電池材料新修改演示文稿

電池材料新修改演示文稿當前第1頁\共有60頁\編于星期六\11點（優(yōu)選）電池材料新修改.當前第2頁\共有60頁\編于星期六\11點電池發(fā)展史電池分類IIcontentsIII新型材料電池IV總結展望當前第3頁\共有60頁\編于星期六\11點電池發(fā)展史1780-1791年，發(fā)明伽尼爾電池。1800年，伏打電堆的發(fā)明標志著電池的誕生。1859年，普朗特發(fā)明鉛酸電池。1868年，勒克朗謝發(fā)明鋅/二氧化錳干電池。1899年，發(fā)明Ni/Cd蓄電池。1951年，發(fā)明密封Ni/Fe蓄電池。1995年，發(fā)明聚合物電解質鋰離子電池。1990年，發(fā)明鋰離子電池。當前第4頁\共有60頁\編于星期六\11點II電池分類電池鋅電池鉛電池鋰電池其他新型電池堿性二次電池鋰二次電池鋰一次電池鋅/錳干電池堿錳電池鋅/空氣一次電池鋅/溴電池Ni/Fe電池Ni/Cd電池Ni/MH電池燃料電池等等當前第5頁\共有60頁\編于星期六\11點鋰離子電池材料燃料電池材料新型電池材料鎳氫電池材料III新型電池材料當前第6頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.鋰離子電池材料概述1.1發(fā)展背景由于空間和軍用的需求以及電子技術的迅速發(fā)展，對體積小、質量輕、比能量高、使用壽命長的電池要求日益迫切，對上述各項性能的要求越來越高。鋰離子二次電池正是在這一形式下發(fā)展起來的一種新型能源。當前第7頁\共有60頁\編于星期六\11點1.2鋰離子電池工作原理III鋰離子電池是在鋰二次電池基礎上發(fā)展起來的一種新型充電電池，它的正負極材料都是能發(fā)生鋰離子嵌入-脫出反應的物質。充電態(tài):負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)。在充放電過程中，鋰離子在正負極間搖來晃去，而無金屬鋰的析出，因此，鋰離子電池又稱為“搖椅電池”。當前第8頁\共有60頁\編于星期六\11點這種電池的工作電壓與構成電極的鋰離子嵌入化合物的濃度有關III圖1鋰離子電池充放電原理當前第9頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.3鋰離子電池負極材料負極材料碳素材料非碳材料石墨材料軟碳材料硬碳材料錫的氧化物錫基復合氧化物含鋰過渡金屬氮化物納米級負極材料當前第10頁\共有60頁\編于星期六\11點1.3.1碳素材料III

碳材料是人們最早開始研究并應用于鋰離子電池的生產中、至今仍為大家關注和研究的重點之一。碳材料負極的充放電反應是鋰在固相內嵌入-脫嵌反應，在電池充放電過程中，鋰在負極材料的內脫/嵌并形成鋰碳插入化合物LixC6。LixC6→Lix-yC6+yLi++ye-當前第11頁\共有60頁\編于星期六\11點

1）石墨材料III易解離柔軟有潤滑性導電性在石墨材料中，層與層間靠范德華力鍵合在一起形成層狀結構，其良好的層狀結構，更適合Li離子的脫/嵌，形成鋰-碳插入化合物LixC6當前第12頁\共有60頁\編于星期六\11點III

理想石墨晶體的層間距為0.33538mm，左圖為六面體對稱。當前第13頁\共有60頁\編于星期六\11點III石墨材料的典型充放電曲線當前第14頁\共有60頁\編于星期六\11點III

2）軟碳材料在軟碳中，石墨微晶間取軟碳材料可分為石墨化軟碳和非石墨化軟碳。向差別較小，結合力很弱，在高溫下，微晶很容易轉動合并成石墨晶體，所以，軟碳也稱為易石墨化碳。軟碳材料經2000℃以上處理,在結構上接近石墨,在嵌鋰特性上也和石墨相似。當前第15頁\共有60頁\編于星期六\11點在硬碳中，微晶間取向差別較大，存在交聯，結合力很強，即使在高溫下也不容易轉動，很難轉變成石墨，所以，硬碳也稱為非石墨化碳或者難石墨化碳。III

