, and H. Fujimoto, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(3): 716
N. Takami, A. Satoh, M. Hara, and T. Ohsaki, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(2): 371
A. Satoh, N. Takami, and T. Ohsaki, Solid State Ion., 1995, 80(3): 291
A. Mabuchi, K. Tokumitsu, H. Fujimoto, and T. Kasuh, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(4): 1041
J. R. Dahn, T. Zheng, Y. Liu, and J. S. Xue, Science, 1995, 270(5236): 590
T. D. Tran, J. H. Feikert, X. Song, and K. Kinoshita, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(10): 3297
C. Kim, T. Fujino, K. Miyashita, T. Hayashi, M. Endo, and M. S. Dresselhaus, J. Electrochem. Soc., 2000, 147(4): 1257
M. K. Song and K. T. No, J. Electrochem. Soc., 2004, 151(10): A1696
T. Zheng, Y. Liu, E. W. Fuller, S. Tseng, U. v. Sacken, and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 1995, 142(8): 2581
N. Takami, A. Satoh, T. Ohsaki, and M. Kanda, Electrochim. Acta, 1997, 42(16): 2537
S. Iijima, Nature, 1991, 354(6348): 56
V. Meunier, J. Kephart, C. Roland, and J. Bernholc, Phys. Rev. Lett., 2002, 88(7)
Z. Zhou, X. P. Gao, J. Yan, D. Y. Song, and M. Morinaga, Carbon, 2004, 42(12–13): 2677
C. Garau, A. Frontera, D. Quinonero, A. Costa, P. Ballester, and P. M. Deya, Chem. Phys. Lett., 2003, 374(5–6): 548
T. Kar, J. Pattanayak, and S. Scheiner, Journal of Physical Chemistry A, 2001, 105(45): 10397
G. Maurin, C. Bousquet, F. Henn, P. Bernier, R. Almairac, and B. Simon, Chem. Phys. Lett., 1999, 312(1): 14
A. S. Claye, J. E. Fischer, C. B. Huffman, A. G. Rinzler, and R. E. Smalley, J. Electrochem. Soc., 2000, 147(8): 2845
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
G. L. Che, B. B. Lakshmi, E. R. Fisher, and C. R. Martin, Nature, 1998, 393(6683): 346
E. Frackowiak, S. Gautier, H. Gaucher, S. Bonnamy, and F. Beguin, Carbon, 1999, 37(1): 61
E. Frackowiak and F. Beguin, Carbon, 2002, 40(10): 1775
B. Gao, A. Kleinhammes, X. P. Tang, C. Bower, L. Fleming, Y. Wu, and O. Zhou, Chem. Phys. Lett., 1999, 307(3–4): 153
G. X. Wang, J. H. Ahn, J. Yao, M. Lindsay, H. K. Liu, and S. X. Dou, J. Power Sources, 2003, 119: 16
C. Masarapu, V. Subramanian, H. W. Zhu, and B. Q. Wei, Advanced Functional Materials, 2009, 19(7): 1008
S. B. Yang, H. H. Song, X. H. Chen, A. V. Okotrub, and L. G. Bulusheva, Electrochim. Acta, 2007, 52(16): 5286
K. L. Jiang, Q. Q. Li, and S. S. Fan, Nature, 2002, 419(6909): 801
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
H. Zhang, G. P. Cao, and Y. S. Yang, Energy Environ. Sci., 2009, 2(9): 932
S. H. Ng, J. Wang, Z. P. Guo, G. X. Wang, and H. K. Liu, Electrochim. Acta, 2005, 51(1): 23
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
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
J. Chen, A. I. Minett, Y. Liu, C. Lynam, P. Sherrell, C. Wang, and G. G. Wallace, Adv. Mater., 2008, 20(3): 566
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
J. Zhao, A. Buldum, J. Han, and J. Ping Lu, Phys. Rev. Lett., 2000, 85(8): 1706
J. Li, C. Wu, and L. Guan, J. Phys. Chem. C, 2009, 113(42): 18431
X. X. Wang, J. N. Wang, H. Chang, and Y. F. Zhang, Adv. Funct. Mater., 2007, 17(17): 3613
D. T. Welna, L. T. Qu, B. E. Taylor, L. M. Dai, and M. F. Durstock, J. Power Sources, 2011, 196(3): 1455
I. Lahiri, S. W. Oh, J. Y. Hwang, S. Cho, Y. K. Sun, R. Banerjee, and W. Choi, ACS Nano, 2010, 4(6): 3440
Mukhopadhyay, I., N. Hoshino, S. Kawasaki, F. Okino, W. K. Hsu, and H. Touhara, J. Electrochem. Soc., 2002, 149(1): A39
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
