《储能材料与器件智能制造技术》课件-项目五 储能材料与器件类型

《储能材料与器件智能制造技术》1.锰锌干电池与碱性锰电池在日常生活的每个角落，电池如同无形的能量纽带，驱动着无数设备运转。闹钟唤醒清晨、遥控器切换电视频道、玩具车驰骋客厅……这些场景的背后，都离不开小小的电池。在众多民用电池中，锰锌干电池与碱性锰电池凭借高普及度和实用性脱颖而出，成为家庭、办公场景的常见电源。它们虽外观相似，却在结构设计、化学反应原理、性能表现上存在显著差异。深入了解这两种电池，不仅能帮助我们科学选择合适电源，更能窥见电池技术不断革新的发展脉络。酸性锌锰干电池以二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的混合糊状物为正极材料，正极材料中间插入一根炭棒作为引出电流的导体，以经汞齐化处理的锌筒作为负极。电解质为氯化铵和氯化锌溶液，用面粉、淀粉等使电解液成为不流动的凝胶，形成隔离层，或用棉、纸等加以分隔。采用面粉、淀粉和电解液形成的凝胶作为正负极间的隔离层的，称为糊式电池；采用浆层纸为隔离层的称为纸板电池；采用高分子薄膜材料为隔离层的称为薄膜电池。按电解液的成分分：电解液以氯化铵为主体的称为氯化铵型（或铵型）电池；以高浓度氯化锌为主体的称为氯化锌型（或锌型）电池。锌锰电池的结构如图所示。锌锰电池属于一次电池，不可充电再生。锌锰电池的开始电压随使用的MnO2的种类、电解液的组成和pH值等的不同而异，一般在1.55～1.75V，公称电压为1.5V。最适宜的使用温度为15～30℃。酸性锌锰干电池负极为锌，放电时锌被氧化为锌离子，锌离子与铵根结合生成二氨合锌离子：在正极锰被还原：总的电池反应为：当用KOH电解质溶液代替NH4Cl作为电解质时，称为碱性锌锰干电池。碱性锌锰电池是普通干电池的升级换代产品，电池性能得到显著提高。其放电时电极反应如下。正极为还原反应：MnO2+2H2O+2e－→Mn(OH)42－负极为氧化反应：Zn+4OH－→Zn(OH)42－+2e－总的电池反应为：Zn+MnO2+2H2O+4OH－→Mn(OH)42－+Zn(OH)42－锰锌干电池与碱性锰电池中用到的关键材料有二氧化锰、锌等物质。二氧化锰是正极活性物质，直接参加电化学反应，是决定电池电荷量的主要材料。根据其制备方法可以分为天然二氧化锰、化学二氧化锰和电解二氧化锰。其中电解二氧化锰的电化学活性最高，化学二氧化锰次之。电解二氧化锰基本上是γ-MnO2。电解二氧化锰比表面积28~43m2/g，密度4.3g/cm2，视密度

。MnO2比表面积越大，活性越高，视密度越大，填充性越好。锌是负极活性物质，兼作电池的容器和负极引电体，是决定电池贮存性能的主要材料。在锌片中含有少量的镉和铅。镉能增强锌的强度，铅能改进锌的延展加工性能。镉与铅均能提高氢在锌电极上的过电位，减少锌电极的自放电，减缓锌片的腐蚀和氢气的释放。锌片中若含有Cu、Fe、Ni等，将降低H2在锌电极上析出的过电位，加速电池在贮存过程中的自放电，因此这些有害杂质必须严格控制。随着可充电电池技术的进步，如锂电池在民用领域的广泛应用，锰锌干电池和碱性锰电池面临一定挑战。但在低功耗、一次性使用场景中，二者仍占据主导地位。为应对竞争，电池企业一方面加大研发投入，持续优化电池性能，例如研发更环保的电解质配方、提升电池低温性能；另一方面，拓展应用领域，如开发适用于物联网设备的专用电池，满足智能门锁、环境监测传感器等低功耗、长续航设备的需求。同时，随着全球环保意识增强，对废旧电池回收的政策监管趋严，这也倒逼企业完善回收体系，推动电池产业向绿色、循环方向发展。相较于镍氢电池、锂电池等可充电电池，锰锌干电池和碱性锰电池属于一次性电池，无需充电设备，使用更便捷，且不存在电池记忆效应。但在能量密度和循环使用方面，二者远不及锂电池，锂电池能量密度可达200-300Wh/kg以上，且可反复充放电数百次甚至上千次。