3）硬碳材料當前第16頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.3.2非碳材料1.錫的氧化物

錫的氧化物有氧化錫SnO2和氧化亞錫SnO，兩者都具有一定的儲鋰能力，其混合物也具有儲鋰能力。2.錫基復合氧化物

在Sn的氧化物中加入一些金屬或非金屬氧化物，如Fe、Ti、Ge、Si、Al、P、B等元素的氧化物。目前，這種材料的脫嵌機理及充放電循環(huán)性能等還有待進一步研究。當前第17頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.含鋰過渡金屬氮化物是在氮化鋰Li3N這種高離子導體材料研究基礎上發(fā)展起來的，也具有高離子導電性和過渡金屬價態(tài)可變性，在結構上可分為反CaF2型和Li3N型兩種，最具代表性的材料分別為Li7MnN4和Li3-xCoxN等。4.納米級負極材料

目前已報道的有：SnSbx，SnAgx，FeSnx/FeSnC，CuSnx,C/Si,nano-Si等。制備方法高能球磨、電化學沉積、水溶液體系還原法當前第18頁\共有60頁\編于星期六\11點III研究中注意的實際問題：①獲得更高嵌鋰量的同時，降低材料的首次不可逆容量，并將其控制在總容量的10%以內；②研究和提高材料的體積比容量，使電池容量真正得到提高；③充分考察具有高比平面、高活性的納米材料的安全性；④符合大生產要求的納米材料生產及其實際使用方式方法與工藝技術；⑤降低材料的生產和使用成本，使其真正具有使用價值。當前第19頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.4鋰離子電池正極材料

正極活性物質是決定鋰離子電池性能的重要因素之一。普遍為電池業(yè)接受的正極活性物質主要是層狀結構的鋰鈷氧化物和鋰鎳氧化物，以及尖晶石結構的鋰錳氧化物。正極材料鋰鈷氧化物鋰鎳氧化物尖晶石LiMn2O4當前第20頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.4.1鋰鈷氧化物

目前商品化鋰離子電池幾乎全部采用LiCoO2作為正極材料，具有工作電壓高（3.6V）、放電穩(wěn)定、適合大電流放電、比能量高、循環(huán)性好、制備工藝簡單等優(yōu)點。

當前第21頁\共有60頁\編于星期六\11點III

鋰鈷氧化物的合成技術有：A高溫合成技術一般是以Li2CO3和CoCO3為原料，按nLi：Co（摩爾比）為1：1配制，在700~900℃下，空氣氛圍灼燒而成。B低溫合成技術這種低溫合成技術相對于高溫合成技術而言是指前期的合成溫度較低或經軟化學處理，后期高溫合成所需時間較短而已。當前第22頁\共有60頁\編于星期六\11點不足之處III1.4.2鋰鎳氧化物主要是指LiNiO2。在一定的條件下，Li能夠在NiO層與層之間進行嵌入脫出，使得它成為理想的鋰離子電池嵌基材料。制備困難、安全性較差、在高溫脫鋰狀態(tài)下熱穩(wěn)定性較差、工作電壓較低、可逆循環(huán)性較差。關鍵：改進合成方法當前第23頁\共有60頁\編于星期六\11點1.4.3尖晶石LiMn2O4正極材料III制備方法：高溫固相法、融鹽浸漬法、共沉淀法、Pechini法，電化學法、噴霧干燥法、溶膠-凝膠法等軟化學方法。其中高溫固相反應法和溶膠-凝膠法為主要的合成方法。優(yōu)點成本低、無污染、電性能好，應用前景非常誘人當前第24頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.5鋰離子電池電解質材料基本要求良好的離子導電性高離子遷移數一定的化學穩(wěn)定性足夠的機械強度當前第25頁\共有60頁\編于星期六\11點III從相態(tài)分：鋰離子電池電解質液體電解質固體電解質無機液體電解質有機液體電解質無機固體電解質有機固體電解質熔融鹽純固體聚合物電解質膠體聚合物電解質當前第26頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.6鋰離子電池的應用

