新能源材料第1讲

能源材料

Energymaterials教师姓名：李荐课程性质：硕士选修课时：24学时学分：1.51教师简介：李荐，1969年，冶金学博士，材料学博士后，副教授、工程师联系方式：

办公室：米塔尔113，电话：88877173手机-MAIL：ziliao2000@126.com2课程目的：较为全面地了解掌握能源材料的相关原理、性质、制备、表征、工艺设备及应用，掌握能源材料的基本试验研究方法与检测技术，开拓能源材料领域视野，了解相关的一些新动向。

3主要参考书目：（1）雷永泉.新能源材料，天津大学出版社，2000（2）陈军，袁华堂.新能源材料，化学工业出版社，2003（3）中国材料研究学会.能源材料、智能材料和梯度材料新进展，冶金工业出版社，1998（4）陈华辉等.现代复合材料，中国物资出版社，19984主要内容前言高性能超级电容器新型二次电池材料燃料电池太阳能电池材料核能材料5前言0.1人类社会对能源的需求与面临的挑战0.2新能源与新能源材料0.3新能源材料的主要进展60.1人类社会对能源的需求与面临的挑战能源需求的持续增长能源结构的变化矿物能源面临枯竭的前景矿物燃料燃烧造成的环境污染7几个发达国家单位GDP能耗的变化曲线能源消耗8能源结构的变化：一方面反映人类能源技术的进步；另一方面反映出产业结构和社会生活的变化。能源结构9

矿物能源枯竭的必然性已取得共识；面对21世纪，原油和天然气资源与需求的形式是比较严峻的。能源枯竭10环境污染110.2新能源与新能源材料材料的作用新能源材料的任务及面临的课题12材料的作用：新材料把原来习用已久的能源变成新能源；一些新材料可提高储能和能源转化效率；新材料决定着核反应堆的性能和安全性；材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。13新能源材料的任务及面临的课题：研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率；资源的合理利用；安全与环境保护；材料规模生产的制作与加工工艺；延长材料的使用寿命。140.3新能源材料的主要进展金属氢化物镍电池（Ni/MH）正极材料（球形Ni(OH)2）的改善；AB5型混合稀土负极储氢合金的改进；新型高容量储氢电极合金的研究与开发；电池的再生利用问题。15锂离子二次电池材料碳负极材料（由最初的锂负极发展为现在的碳负极材料）；纳米合金负极材料；正极材料（LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO2、复合材料等）；电解质材料（高性能、高安全）。16燃料电池材料碱性氢氧电池（AFC）磷酸型燃料电池（PAFC）质子交换膜型燃料电池（PEMFC）材料熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）17太阳能电池材料发展材料工艺，提高转换效率；发展薄膜电池，节约材料消耗；材料的大规模加工技术；与建筑相结合。18核能材料包壳材料（使燃料与冷却剂分开）；核燃料（性能、形貌）；聚变堆的第一壁材料（要求最苛刻：辐射、真空、腐蚀等）；核废料的处理。19超级电容器材料碳材料氧化物材料导电聚合物材料复合材料应用201.1新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景1.2Ni/MH二次电池1.3锂离子二次电池1.4超级电容器第1章新型二次电池概述21工作电压（额定电压）、工作电流（额定电流）容量（Ah、F、J）、内阻（ESRAC、ESRDC）工作温度功率密度（重量功率密度、体积功率密度）能量密度（重量能量密度、体积能量密度）循环寿命、一致性充放电曲线、放电平台、自放电二次电池若干定义、概念221.1新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景1.1.1二次电池简介1.1.2新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景231.1.1二次电池简介