而与纽扣电池相比，锰锌干电池和碱性锰电池输出电流更大，适用于功率需求较高的设备；纽扣电池则凭借小巧的体积，在手表、计算器等小型设备中占据优势。这种差异化的性能特点，使得不同类型电池在各自领域发挥不可替代的作用。锰锌干电池与碱性锰电池，这两种看似普通的电源，实则是人类能源利用智慧的缩影。从早期锰锌干电池的广泛普及，到碱性锰电池的技术突破，它们在不同时期满足了社会对便携电源的需求，推动着电子设备的发展与革新。在可再生能源、新能源汽车等领域蓬勃发展的今天，一次性电池的重要性虽有所弱化，但其在民用基础电源领域的地位仍不可替代。展望未来，随着环保要求提升和技术持续创新，电池行业将朝着更高能量密度、更低成本、更环保的方向迈进。无论是锰锌干电池的经济实用，还是碱性锰电池的高效持久，都将在不断改进中继续为人们的生活提供便利。这些小小的电池，不仅承载着电能的传递，更见证着人类在能源领域探索与进步的历程，未来也必将在更多新兴场景中绽放光彩。《储能材料与器件智能制造技术》2.铅酸电池当清晨的电动车载着上班族穿梭于大街小巷，当应急电源在停电时刻点亮医院的生命之光，当汽车引擎在严寒中轰鸣启动，这些熟悉场景的背后，往往都有铅酸电池的身影。作为最早实现工业化生产的二次电池，铅酸电池自1859年问世以来，历经160余年的发展，始终在交通运输、通信储能、应急电源等领域占据重要地位。尽管近年来锂电池等新型电池发展迅猛，但铅酸电池凭借成本低廉、技术成熟、大电流放电性能优异等特点，依然是全球应用最广泛的化学电源之一。深入了解铅酸电池的结构原理、性能优势与应用场景，不仅能帮助我们合理使用这种“电力基石”，更能从中窥见电池技术不断演进的历程。铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池是二次电池。单体铅酸蓄电池主要由正极板，负极板、硫酸、隔板，槽体组成。将数片正负极板相互嵌合，中间插入隔板，就成了单格电池。在每个单格电池中，负极板数量总是比正极板多一片。因为正极板活性物质较疏松，机械强度低，把正极板夹在负极板中间，这样使其两侧放电均匀，正极板放电时不易因活性物质膨张翘曲而脱落。一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V，能放电到1.5V，能充电到2.4V。实用的铅酸电池一般是将多个单格铅酸电池串联起来组成标称电压为12V、24V、36V、48V等不同电压的铅酸电池。铅酸电池的结构如图所示正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电后，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池在充电状态下正极由二氧化铅转变为硫酸铅，负极由海绵状铅变为硫酸铅，正、负极板上的硫酸铅越来越多，电池电压逐渐降低，硫酸浓度也不断降低。只要测得电解液中的硫酸浓度（比重），即可得知放电量或剩余电量。电池放电时正极由硫酸铅(PbSO4)转化成棕色二氧化铅（PbO2），负极则由PbSO4转变为灰色铅海绵状Pb，电池电压逐渐上升，硫酸浓度不断增高。电池充电时优点铅酸蓄电池价格较低，具有技术成熟、高低温性能优异、稳定可靠、安全性高、铅资源丰富，容易再生利用，可大电流放电等优点。铅酸电池自1859年发明至今已经有150多年的历史，目前仍然广泛使用于交通、通信、电力、军事、航海、航空等各个经济领域。缺点铅酸蓄电池不足之处在于：铅原子量大，重量能量密度偏低、循环寿命偏短，主要原材料铅有毒，存在铅污染风险。极板是蓄电池的核心部件，分为“正极板”和“负极板”。极板由铅粉、硫酸、水混合制成铅膏涂填在板栅上，经化成制得。铅粉为PbO65%~85%，Pb15%~35%（重量分数）组成。