鋰離子電池具有以下優(yōu)點:高電壓、高容量、低消耗、無記憶效應、無公害、體積小、內阻小、自放電少、循環(huán)次數多。因其上述顯著特點,鋰離子電池已應用到移動電話、筆記本電腦、攝像機、數碼相機等眾多民用及軍事領域。另外,國內外也在競相開發(fā)電動汽車、航天和儲能等方面所需的大容量鋰離子電池。當前第27頁\共有60頁\編于星期六\11點III鋰離子電池的應用電子產品照明工具電動玩具、航模、車模等交通工具航天、國防當前第28頁\共有60頁\編于星期六\11點手機、照相機、攝錄機、筆記本電腦等電子產品當前第29頁\共有60頁\編于星期六\11點在山西焦煤集團公司杜兒坪礦試用的鋰電礦燈，全部是單體蓄電池。鋰電礦燈的第一次下井使用，便以輕巧、易攜而受到礦工的喜愛。礦燈當前第30頁\共有60頁\編于星期六\11點

2008年7月11日，北京公交公司的司乘人員在剛剛領到的鋰離子電池純電動客車前列隊待發(fā)。北京奧運會和殘奧會期間，由北京理工大學和京華客車公司開發(fā)的50輛鋰離子電池純電動客車在奧運村內環(huán)線等3條公交線路上運行。西安聯眾電動自行車有限公司生產的鋰離子電池電動自行車電動車當前第31頁\共有60頁\編于星期六\11點電動玩具航模，車模等當前第32頁\共有60頁\編于星期六\11點2001年10月，Proba作為歐空局“通用支持技術計劃”（GSTP）的技術演示衛(wèi)星發(fā)射升空。入軌后，小衛(wèi)星獨特的能力和功能使其對科學做出重大貢獻，故而被繼續(xù)用于地球觀測任務。這是AEA電源公司首次在PROBA小衛(wèi)星上使用鋰離子電池，該公司為歐洲航空局提供工作溫度范圍-40℃～70℃鋰離子電池。Proba星載CHRIS拍攝的Niauatoll（南太平洋）

歐空局低成本小衛(wèi)星Proba在軌5年

航天當前第33頁\共有60頁\編于星期六\11點III1.7國內鋰離子電池生產行業(yè)狀況寧波奧克斯能源有限公司主要生產鈷酸鋰;隔膜紙;電解液等;鋰離子電池;電芯;玩具電池;

寧波華天鋰電池科技有限公司生產各種方形鋰離子電池、圓柱形電池，廣泛應用于無線鼠標、MP3、DVD、復讀機、數碼相機、無線耳機、PDA等便攜式移動電子產品領域。

寧波維科電池有限公司液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、鋰離子動力電池等60多種產品規(guī)格，滿足通訊手機以及數碼相機、移動DVD、MP3等多行業(yè)、多品種市場需求。

2008年中國鋰離子電池暢銷產品排行榜寧波鋰離子電池主要生產企業(yè)：目前國內鋰離子市場應用領域側重于便攜式電子產品；盡管目前大部分電動自行車采用鉛酸蓄電池作為動力，隨著人們對環(huán)境保護一是的增強及鋰離子電池價格的不斷下降，也將逐步被鋰離子電池所取代；而電動汽車與內燃機汽車相比，存在這價格、行駛歷程、動力性能等方面的劣勢，性能有待于進一步改進。當前第34頁\共有60頁\編于星期六\11點III2.鎳氫電池材料概述2.1發(fā)展背景：

隨著社會經濟的持續(xù)發(fā)展，電池的需求量越來越大，特別是可充電電池的市場需求量迅速增加，鎳氫電池以其容量大、無污染、價格適中等優(yōu)越性，迅速獲得了廣泛應用。鎳氫電池是一種性能非常優(yōu)異的新型電池，它一定會取代目前大量應用的鎳鎘電池。當前第35頁\共有60頁\編于星期六\11點III2.2

工作原理

（1）負極反應充電過程:M+H2O+e→MHad+OH-MHad→α-Mhad→β-MHad

放電過程：β-MHad（α-MHad

）→MHadMHad+OH-→M+H2O+e（2）正極反應（與鎳-鎘電池同）正常充電：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e

正常放電：NiOOH+H2O+e→Ni(OH)2+OH-（3）電池反應正常充電：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH

