电池材料的发展范文

电池材料的发展范文电池材料的发展范文 电池材料的发展摘要 简要阐述电池材料体系的发展史 分类 且还 对新型电池材料中的锂离子电池材料 镍氢电池材料和燃料电池材 料进行概述 综述最近几年来新型材料的发展前景 并做了展望 关键词 电池 锂离子电池 镍氢电池 燃料电池 发展The development of battery materials Abstract Briefly thehistory of the developmentofthebatterymaterialsystem classification and alsonew battery materials inthe lithium ion batterymaterials andnickel metal hydridebatterymaterialsand fuelcell materialsoverview summarizes thebest prospectsfor thedevelopmentofnew materialsin recentyears andhas donea prospect Key Words Battery Lithium ion battery Nickel metal hydridebattery Fuel cell Development0引言1800年 伏打电池的发明标志着电源装置 电池的诞生 200多年的发展历程使电池的用途和性能趋于完善 尤其是进入20世 纪80年代后 随着电子信息技术的蓬勃兴起 各种智能卡 电子表 计算器 移动电话 便携式CD机和手提电脑等的应用 以及人们 对于生态意识的提高 新一代安全 绿色 高效的一次和二次电池 相继研发和应用 我国目前已是电池生产大国 但还不是电池强国 在整体生产技术 和工业水平上处于劣势 为进一步提高我国电池产品的竞争力 充分发挥优势群体的积极性 和创造性 开发出更具发展前景的高能 环保 新型电池材料 走 出一条具有中国特色的电池技术发展之路 由此可以看出 电池业的发展在于电池材料业的发展 研发和生产 在世界上具有竞争优势的电池材料是电池行业首要的任务 1电池发展史1780至1791年 发明伽尼尔电池 1800年 伏打电堆的 发明标志着电池的诞生 1859年 普朗特发明铅酸电池 1868年 勒克朗谢发明锌 二氧化锰 干电池 1899年 Ni Cd蓄电池产生 1951年 密封Ni Fe蓄电池产 生 1990年 锂离子电池产生 1995年 发明聚合物电解质锂离子 电池 200多年的发展史是电池材料广泛应用越来越多的电子行业领域 2电池分类电池材料主要分为锌电池 铅电池 碱性二次电池 锂电 池和其他新型电池 锂离子电池主要是锂一次 二次电池 而其他新型电池材料主要为 燃料电池等等 3新型电池材料新型电池材料体系 1 2 主要由锂离子电池材料 镍氢电池材料和燃料电池材料构成 3 1锂离子电池材料锂离子电池 3 4 是继镉 镍 金属氢化物 镍电池之后最新一代蓄电池 1990年由 日本SONY公司首先研制成功并实现商品化 由于由于空间和军用的需求以及电子技术的迅速发展 对体积小 质量轻 比能量高 使用寿命长的电池要求日益迫切 对上述各项 性能的要求越来越高 锂离子二次电池正是在这一形式下发展起来的一种新型能源 3 1 1锂离子电池工作原理锂离子电池是在锂二次电池基础上发展起 来的一种新型充电电池 它的正负极材料都是能发生锂离子嵌入 脱出反应的物质 充电态时 负极处于富锂态 正极处于贫锂态 在充放电过程中 锂离子在正负极间摇来晃去 而无金属锂的析出 因此 锂离子电池又称为 摇椅电池 图3 1 1为锂离子电池充放电原理 4 这种电池的工作电压与构成 电极的锂离子嵌入化合物的浓度有关 图3 1 1锂离子电池充放电原理3 1 2锂离子电池负极材料锂离子电 