板栅由铅锑合金浇筑而成，一般由截面积和形状不同的横竖筋头组成栅栏体。板栅的作用是支撑活性物质。极板化成时，正极板上的活性物质发生阳极氧化，生成PbO2。负极板上发生阴极还原，生成海绵状铅。铅酸电池中的关键材料有极板、二氧化铅、铅等。铅酸电池最突出的优势在于其卓越的大电流放电性能。在汽车启动瞬间，铅酸电池能够在短时间内释放数百安培的电流，轻松驱动起动机运转；在电动自行车爬坡或加速时，也能快速提供高功率输出，满足瞬间大电流需求。此外，铅酸电池的成本相对较低，其原材料铅和硫酸来源广泛，生产工艺成熟，使得电池价格亲民，这也是其在电动自行车、低速电动车等对成本敏感领域占据主导地位的重要原因。从安全性角度来看，铅酸电池化学性质稳定，正常使用情况下不易发生起火、爆炸等安全事故。即便电池损坏，也不会像锂电池那样存在热失控风险。而且，铅酸电池的回收体系较为完善，全球铅的回收率超过95%，废旧电池中的铅、硫酸等物质均可实现循环利用，有效减少环境污染和资源浪费。不过，铅酸电池也存在明显的局限性。其能量密度较低，一般在30-50Wh/kg，远低于锂电池（100-260Wh/kg），这导致电池体积和重量较大，续航能力受限。同时，铅酸电池的循环寿命较短，普通铅酸电池充放电循环次数通常在300-500次左右，频繁使用后容量会逐渐衰减，需要定期更换。此外，铅作为重金属，若在生产或回收过程中处理不当，会对环境和人体健康造成危害，因此对生产和回收环节的环保要求极高。面对锂电池等新型电池的竞争，铅酸电池行业不断进行技术创新，以提升性能、拓展应用。在材料方面，采用石墨烯、碳纳米管等新型材料对极板进行改性，提高电池的导电性和充放电效率；研发新型铅合金，减少极板腐蚀，延长电池寿命。在结构设计上，密封免维护技术得到广泛应用，通过特殊的安全阀设计和氧复合原理，实现电池内部气体循环，避免电解液泄漏，用户无需定期添加蒸馏水，使用更加便捷。此外，铅酸电池与锂电池的融合也成为新的发展方向。一些企业推出“铅酸+锂电”的混合供电系统，利用铅酸电池大电流放电优势和锂电池高能量密度特点，实现优势互补。在政策层面，随着环保法规日益严格，铅酸电池行业加速整合，落后产能逐步淘汰，行业集中度不断提高，推动产业向绿色、高效方向发展。从马车时代到新能源汽车浪潮，铅酸电池始终以可靠的电力供应，为人类社会的发展提供坚实支撑。它见证了工业文明的进步，也在新时代的挑战中不断自我革新。尽管新型电池技术层出不穷，但铅酸电池凭借成本、安全、回收等方面的独特优势，在未来很长一段时间内，仍将在众多领域发挥不可替代的作用。随着技术的持续创新和环保要求的提升，铅酸电池也将朝着更高性能、更绿色环保的方向迈进，续写属于自己的百年传奇，为全球能源转型和可持续发展贡献力量。《储能材料与器件智能制造技术》3.锂离子电池与钠离子电池当我们用手机与世界实时互联，驾驶电动汽车穿梭城市，或是依靠储能电站平衡电网负荷时，都离不开高性能电池的能量支撑。在众多电池技术中，锂离子电池凭借高能量密度与长循环寿命，成为当下消费电子、新能源汽车等领域的“主力军”；而钠离子电池则以资源丰富、成本低廉、低温性能优异的特点，被视为未来大规模储能和低端动力领域的“潜力股”。这两种电池虽同属离子电池家族，却因材料体系与工作原理的差异，在不同场景中发挥着独特价值。深入了解它们的特性与应用，不仅能帮助我们把握能源技术发展趋势，更能窥见人类在可持续能源领域的不懈探索。锂离子电池通过锂离子在正负极之间来回嵌入和脱嵌进行能量释放和储存。锂离子电池的正极通常用具有能容纳锂离子的金属氧化物粉末涂覆在铝箔上制成，负极通常是用具有层状结构的碳材料涂覆在铜箔上制成，电解液由锂盐和碳酸酯类物质组成。锂离子电池的结构及充放电原理如图所示。锂离子电池充电时，正极中的锂离子通过电解质迁移到负极，与电子结合。