正常放電：MHad+NiOOH→M+Ni(OH)2

過放電過程：H2(正極)→H2(負極)當前第36頁\共有60頁\編于星期六\11點III2.3

鎳氫電池的優(yōu)點（1）能量密度高，是鎘-鎳電池的1.5－2.0倍（2）電池電壓為1.2－1.3V，與鎘-鎳電池相當（3）可以快速充放電（4）低溫特性較好（5）可密封，耐過充放電性能好（6）無毒和無環(huán)境污染，被稱為“綠色環(huán)保電池”（7）不使用貴金屬催化劑（8）無記憶效應當前第37頁\共有60頁\編于星期六\11點III2.4鎳氫電池的電極材料

鎳氫電池，屬于新型二次堿性電池。

鎳氫電池正極的活性物質氫氧化鎳，負極活性物質為貯氫合金稀土系鈦系鎂系釩系鋯系化學沉淀法,粉末金屬法,金屬鎳電解法當前第38頁\共有60頁\編于星期六\11點III2.5鎳氫電池的電解質材料

氫-鎳電池多采用含30％LiOH的KOH水溶液，作為電解質。電解液的組成、濃度用量等對電池性能均有一定的影響，可根據具體情況進行選擇。

2.6鎳氫電池的應用

氫鎳電池逐步取代鎘鎳電池在電動工具、電動助力車、電話子母機、便攜式電話、攝像機、微型電腦、通訊設備等高性能電源的市場。當前第39頁\共有60頁\編于星期六\11點應用于上海儲能電站春蘭高能動力鎳氫電池日前，被列入國家科技支撐計劃，預計2010年世博會前示范運營的兆瓦級“電力銀行”——上海儲能電站，在充分調研和性能比對的基礎上，最終選擇春蘭高能動力鎳氫電池為其關鍵儲能產品，并確定春蘭清潔能源研究院有限公司為其重要供應商。春蘭清潔能源研究院有限公司相關負責人介紹，此次應用于上海電力行業(yè)的高能動力鎳氫電池為100安時。（春蘭（集團）公司網站）當前第40頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.燃料電池材料3.1發(fā)展背景

燃料電池（FuelCell,FC）是一種新興的化學能源，其具有能量轉換效率高、燃料使用和場址選擇靈活、潔凈、噪聲低等優(yōu)點。美、日、加、歐洲及澳洲在燃料電池的研究和應用領域處于世界前沿，我國早在20世紀50年代起就開始了燃料電池的理論研究。當前第41頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.2

工作原理

燃料電池是一種電化學裝置，簡單地講，是反應物燃料與空氣中的氧氣發(fā)生電化學反應而獲得電能和熱能的裝置。能量轉化過程為化學能直接轉化成電能和熱能，形成的電能為低壓直流電能。當前第42頁\共有60頁\編于星期六\11點III以堿性燃料電池為例，所發(fā)生的電化學反應如下燃料（如氫）在陽極發(fā)生氧化反應：H2+2OH-→H2O+2e-標準電極電位：-0.828V氧化劑（如氧）在陰極發(fā)生還原反應：1/2O2+H2+2e→2HO-標準電極電位：0.401V整個電池的反應：1/2O2+H2→H2O電池理論標準電勢：V0=0.401-(-20.828)=1.229V

即單電池的輸出電壓為1.229V。為了得到所需的電壓和電流，可以通過電池的串聯和并聯，使其組成一定發(fā)電能力的電池組。當前第43頁\共有60頁\編于星期六\11點III熔融碳酸鹽燃料電池MCFC固體氧化物燃料電池SOFC堿性燃料電池AFC磷酸型燃料電池PAFC質子交換膜燃料電池PEMFC燃料電池3.3

燃料電池的分類當前第44頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.4固體氧化物燃料電池SOFC當前第45頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.4.1工作原理