X. L. Li, F. Y. Kang, X. D. Bai, and W. Shen, Electrochem. Commun., 2007, 9(4): 663
B. Jin, E. M. Jin, K. H. Park, and H. B. Gu, Electrochem. Commun., 2008, 10(10): 1537
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
Y. Feng, Mater. Chem. Phys., 2010, 121(1–2): 302
T. Muraliganth, A. V. Murugan, and A. Manthiram, J. Mater. Chem., 2008, 18(46): 5661
G. P. Wang, Q. T. Zhang, Z. L. Yu, and M. Z. Qu, Solid State Ion., 2008, 179(7–8): 263
K. Sheem, Y. H. Lee, and H. S. Lim, J. Power Sources, 2006, 158(2): 1425
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
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
X. L. Li, F. Y. Kang, and W. C. Shen, Carbon, 2006, 44(7): 1334
X. L. Li, F. Y. Kang, and W. C. Shen, Electrochem. Solid State Lett., 2006, 9(3): A126
A. Varzi, C. Taubert, M. Wohlfahrt-Mehrens, M. Kreis, and W. Schutz, J. Power Sources, 2011, 196(6): 3303
J. Y. Eom, J. W. Park, H. S. Kwon, and S. Rajendran, J. Electrochem. Soc., 2006, 153(9): A1678
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
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
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
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
S. Luo, K. Wang, J. Wang, K. Jiang, Q. Li, and S. Fan, Adv. Mater., 2012, 24(17): 2294
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
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
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
P. G. Bruce, B. Scrosati, and J.-M. Tarascon, Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47(16): 2930
C. M. Hayner, X. Zhao, and H. H. Kung, Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, 3(1): 445
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
W. X. Chen, J. Y. Lee, and Z. Liu, Electrochem. Commun., 2002, 4(3): 260
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
O. Crosnier, T. Brousse, X. Devaux, P. Fragnaud, and D. M. Schleich, J. Power Sources, 2001, 94(2): 169
J. O. Besenhard, J. Yang, and M. Winter, J. Power Sources, 1997, 68(1): 87
T. P. Kumar, R. Ramesh, Y. Y. Lin, and G. T. K. Fey, Electrochem. Commun., 2004, 6(6): 520
Y. Wang, and J. Y. Lee, Angew. Chem.-Int. Edit., 2006, 45(42): 7039
L. Huang, J.-S. Cai, Y. He, F.-S. Ke, and S.-G. Sun, Electrochem. Commun., 2009, 11(5): 950
K. D. Kepler, J. T. Vaughey, and M. M. Thackeray, Electrochem. Solid-State Lett., 1999, 2(7): 307
C. K. Chan, R. N. Patel, M. J. O’Connell, B. A. Korgel, and Y. Cui, ACS Nano, 2010, 4(3): 1443
C. Martin, O. Crosnier, R. Retoux, D. Belanger, D. M. Schleich, and T. Brousse, Adv. Funct. Mater., 2011, 21(18): 3524
G. Chen, Z. Y. Wang, and D. G. Xia, Chem. Mat., 2008, 20(22): 6951
Z. H. Wen, Q. Wang, Q. Zhang, and J. H. Li, Adv. Funct. Mater., 2007, 17(15): 2772
L. Noerochim, J. Z. Wang, S. L. Chou, H. J. Li, and H. K. Liu, Electrochim. Acta, 2010, 56(1): 314
H. X. Zhang, C. Feng, Y. C. Zhai, K. L. Jiang, Q. Q. Li, and S. S. Fan, Adv. Mater., 2009, 21(22): 2299
J. Xie and V. K. Varadan, Mater. Chem. Phys., 2005, 91(2–3): 274
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)
Y. B. Fu, R. B. Ma, Y. Shu, Z. Cao, and X. H. Ma, Mater. Lett., 2009, 63(22): 1946
G. D. Du, C. Zhong, P. Zhang, Z. P. Guo, Z. X. Chen, and H. K. Liu, Electrochim. Acta, 2010, 55(7): 2582
C. H. Xu, J. Sun, and L. Gao, J. Phys. Chem. C, 2009, 113(47): 20509
Z. Y. Wang, G. Chen, and D. G. Xia, J. Power Sources, 2008, 184(2): 432
P. Poizot, S. Laruelle, S. Grugeon, L. Dupont, and J. M. Tarascon, Nature, 2000, 407(6803): 496
J. Cabana, L. Monconduit, D. Larcher, and M. R. Palacin, Adv. Mater., 2010, 22(35): E170