以钴酸锂电池为例，其充电时的正极反应为负极反应为总反应为以钴酸锂电池为例其放电时的正极反应为在这个充电反应中，锂离子经电解质从正极迁移到负极，并在负极上嵌入石墨层之间的空隙中，形成锂离子的插层化合物。这个反应是可逆的，锂离子电池放电时，负极炭材料中的锂放出电子，电子经外电路流向正极。锂离子通过电解质迁移到正极，与电子结合。负极反应为总反应为锂离子电池具有电压高，重量轻，能量密度大，自放电率低，环境污染小，充放电速度快，使用温度范围宽，循环寿命长等优点，综合效率达93%以上，响应时间达毫秒级，是一种综合性能极为优秀的储能方式，广泛应用于各种移动式用电设备以及大型储能电站。锂离子电池的缺点是成本比较高，不耐过充过放，安全性比较差。锂离子电池的性能很大程度上决定于电极材料的性能，尤其是正极材料。正极材料需要具有锂离子迁移通道的晶体结构。具有这样结构的有层状结构、橄榄石结构和尖晶石结构。目前应用最广泛的正极材料有的LiCoO2、LiNixCoyMn1-x-yO2、尖晶石结构的LiMn2O4、橄榄石结构的LiFePO4等。开发新型高比能量高安全性而又廉价的正极材料对锂离子电池的发展至关重要。锂离子电池其他组成部分还有负极材料、隔膜、电解液及外壳等。锂离子电池材料主要包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材及外壳等辅材，如表所示。

组件材料特性/作用实例电极正极活性物质过渡金属氧化物电池容量LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiFePO4负极活性物质碳材料、锂硅锡材料电池容量天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、硬碳、软碳、Li、Si、Sn导电剂碳电子电导乙炔黑黏结剂聚合物粘结PVDF、SBR/CMC集流体金属箔收集电流铜箔、铝箔隔膜隔膜聚合物隔离正负极多孔聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）电解液锂盐有机或无机锂化合物离子导电LiPF6、LiSF4、LiAsF6、LiClO4、LICF3SO3、Li(CF3SO2)2N电解质溶剂有机溶剂溶解锂盐碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PE)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)添加剂有机化合物SEI膜形成碳酸亚乙烯酯(VC)、联苯(BP)其他极耳金属电极连接镍极耳外壳钢、铝、铝塑膜容器钢壳、铝壳、铝塑膜安全元件电子器件过充过放保护安全阀、正温度系数(PTC)装置、保护电路模块(PCM)钠离子电池与锂离子电池的结构与工作原理非常相似，是以钠离子在正负极之间来回嵌入和脱嵌进行能量释放和储存的。由于钠离子电池与锂离子电池结构和工作原理非常相似，其生产工艺也很相似。钠离子电池正极材料可分为层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物体系。钠离子电池负极材料有硬碳，软碳，钛基氧化物以及合金等。目前商业化的钠离子电池负极以硬碳材料为主。目前最常见的有机电解液系的钠离子电池的电解液与锂离子电池的电解液成分非常相近，溶剂不变，仅是溶质盐从六氟磷酸锂改为六氟磷酸钠，隔膜完全可以使用和锂离子电池一样的隔膜。与锂不同，由于铝和钠在低电位不会发生合金化反应，钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔而不是成本更高的铜箔。钠离子原料廉价易得，因而相比于锂离子电池其成本优势明显。钠离子电池的缺点是循环性能差，工作电压低，能量密度低。钠离子电池目前尚处于起步阶段。