SOFC采用固體氧化物作為電解質。固體氧化物高溫下具有傳遞O2-的能力，在電池中起傳遞O2-和分離空氣、燃料的作用。燃料氣為氫氣，一氧化碳，天然氣，煤制氣，蒸餾油。當前第46頁\共有60頁\編于星期六\11點IIISOFC電解質材料相容性致密性穩(wěn)定性電導率熱膨脹系數3.4.2電解質材料在SOFC中，電解質材料的主要作用是在陰極與陽極之間傳遞氧離子和對燃料及氧化劑的有效隔離。SOFC對電解質材料的具體要求如右圖所示：當前第47頁\共有60頁\編于星期六\11點III常用固體氧化物電解質材料：

有Y2O3、CaO等摻雜的Bi2O3、CeO2、ZrO2、TlO2、HfO2氧化物形成的固溶物。目前，研究最深入、最有使用價值的電解質材料是具有立方螢石結構的Y2O3，ZrO2(YSZ)當前第48頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.4.3陽極材料SOFC陽極的主要作用是為燃料的電化學氧化提供反應場所，所以SOFC陽極材料必須在還原氣氛中穩(wěn)定．并具有足夠高的電子電導率和對燃料氧化反應的催化活性。在中溫、高溫SOFC中，適合作為陽極催化劑的材料主要有金屬、電子導電陶瓷和混合導體氧化物等。常用的陽極催化劑有Ni、Co和貴金屬材料。其中金屬Ni由于其具有高活性、低價格的特點，應用最為廣泛。在SOFC中，通常將Ni分散于YSZ或SDC等電解質材料中制成復合金屬陶瓷陽極。當前第49頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.4.4陰極材料

陰極的作用是為氧化劑的電化學還原提供場所。因此陰極材料必須在氧化氣氛下保持穩(wěn)定，并在SOFC操作條件下具有足夠高的電于電導率和對氧電化學還原反應的催化活性。

目前，在高溫SOFC的研究與開發(fā)中使用最廣泛的陰極材料是Sr攙雜的LaMnO3(LSM)。對中溫SOFC，通常采用Sr、Fe攙雜的出LaCoO3(LSCF)、SrCoFe3-x(SCF)、Sr攙雜的SmCoO3(SSC)等離子—電子混合導電材料作陰極。當前第50頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.5燃料電池的應用近年來，許多國家和地區(qū)都將燃料電池技術與周邊設施產業(yè)的開發(fā)列為國家重點研發(fā)項目，例如美國的“展望21世紀”（Vision21）、“自由車（FreedomCAR）“、“自由燃料”（FreedomFuel）、日本的“新日光計劃”（NewSunshineProgram）,以及歐洲的”焦耳計劃“（JOULE）等，燃料電池發(fā)電將有可能繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電后而成為21世紀的第四代發(fā)電方式。污染成分天然氣火力發(fā)電重油火力發(fā)電煤火力發(fā)電燃料電池SOx2.5~230455082000~0.12NOx18003200320063~107酚類20~1270135~500030~1000014~102粉塵0~9045~320365~6800~0.14表3.5燃料電池與火力發(fā)電的大氣污染比較當前第51頁\共有60頁\編于星期六\11點燃料電池可作為宇宙飛船、人造衛(wèi)星、宇宙空間站等航天系紹的能源，也可用于并網發(fā)電的高效電站；它可作為大型廠礦的獨立供電系統，也可作為城市工業(yè)區(qū)、繁華商業(yè)區(qū)、高層建筑物、邊遠地區(qū)和孤立海島的小型供電站，此外，它還能用于大型通信設備和家庭的備用電源以及交通工具的牽引動力等。圖3.5不同類型燃料電池的用途和主要特點III當前第52頁\共有60頁\編于星期六\11點III3.5.1燃料電池電動車燃料電池電動車在運行時幾乎不排放CO2和NOx等污染環(huán)境的氣體，順應新世紀綠色生態(tài)的主題，因而備受青睞，成為世界各主要汽車廠商目前研發(fā)與競爭的熱點。右圖為中國科技部部長萬鋼試駕奧運新能源汽車。

中新社發(fā)錢興強攝當前第53頁\共有60頁\編于星期六\11點III當前第54頁\共有60頁\編于星期六\11點III戴墨勒-克萊斯勒公司（Daimler-ChryslerCo.）2000年推出用甲醇重整氣做燃料的NECAR5轎車。TOYOTA公司2003年在北美國際汽車展上展示的、采用hybrid技術的ToytaF