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
A. L. M. Reddy, M. M. Shaijumon, S. R. Gowda, and P. M. Ajayan, Nano Lett., 2009, 9(3): 1002
F. Teng, S. Santhanagopalan, and D. D. Meng, Solid State Sci., 2010, 12(9): 1677
Z. Wang, D. Luan, S. Madhavi, Y. Hu, and X. W. Lou, Energy Environ. Sci., 2012, 5(1): 5252
Y. He, L. Huang, J. S. Cai, X. M. Zheng, and S. G. Sun, Electrochim. Acta, 2010, 55(3): 1140
H. Xia, M. O. Lai, and L. Lu, J. Mater. Chem., 2010, 20(33): 6896
G. X. Wang, X. P. Shen, J. N. Yao, D. Wexler, and J. Ahn, Electrochem. Commun., 2009, 11(3): 546
A. R. Armstrong, G. Armstrong, J. Canales, R. Garcia, and P. G. Bruce, Adv. Mater., 2005, 17(7): 862
P. Liu, S. H. Lee, C. e. Tracy, Y. Yan, and J. a. Turner, Adv. Mater., 2002, 14(1): 27
C. M. Julien, Materials Science and Engineering: R: Reports, 2003, 40(2): 47
Y. S. Hu, L. Kienle, Y. G. Guo, and J. Maier, Adv. Mater., 2006, 18(11): 1421
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
L. Shen, C. Yuan, H. Luo, X. Zhang, K. Xu, and F. Zhang, J. Mater. Chem., 2011, 21(3): 761
J. J. Huang and Z. Y. Jiang, Electrochim. Acta, 2008, 53(26): 7756
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
D. H. Lee, D. W. Kim, and J. G. Park, Cryst. Growth Des., 2008, 8(12): 4506
J. S. Sakamoto and B. Dunn, J. Electrochem. Soc., 2002, 149(1): A26
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
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
J. Xu, G. Chen, and X. Li, Mater. Chem. Phys., 2009, 118(1): 9
Y. Zhou, J. Wang, Y. Hu, R. O’Hayre, and Z. Shao, Chemical Communications, 2010, 46(38): 7151
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
J. J. Chen and M. S. Whittingham, Electrochem. Commun., 2006, 8(5): 855
L. Wang, Y. D. Huang, R. R. Jiang, and D. Z. Jia, J. Electrochem. Soc., 2007, 154(11): A1015
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
K. Evanoff, J. Khan, A. A. Balandin, A. Magasinski, W. J. Ready, T. F. Fuller, and G. Yushin, Adv. Mater., 2012, 24(4): 533
X. Chen, H. Zhu, Y.-C. Chen, Y. Shang, A. Cao, L. Hu, and G. W. Rubloff, ACS Nano, 2012, 6(9): 7948
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
I. S. Hwang, J. C. Kim, S. D. Seo, S. Lee, J. H. Lee, and D. W. Kim, Chem. Commun., 2012, 48(56): 7061
W. Wang and P. N. Kumta, ACS Nano, 2010, 4(4): 2233
L. F. Cui, L. B. Hu, J. W. Choi, and Y. Cui, ACS Nano, 2010, 4(7): 3671
Y. Wu, Y. Wei, J. P. Wang, K. L. Jiang, and S. S. Fan, Nano Lett., 2013, 13(2): 818
B. A. Johnson and R. E. White, J. Power Sources, 1998, 70(1): 48
P. Arora, R. E. White, and M. Doyle, J. Electrochem. Soc., 1998, 145(10): 3647
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
A. Kiebele and G. Gruner, Appl. Phys. Lett., 2007, 91(14)
Y. X. Zhou, L. B. Hu, and G. Gruner, Appl. Phys. Lett., 2006, 88(12)
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
N. Singh, C. Galande, A. Miranda, A. Mathkar, W. Gao, A. L. M. Reddy, A. Vlad, and P. M. Ajayan, Sci. Rep., 2012, 2
L. B. Hu, H. Wu, F. La Mantia, Y. A. Yang, and Y. Cui, ACS Nano, 2010, 4(10): 5843
B. J. Landi, M. J. Ganter, C. D. Cress, R. A. DiLeo, and R. P. Raffaelle, Energy Environ. Sci., 2009, 2(6): 638
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
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Wu, Y., Wang, J., Jiang, K. et al. Applications of carbon nanotubes in high performance lithium ion batteries. Front. Phys. 9, 351–369 (2014). https://doi.org/10.1007/s11467-013-0308-x
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11467-013-0308-x