锂离子电池锂离子电池凭借高能量密度和成熟的产业链，在消费电子领域占据统治地位，全球90%以上的智能手机、笔记本电脑都采用锂离子电池供电。在新能源汽车市场，锂离子电池同样是主流选择，特斯拉、比亚迪等车企的主力车型均搭载锂离子电池。此外，在5G基站、数据中心等对能量密度和充放电速度要求较高的储能场景中，锂离子电池也发挥着关键作用。钠离子电池钠离子电池则聚焦于大规模储能和对成本敏感的动力领域。在电网侧，钠离子电池储能系统可用于调峰、调频，平滑可再生能源发电的波动性；在用户侧，适用于家庭储能、低速电动车（如电动三轮车、电动自行车）等场景。例如，在寒冷的北方地区，钠离子电池电动自行车可有效避免低温环境下的续航骤减问题；在储能电站中，其低成本优势有助于降低储能系统的建设与运营成本，推动可再生能源的消纳与普及。为提升性能，锂离子电池和钠离子电池的研发持续推进。锂离子电池领域，高镍三元材料、固态电解质等技术不断突破，旨在进一步提高能量密度与安全性；钠离子电池则致力于开发新型电极材料、优化电解液配方，以提升能量密度和循环寿命。同时，两种电池技术呈现融合发展趋势，部分企业探索“锂钠混合电池”，结合二者优势，满足不同场景需求。此外，随着环保要求提高，电池回收技术也成为研发重点，通过物理、化学方法实现锂、钠等金属的高效回收，降低资源依赖与环境污染。锂离子电池与钠离子电池，如同新能源赛道上的双引擎，以各自的技术特性驱动着不同领域的能源变革。从智能终端的便携化，到电动汽车的普及，再到全球能源结构的转型，它们的身影无处不在。尽管当前锂离子电池占据主导地位，但钠离子电池凭借资源与成本优势，正快速崛起为储能领域的重要力量。未来，随着技术创新与产业协同发展，这两种电池将在更多场景中实现优势互补，共同推动人类社会向清洁、高效、可持续的能源未来迈进，为全球碳中和目标的实现注入强大动力。《储能材料与器件智能制造技术》4.燃料电池在全球积极推进“双碳”目标，努力摆脱对化石能源依赖的当下，寻找清洁、高效的能源解决方案成为时代课题。当电动汽车已逐渐普及，氢能公交车开始穿梭于城市道路，分布式发电站为社区稳定供电，这些场景背后都离不开一项关键技术——燃料电池。它打破了传统电池“存储能量”的局限，以“即时发电”的独特方式，将化学能直接转化为电能，具有高效、零排放、低噪音等优势，被视为未来能源领域的“变革者”。从航天领域的尖端应用到日常生活的能源供给，燃料电池正以蓬勃发展之势，为人类能源转型带来新的曙光。燃料电池（FuelCell，简称FC）是一种能有效控制燃料（比如氢气、甲烷、甲醇等）和氧化剂（空气或纯氧）的化学反应并将其中的化学能直接转化为电能的电化学装置。燃料电池种类较多，其基本结构与一般的电池相似，包括阳极、电解质和阴极三个最基本的组成部分。但与电极活性物质储存于电池内部的一般电池不同，燃料电池正负极本身不包含活性物质，电极只是电化学反应的催化转换元件，其活性物质是由外部供给的。因此燃料电池还必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。只要外部燃料和氧化剂不断供给，反应产物不断排出，燃料电池就能源源不断地向外供电。因此燃料电池本质上更像是发电机。燃料电池结构示意图如图所示。燃料电池的电极一般做成多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，故将电极做成多孔结构的形式，增加参与反应的电极表面积，降低极化作用，提高燃料电池的实际工作电流密度。以碱性氢氧燃料电池为例，燃料电池在工作时正极发生氧化反应负极发生还原反应总电池反应为燃料电池发电不受卡诺循环的限制。