池的负极材料主要包括石墨 硬碳和含氢碳等材料 5 6 同时一些金属氧化物作为锂离子电池的负极材料也受到了较多 的重视 作为锂离子电池的负极材料一般具有以下特点 7 8 锂离子的脱嵌容量要大 具有良好的充放电循环特性 放电 电压很快达到平衡状态 高度可逆的嵌入反应 与电解质具有良 好的相容性 碳材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池的生产中 至今仍 为大家关注和研究的重点之一 碳材料负极的充放电反应是锂在固相内嵌入 脱嵌反应 在电池充放电过程中 锂在负极材料的内脱 嵌并形成锂 碳插入化合物LixC6 在碳负极材料中 焦炭和石墨是最重要的两种 在商品化的锂离子电 池中得到了广泛的应用 图3 1 2为石墨材料的典型充放电曲线 4 图3 1 2石墨材料的典型充放电曲线LixC6 Lix yC6 yLi ye 非碳负极材料主要有锡的氧化物 锡基复合氧化物 含锂过渡金属 氮化物和纳米级负极材料 在研究锂离子电池负极材料时 需要注意的实际问题有 获得更高 嵌锂量的同时 降低材料的首次不可逆容量 并将其控制在总容量 的10 以内 研究和提高材料的体积比容量 使电池容量真正得到 提高 充分考察具有高比平面 高活性的纳米材料的安全性 符合大生产要求的纳米材料生产及其实际使用方式方法与工艺技术 降低材料的生产和使用成本 使其真正具有使用价值 3 1 3锂离子电池正极材料正极活性物质是决定锂离子电池性能的重 要因素之一 普遍为电池业接受的正极活性物质主要是层状结构的锂钴氧化物和 锂镍氧化物 以及尖晶石结构的锂锰氧化物 目前商品化锂离子电池几乎全部采用锂钴氧化物LiCoO2作为正极材 料 具有工作电压高 3 6V 放电稳定 适合大电流放电 比能 量高 循环性好 制备工艺简单等优点 锂钴氧化物的合成技术有高温合成技术和低温合成技术 高温合成技术一般是以Li2CO3和CoCO3为原料 按nLi Co 摩尔比 为11配制 在700 900 下 空气氛围灼烧而成 而低温合成技术相对于高温合成技术而言是指前期的合成温度较低 或经软化学处理 后期高温合成所需时间较短而已 锂镍氧化物LiNiO2为正极材料 在一定的条件下 Li能够在NiO层与 层之间进行嵌入脱出 使得它成为理想的锂离子电池嵌基材料 但这种材料存在制备困难 安全性较差 在高温脱锂状态下热稳定 性较差 工作电压较低 可逆循环性较差等缺点 可通过改进合成 方法弥补这些缺陷 图3 1 3为LiNiO2的充放电曲线 3 图3 1 3LiNiO2的充放电曲线LiMn2O4是尖晶石型嵌锂化合物的典型 代表 它的可逆容量大约比LiCoO2低20 左右 在正极材料中 LiMnO4具有最低的成本和较好的耐过充性和安全性 正尖晶石LiMn2O4的主要缺点是循环性能较差 特别是在高温下嵌锂 容量迅速衰减 产生这一现象的原因主要有 9 10 充放电时 电解质溶液在高压区不稳定 LiMn2O4在充放电循 环中易发生歧化反应 产生晶体结构破坏生成Mn 溶解到电解液中 深度放电产生Jahn Teller效应 3 1 4锂离子电池电解质材料锂离子对电解质材料的要求为 良好的 离子导电性 高离子迁移数 一定的化学稳定性 足够的机 械强度 锂离子电池电解质材料有液体电解质和固体电解质 液体电解质有无机电解液 如常用的电解质锂盐LiClO 4 LiBF 4 LiAsF 6 LiPF 6 LiCF3SO3和LiN SO2CF3 2等 和有机电解液 主要包括碳酸酯 醚和羧酸酯等 固体电解质又可分为无机固体电解质 有机固体 电解质和熔融盐 3 1 5锂离子电池的应用锂离子电池具有以下优点 高电压 高容量 低消耗 无记忆效应 无公害 体积小 内阻小 自放电少 循 环次数多 因其上述显著特点 锂离子电池已应用到移动电话 笔记本电脑 摄 像机 