在电池中，有一类电池的充放电反应是可逆的。放电时通过化学反应可以产生电能，通以反向电流（充电）时则可使体系回复到原来的状态，即将电能以化学能的形式重新储存起来。这种电池称为二次电池或蓄电池。1.1新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景24251.1.2新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景新型二次电池技术的研究热点：储氢材料及金属氢化物镍电池；锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池。26电池技术产业化发展的推动力：（1）信息技术的发展，特别是移动通信及笔记本计算机等的迅速发展，迫切需要电池小型化、轻型化、长服务时间、长工作寿命和免维护。（2）环境保护呼声愈来愈高。（3）全世界天然能源正在不断消耗，终将耗竭，寻求新能源的呼声愈来愈高。（4）航空领域和现代化武器装备对高性能二次电池的需求迫切。2728我国发展新型二次电池产业的现实意义：改变我国电池工业的现有产业格局，提升二次电池在市场中的主导地位；加速我国电池无汞化和无镉化进程，改善目前电池生产和使用造成严重的环境污染；逐步满足我国正在迅猛崛起的电子信息产业对绿色环保电池的需求；随新型二次电池的开发，推动所需电池材料产业的迅速发展。29301.2.1Ni/MH二次电池的生产及其特点1.2.2Ni/MH电池的结构和工作原理1.2.3Ni/MH二次电池及正负极材料的发展现状1.2Ni/MH二次电池311.2.1Ni/MH二次电池的生产及其特点20世纪60年代末，发现LaNi5和Mg2Ni等合金具有可逆吸放氢的性能；1973年，开始研究LaNi5型储氢合金作为二次电池负极材料；1984年，研究解决了LaNi5合金在充放电中容量衰减迅速的问题；1987年，美国建成试生产线；我国“863”计划研制出第一代“AA”型Ni/MH电池，并于1992年在广东中山市建立国家高新技术新型储能材料工程开发中心和Ni/MH中试生产基地。32Ni/MH电池的显著优点：能量密度高，同尺寸电池，容量是Ni/Cd电池的1.5～2倍；无镉污染，所以Ni/MH电池又称为绿色电池；可大电流快速充放电；电池工作电压也为1.2V，与Ni/Cd电池有互换性。331.2.2Ni/MH电池的结构和工作原理Ni/MH电池的工作原理由Ni(OH)2正极材料和储氢合金(M)负极材料组成的电池反应式：

电池反应正极负极34Ni/MH电池的工作原理示意：35Ni/MH二次电池的结构和性能

目前商品Ni/MH电池的形状有圆柱形、方形和扣式等形状，按电池的正极制造工艺分类，有烧结式和泡沫镍式（含纤维镍式）两大类型。圆柱形Ni/MH电池的结构示意图如下：36方形Ni/MH电池的结构示意图：37383940411.2.3Ni/MH二次电池及正负极材料的发展现状Ni/MH电池研制和生产初期，厂家采用生产Ni/Cd电池用的烧结式正极；目前生产Ni/MH电池所用的储氢负极材料有AB5型合金和AB2型合金两种；日本、欧洲、亚洲及美国的大多数电池厂家都采用AB5型混合稀土系储氢合金作为Ni/MH电池的负极材料；美国的Ovonic公司采用AB2型Ti－Zr－V－Ni－Cr系储氢合金材料研制大容量电动汽车电池。合金的典型组分为Ti16Zr16V22Ni39Cr7和Ti17Zr16V22Ni39Cr7等。421.3锂离子二次电池1.3.1锂离子电池原理和特性1.3.2锂离子电池的发展现状及前景展望431.3.1锂离子电池原理和特性锂离子电池工作原理

锂离子充放电反应式如下：

44锂离子电池工作原理示意图：45结构和性能

按形状分类：圆柱形、方形和扣式（钱币形）；按正极材料分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰锂、磷酸亚铁锂型等4647481.3.2锂离子电池的发展现状及前景展望目前，产量大、用途广的锂离子电池主要是圆柱形和方形氧化钴锂型电池49美国已开发出LiNi1－xCoxO2作为正极的方形电池；1997年，美国、日本的公司宣称它们的聚合物锂离子电池即将商品化；自1990年，随移动通讯及笔记本计算机的