理论上其发电效率可达到85%～90%，但由于工作时各种极化的限制，目前燃料电池的能量转化效率约为40%～60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时，二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上。通常根据电解质的不同将燃料电池划分为五种类型：碱性燃料电池（Alkalinefuelcell，AFC）磷酸燃料电池（Phosphoricacidfuelcell，PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（Moltencarbonatefuelcell，MCFC）质子交换膜燃料电池（Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）固体氧化物燃料电池（Solidoxidefuelcell，SOFC）碱性燃料电池（AFC），电解质通常采用6~8mol/L的KOH溶液，工作温度约80℃，阴阳极反应交换电流密度高，电池效率较高，可以采用廉价的镍作为电极。AFC电解质成本低，电池整体成本较低。燃料及氧化剂中的CO2与电解液中氢氧根反应会生成碳酸根离子，降低电解质中的氢氧根浓度。由于电池对广泛存在的CO2敏感，限制了碱性燃料电池的发展前景。磷酸燃料电池（PAFC）采用磷酸作为电解质，工作温度（180~210℃）适中，对杂质耐受能力较强，除氢外，PAFC还可能直接利用甲醇、天然气等廉价燃料，稳定性较好；热电联供时，效率较高（~85%），适应各种工作环境。磷酸燃料电池需采用贵金属作为催化剂，成本较高。因磷酸在40℃以下是固态，因而PAFC不适宜在低温环境下工作。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）采用碱金属(Li、Na、K)的碳酸盐作为电解质，工作中电解质呈熔融状态（600～700℃），导电离子为碳酸根离子(CO32-)。由于导电离子为碳酸根离子，为了及时补充电解质中的碳酸根损耗，阴极必须同时提供CO2，整个过程CO2没有净损耗，在阴极参与反应消耗，又在阳极生成，循环使用。MCFC工作温度高，耐杂质性强，可以使用H2、CO和各种碳氢化合物等化石燃料。高温燃料活性高，不需要昂贵的铂系催化剂。废热温度较高，可进一步利用。高温下熔融碳酸盐电解质具有一定腐蚀性，会影响电池的使用寿命。由于电池温度高，对密封材料和隔膜材料的要求也更加苛刻。固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质为氧化钇稳定氧化锆（YSZ）和CeO₂基材料等固体氧化物，不存在由于流动液体带来的泄漏和腐蚀问题，工作温度较高（650~1000℃），可以用氢气、甲烷、天然气等碳氢化合物作为燃料，不需要专门的贵重金属催化剂，一些特殊的过渡金属氧化物即可起到催化作用。SOFC的主要问题是其高温带来的密封难题。质子交换膜燃料电池（PEMFC）电解质为全氟磺酸（PFSA）膜，这层膜具有选择透过性，仅能让质子通过，称为质子交换膜。PEMFC工作温度一般在60~80℃，温度较低。PEMFC采用固态聚合物电解质，电池整体机械性能较好，甚至可做成柔性电池，因而应用广泛，可作为汽车动力电源及小规模分布式电站和小型便携电源。PEMFC的核心部件是膜集合体，又称为膜电极组件（MembraneElectrodeAssembly，MEA），是由阳极、质子交换膜与阴极三者相结合的三明治结构。其结构如图3-8所示。双极板一侧与前一个燃料电池的阳极侧接触，另一侧与后一个燃料电池的阴极侧接触。双极板的作用是分隔氧化剂与还原剂，为厚度较小的膜组件提供结构支撑，通过特殊结构的流场（反应气流的通道）向电极提供反应气，排出废气，密封作用，防止液、气外漏，集流、导电、导热，并协调水热管理。质子交换膜被挤压在两个多孔电极之间，电极通常由碳纤维布或碳纤维纸制作而成。