数码相机等众多民用及军事领域 另外 国内外也在竞相开发电动汽车 航天和储能等方面所需的大容 量锂离子电池 xx年 为实现北京奥运 绿色奥运 科技奥运 人文奥运 三大理 念 由北京理工大学和京华客车公司开发的50辆锂离子电池纯电动 客车在奥运村内环线等3条公交线路上运行 11 3 2镍氢电池材料随着社会经济的持续发展 电池的需求量越来越大 特别是可充电电池的市场需求量迅速增加 镍氢电池以其容量大 无污染 价格适中等优越性 迅速获得了广泛应用 镍氢电池是一种性能非常优异的新型电池 它一定会取代目前大量 应用的镍镉电池 3 2 1镍氢电池工作原理镍氢电池是镍 金属氢化合物碱性蓄电池的简称 化学符号为Ni MH 正极采用氢氧化镍发泡板 并以由从稀土提炼出来的贮氢合金 粉作负极 外观为密封圆柱形 单元电压为1 5V 镍氢电池工作原理为 1 负极反应充电过程 M H2O e MHad OH MHad Mhad MHad放电过程 MHad MHad MHad MHad OH M H2O e 2 正极反应 与镍 镉电池同 正常充电Ni OH 2 OH NiOOH H2O e 正常放电NiOOH H2O e Ni OH 2 OH 3 电池反应正常充电M Ni OH 2 MH NiOOH正常放电MHad NiOOH M Ni OH 2过放电过程H2 正极 H2 负极 其优点有 能量密度高 是镉 镍电池的1 5 2 0倍 电池电压为1 2 1 3V 与镉 镍电池相当 可以快速充放电 低温特性较好 可密封 耐 过充放电性能好 无毒和无环境污染 被称为 绿色环保电池 不使用贵金属催化剂 无记忆效应 3 2 2镍氢电池电极材料镍氢电池 属于新型二次碱性电池 其正极 活性物质为氢氧化镍 负极活性物质为贮氢合金 3 2 3镍氢电池电解质材料氢 镍电池多采用含30 LiOH的KOH水溶液 作为电解质 电解液的组成 浓度用量等对电池性能均有一定的影响 可根据具 体情况进行选择 3 2 4镍氢电池的应用氢镍电池逐步取代镉镍电池在电动工具 电动 助力车 电话子母机 便携式电话 摄像机 微型电脑 通讯设备 等高性能电源的市场 大型镍氢蓄电池 较之铅蓄电池能蓄存更多的电能 其能量密度约 高一倍 而且循环寿命长 输出功率高 耐低温性能也很好 因此 早在1996年日本已开发成功装载镍氢电池的电力汽车 近年来日本又开发成功了利用镍氢电池作动力的新型高空作业车 在国内 xx年上海世博会前示范运营的兆瓦级 电力银行 上海储能电站也选择春兰高能动力镍氢电池 12 为其关键储能产品 3 3燃料电池材料燃料电池 Fuel Cell FC 是一种新兴的化学能源 其具有能量转换效率高 燃料使 用和场址选择灵活 洁净 噪声低等优点 美 日 加 欧洲及澳洲在燃料电池的研究和应用领域处于世界前 沿 我国早在20世纪50年代起就开始了燃料电池的理论研究 3 3 1燃料电池工作原理燃料电池 13 18 是一种电化学装置 简单地讲 是反应物燃料与空气中的氧气发 生电化学反应而获得电能和热能的装置 能量转化过程为化学能直接转化成电能和热能 形成的电能为低压 直流电能 燃料电池主要分为五种类型碱性染料电池AFC 磷酸型燃料电池PAFC 熔融碳酸盐燃料电池MCFC 固体氧化物燃料电池SOFC 质子交换 膜燃料电池PEMFC 以碱性燃料电池为例 所发生的电化学反应如下燃料 如氢 在阳 极发生氧化反应H2 2OH H2O 2e 标准电极电位 0 828V氧化剂 如氧 在阴极发生还原反应1 2O2 H2 2e 2HO 标准电极电位0 401V整个电池的反应1 2O2 H2 H2O电池理论标准电 势V0 0 401 20 828 1 229V即单电池的输出电压为1 229V 为了得到所需的电压和电流 可以通过电池的串联和并联 使其组 成一定发电能力的电池组 3 3 2固体氧化物燃料电池SOFC