微观上，电极通常包含很多功能层，靠近膜的一侧由较细颗粒组成，并担载金属催化剂（如Pt），为催化层；远离膜的区域由较大颗粒构成，为扩散层。PEMFC的主要关键材料有质子交换膜、阴阳极催化剂、双极板等。质子交换膜（PEM）是PEMFC中最为核心关键的材料，目前最常用的PEMFC电解质是Nafion膜。PEMFC的阳极和阴极催化剂仍然以Pt或Pt合金为主。Pt或其合金需以纳米颗粒形式担载到高分散度的碳载体上，形成Pt/C复合催化剂。双极板材质有石墨、铝、镍、铜、钛及不锈钢等，为了减缓金属双极板的腐蚀，通常需要将金属板进行表面防腐蚀处理。从实验室里的创新构想，到逐步走向市场的成熟技术，燃料电池承载着人类对绿色能源的美好愿景。它不仅是解决能源危机与环境污染的关键方案，更是推动能源产业变革的核心力量。尽管前行之路仍有诸多挑战，但随着技术的不断突破、基础设施的逐步完善以及产业生态的日益成熟，燃料电池必将在未来能源体系中占据重要地位，为构建零碳社会、实现可持续发展注入源源不断的动力，开启人类能源利用的崭新纪元。《储能材料与器件智能制造技术》5.热电池在导弹腾空而起的瞬间、深海探测器下潜的时刻、极地科考设备运行的过程中，有一种鲜为人知却至关重要的电池在默默提供能量——热电池。与常见的锂离子电池、碱性电池不同，热电池以独特的“热激活”方式工作，能在瞬间释放强大电能，适应极端温度、高冲击等恶劣环境，成为军事装备、航空航天等领域不可或缺的“能量心脏”。从硝烟弥漫的战场到探索未知的太空，热电池凭借其可靠的性能，为特殊场景下的设备运行提供坚实保障，展现着能源技术领域的独特魅力。热电池又称热激活储备电池，其内部结构也与一般的电池相似。但热电池贮存时电解质为不导电的固体，因此在贮备状态下电池不工作。电池工作时需用电发火头或撞针机构引燃其内部的加热药剂，使电解质快速加热至500℃左右熔融成为离子导体而激活电池。热电池包括：镁/五氧化二钒热电池，钙/硫酸铅热电池，LAN硫化物热电池，锂合金一硫化铁热电池。热电池结构如图所示。热电池是一种储备型一次性电池，其最大特点是平时处于“冷态”不工作，需要时通过激活装置产生热量，使电池内部的电解质由固态转变为离子导电性良好的液态，从而引发电化学反应产生电能。热电池的基本结构包含正极、负极、电解质、加热装置和外壳。正极材料多采用金属氧化物等，负极常用锂等活泼金属，电解质通常是熔融盐（如卤化物盐）。当激活指令下达，加热装置（一般由火药或电阻丝组成）迅速释放热量，将电解质加热至熔点以上，此时正负极材料在熔融电解质中发生氧化还原反应，电子通过外电路形成电流，为负载供电。整个激活过程极短，通常在毫秒到秒级，且能在短时间内提供大电流，满足设备的瞬时高功率需求。根据电解质类型和应用场景，热电池可分为多种类型。按电解质分类，主要有氯化物热电池和硫化物热电池。氯化物热电池工作温度一般在400-500℃，输出电压较为稳定，常用于导弹、鱼雷等武器装备；硫化物热电池工作温度更高，可达600-700℃，能量密度较大，适用于对电能需求较高的航空航天设备。热电池的显著优势在于其高可靠性与极端环境适应性。它能在-50℃至70℃的环境温度下长期储存，且储存期长达数年甚至数十年；激活后可在瞬间达到满功率输出，不受环境温度影响；同时具备出色的抗冲击、抗振动性能，可承受高达数千g的加速度冲击。但热电池也存在局限性，作为一次性电池，其电能耗尽后无法重复使用；且由于工作时需要加热，能量转换效率相对较低，部分热量会以热能形式散失。热电池属贮备型高温熔融盐一次电池，具有激活时间短、输出功率高、贮存时间长、可靠性高等特点，主要用于导弹、火箭、鱼雷等武器和军事装置方面。以导弹为例，从发射瞬间的制导系统启动、姿态控制，到飞行过程中的信号传输，都依赖热电池提供稳定电力。其快速激活和高功率输出特性，确保导弹在极短时间内完成发射准备并准确命中目标。在航空航天领域，热电池用于卫星的应急电源、空间探测器的启动电源等。例如，在深空探测任务中，面对外太空的超低温和复杂辐射环境，热电池能可靠工作，为探测器提供关键阶段的电能。此外，在石油勘探、深井探测等民用领域，热电池也发挥着重要作用。在数千米深的油井中，热电池可承受高温高压环境，为井下测量仪器供电，保障数据采集与传输。热电池目前常用的正极材料有FeS2、CoS2和NiCl2等。常用的负极材料有LiAl、LiSi和LiB合金等。热电池电解质熔盐要求密度小、黏度小，熔点低，蒸汽压低，离子导电能力大，电子导电能力小，分解电压高，对正负极无副反应且溶解腐蚀小，热稳定性好，对电极材料有良好的湿润性。目前常用的电解质材料有LiCl-KCl、LiCl-LiBr-LiF和LiCl-LiBr-KBr等热电池常用的加热剂是由Zr粉BaCrO4和石棉按照一定的比例制成的加热纸，具有工艺成熟，灵敏度高，燃速快等特点，缺点是对静电敏感，安全性差，燃烧后易变性；另外一种是活性铁粉和高氯酸钾按一定比例制成的铁加热粉，具有机械强度好性能稳定易成型导电性好等优点。为进一步提升热电池性能，科研人员在材料、结构和工艺方面不断探索创新。在材料研发上，致力于开发新型高能量密度电极材料和低熔点、高离子导电性的电解质，以提高电池的能量密度和工作效率；在结构设计方面，采用多层叠片式结构替代传统圆柱式结构，可有效提升电池的功率密度，并实现小型化、轻量化。同时，随着智能制造技术的发展，热电池的生产工艺正朝着自动化、精细化方向迈进，通过精确控制材料配比、加热装置性能等参数，提高产品的一致性和可靠性。此外，研究人员也在探索热电池的可重复使用技术，试图突破其一次性使用的局限，拓展应用场景。热电池，这颗在极端环境中闪耀的“能量之星”，凭借独特的工作方式和卓越的性能，在军事、航天等特殊领域发挥着不可替代的作用。从保障国家安全的武器装备，到探索宇宙奥秘的航天探测器，它以可靠的能量供应守护着每一项重要使命。尽管面临着效率与复用性等挑战，但随着技术的持续进步，热电池将不断突破性能瓶颈，拓展应用边界。未来，热电池有望在更多前沿领域绽放光彩，为人类探索未知、征服极端环境提供更强大、更可靠的能源支持，续写属于自己的传奇篇章。《储能材料与器件智能制造技术》6.液流电池在“双碳”目标引领全球能源转型的浪潮下，风电、光伏等可再生能源装机量迅猛增长，但间歇性发电带来的电力波动问题日益凸显，高效、可靠的大规模储能技术成为能源可持续发展的关键。液流电池凭借独特的“液体循环发电”模式，可实现兆瓦级乃至吉瓦级的储能规模，且具备长寿命、安全性高、充放电灵活等优势，被视作破解大规模储能难题的“利器”。从风电场旁的巨型储能电站，到偏远地区的分布式储能系统，液流电池正以蓬勃发展之势，为稳定能源供应、推动能源结构转型注入新动能。液流电池是一种利用两种或多种溶解在液体中的活性物质在膜两侧进行可逆氧化还原反应来储存和释放能量的装置。在液流电池结构中，电池内部有电堆，外部有两个存放正负极电解液的储罐，电解液由氧化还原电活性物质溶解在溶剂中形成。当电解液在泵的作用下输送到电极表面时，氧化还原电解质分子得到或失去电子，从而实现能量的转换。因为这种独特电池结构，液流电池具有能量和功率解耦控制的特点，储罐中电解液的体积和电解质浓度决定电池能量，电堆数量和电堆中的电极面积决定电池功率。液流电池结构如图所示。充电时，正极发生氧化反应使活性物质价态升高，负极发生还原反应使活性物质价态降低，放电过程与之相反。液流电池主要的材料有双极板、电极、隔膜、电解液等。双极板常用材料为石墨、金属和复合材料。电极为碳毡或石墨毡。液流电池用隔膜按照传导离子种类可以分为阳离子膜，阴离子膜，两性隔膜和微孔膜。常用阳离子膜包括全氟磺酸树脂膜（Nafion膜），磺化聚醚醚酮膜（SPEEK膜）等。常用的阴离子膜为聚苯并咪唑膜（P