SOFC采用固体氧化物作为电解质 固体氧化物高温下具有传递O2 的能力 在电池中起传递O2 和分离空气 燃料的作用 燃料气为氢气 一氧化碳 天然气 煤制气 蒸馏油 在SOFC中 电解质材料的主要作用是在阴极与阳极之间传递氧离子 和对燃料及氧化剂的有效隔离 常用固体氧化物电解质材料有Y2O 3 CaO等掺杂的Bi2O 3 CeO 2 ZrO 2 TlO 2 HfO2氧化物形成的固溶物 目前 研究最深入 最有使用价值的电解质材料是具有立方萤石结 构的Y2O3 ZrO2 YSZ SOFC阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供反应场所 所以SOF C阳极材料必须在还原气氛中稳定 并具有足够高的电子电导率和对 燃料氧化反应的催化活性 在中温 高温SOFC中 适合作为阳极催化剂的材料主要有金属 电 子导电陶瓷和混合导体氧化物等 常用的阳极催化剂有Ni Co和贵金属材料 其中金属Ni由于其具有高活性 低价格的特点 应用最为广泛 在SOFC中 通常将Ni分散于YSZ或SDC等电解质材料中制成复合金属 陶瓷阳极 SOFC阴极的作用是为氧化剂的电化学还原提供场所 因此阴极材料必须在氧化气氛下保持稳定 并在SOFC操作条件下具 有足够高的电于电导率和对氧电化学还原反应的催化活性 目前 在高温SOFC的研究与开发中使用最广泛的阴极材料是Sr搀杂 的LaMnO3 LSM 对中温SOFC 通常采用Sr Fe搀杂的出LaCoO3 LSCF SrCoFe3 x SCF Sr搀杂的SmCoO3 SSC 等离子 电子混合导电材料作阴极 3 3 3物燃料电池的应用近年来 许多国家和地区都将燃料电池技术 与周边设施产业的开发列为国家重点研发项目 例如美国的 展望2 1世纪 Vision21 自由车 FreedomCAR 自由燃料 Freedom Fuel 日本的 新日光计划 New SunshineProgram 以及欧洲的 焦耳计划 JOULE 等 燃料电 池发电将有可能继火力发电 水力发电 核能发电后而成为21世纪 的第四代发电方式 表3 3 3燃料电池与火力发电的大气污染比较 16 污染成分天然气火 力发电重油火力发电煤火力发电燃料电池SOx2 5 230455082000 0 1 2NOx18003xxxx3 107酚类20 1270135 500030 1000014 102粉尘0 90 45 320365 6800 0 14燃料电池广泛应用于电池电动车 发电站 便 携式电话 计算机等终端设备电源 4总结与展望 对新型 高效 环保能源材料的强劲要求 全球锂电 池 太阳能电池 燃料电池发展迅速并带动相关材料产业的发展 燃料电池发展潜力备受关注 新材料层出不穷 但电池标准亟待 定制 材质 工艺 效率有待改善 成本有待降低 锂电池材料 方面 负极材料容量有待提高 未来可能采用纳米化碳材 致谢参考文献 1 李景虹 先进电池材料 M 北京 化学工业出版社 xx 2 齐宝森 新型材料及其应用 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 xx 3 曹艳军 龙翔云 程云峰 锂离子电池正极材料的研究现状和展 望 J 化工技术与开发 xx 36 3 16 18 4 周复 新型锂离子电池材料的制备及性质研究 D 安徽 中国 科学技术大学 xx 5 REN Xumei 任旭梅 WU Chuan 吴川 HE Guorong 何国蓉 et all 锂离子电池正负极材料研究进展 J Chemical Researchand Application 化学研究与应用 2000 12 4 360 364 6 ZHOU Henghui 周恒辉 CI Yunxiang 慈云祥 LIU Changyan 刘昌炎 锂离子电池电极材料研究