電池材料的發(fā)展

1、電池材料技術(shù)原理與應(yīng)用摘要：簡(jiǎn)要對(duì)新型電池材料中的鋰離子電池材料、竦氫電池材料和燃料電池材料原理 進(jìn)行概述，綜述最近幾年來(lái)這些新型電池材料的應(yīng)用。引言：1800年，伏打電池的發(fā)明標(biāo)志著電源裝置一一電池的誕生。200多年的發(fā)展歷程使 電池的用途和性能趨于完善，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著電子信息技術(shù)的蓬勃 興起，各種智能卡、電子表、計(jì)算器、移動(dòng)電話(huà)、便攜式CD機(jī)和手提電腦等的應(yīng)用， 以及人們對(duì)于生態(tài)意識(shí)的提高，新一代安全、綠色、高效的一次和二次電池相繼研發(fā)和 應(yīng)用。我國(guó)目前已是電池生產(chǎn)大國(guó)，但還不是電池強(qiáng)國(guó)，在整體生產(chǎn)技術(shù)和工業(yè)水平上 處于劣勢(shì)。為進(jìn)一步提高我國(guó)電池產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，充分發(fā)揮優(yōu)

2、勢(shì)群體的積極性和創(chuàng)造性， 開(kāi)發(fā)出更具發(fā)展前景的高能、環(huán)保、新型電池材料，走出一條具有中國(guó)特色的電池技術(shù) 發(fā)展之路。由此可以看出，電池業(yè)的發(fā)展在于電池材料業(yè)的發(fā)展，研發(fā)和生產(chǎn)在世界上 具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的電池材料是電池行業(yè)首要的任務(wù)。正文：電池材料主要分為鋅電池、鉛電池、堿性二次電池、鋰電池和其他新型電池。鋰離 子電池主要是鋰一次、二次電池，而其他新型電池材料主要為燃料電池等等。新型電池材料體系主要由鋰離子電池材料、竦氫電池材料和燃料電池材料構(gòu)成。鋰離子電池材料鋰離子電池是繼鎘/竦、金屬氫化物/竦電池之后最新一代蓄電池，1990年由日本 SONY公司首先研制成功并實(shí)現(xiàn)商品化。由于由于空間和軍用的需求以

3、及電子技術(shù)的迅 速發(fā)展，對(duì)體積小、質(zhì)量輕、比能量高、使用壽命長(zhǎng)的電池要求日益迫切，對(duì)上述各項(xiàng) 性能的要求越來(lái)越高。鋰離子二次電池正是在這一形式下發(fā)展起來(lái)的一種新型能源。1）鋰離子電池工作原理鋰離子電池是在鋰二次電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型充電電池，它的正負(fù)極材料 都是能發(fā)生鋰離子嵌入-脫出反應(yīng)的物質(zhì)。充電態(tài)時(shí)，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰 態(tài)。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正負(fù)極間搖來(lái)晃去，而無(wú)金屬鋰的析出，因此，鋰離子 電池又稱(chēng)為“搖椅電池”。2）鋰離子電池負(fù)極材料鋰離子電池的負(fù)極材料主要包括石墨、硬碳和含氫碳等材料，同時(shí)一些金屬氧化物 作為鋰離子電池的負(fù)極材料也受到了較多的重視。作為鋰離子電池的

4、負(fù)極材料一般具有 以下特點(diǎn): 鋰離子的脫嵌容量要大；具有良好的充放電循環(huán)特性； 放電電壓很 快達(dá)到平衡狀態(tài)；高度可逆的嵌入反應(yīng)；與電解質(zhì)具有良好的相容性。在研究鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，需要注意的實(shí)際問(wèn)題有：獲得更高嵌鋰量的同時(shí)，降低材料的首次不可逆容量，并將其控制在總?cè)萘康?10%以?xún)?nèi)；研究和提高材料的體積比容量，使電池容量真正得到提高；充分考察具有高比平面、高活性的納米材料的安全性；符合大生產(chǎn)要求的納米材料生產(chǎn)及其實(shí)際使用方式方法與工藝技術(shù)；降低材料的生產(chǎn)和使用成本，使其真正具有使用價(jià)值。3）鋰離子電池正極材料正極活性物質(zhì)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(zhì)主要

5、是層狀結(jié)構(gòu)的鋰鉆氧化物和鋰竦氧化物，以及尖品石結(jié)構(gòu)的鋰錳氧化物。目前商品化鋰離子電池幾乎全部采用鋰鉆氧化物L(fēng)iCoO2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(jiǎn)單等 優(yōu)點(diǎn)。鋰鉆氧化物的合成技術(shù)有高溫合成技術(shù)和低溫合成技術(shù)。高溫合成技術(shù)一般是 以Li2CO3和CoCO3為原料，按nLi： Co （摩爾比）為1： 1配制，在700900C下，空氣 氛圍灼燒而成。而低溫合成技術(shù)相對(duì)于高溫合成技術(shù)而言是指前期的合成溫度較低或經(jīng) 軟化學(xué)處理，后期高溫合成所需時(shí)間較短而已。鋰竦氧化物L(fēng)iNiO2為正極材料，在一定的條件下，Li能夠在NiO層與層之間

6、進(jìn)行 嵌入脫出，使得它成為理想的鋰離子電池嵌基材料。但這種材料存在制備困難、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)性較差等缺點(diǎn)，可通 過(guò)改進(jìn)合成方法彌補(bǔ)這些缺陷。4）鋰離子電池電解質(zhì)材料鋰離子對(duì)電解質(zhì)材料的要求為：良好的離子導(dǎo)電性；高離子遷移數(shù)；一定的 化學(xué)穩(wěn)定性；足夠的機(jī)械強(qiáng)度。鋰離子電池電解質(zhì)材料有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)。 液體電解質(zhì)有無(wú)機(jī)電解液（如常用的電解質(zhì)鋰鹽LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiCF SO 446633和LiN（SOCF）等）和有機(jī)電解液（主要包括碳酸酯、醚和羧酸酯等），固體電解質(zhì)又 23 2可分為無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)、有機(jī)固體電解質(zhì)

7、和熔融鹽。鋰離子電池的應(yīng)用鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：高電壓、高容量、低消耗、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)公害、體積 小、內(nèi)阻小、自放電少、循環(huán)次數(shù)多。因其上述顯著特點(diǎn),鋰離子電池已應(yīng)用到移動(dòng)電 話(huà)、筆記本電腦、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等眾多民用及軍事領(lǐng)域。另外，國(guó)內(nèi)外也在競(jìng)相開(kāi) 發(fā)電動(dòng)汽車(chē)、航天和儲(chǔ)能等方面所需的大容量鋰離子電池。竦氫電池材料隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電池的需求量越來(lái)越大，特別是可充電電池的市場(chǎng)需求 量迅速增加，竦氫電池以其容量大、無(wú)污染、價(jià)格適中等優(yōu)越性，迅速獲得了廣泛應(yīng)用。 竦氫電池是一種性能非常優(yōu)異的新型電池，它一定會(huì)取代目前大量應(yīng)用的竦鎘電池。竦氫電池工作原理竦氫電池是竦-金屬氫化合物堿性蓄電池

8、的簡(jiǎn)稱(chēng)，化學(xué)符號(hào)為Ni-MH，正極采用氫 氧化竦發(fā)泡板，并以由從稀土提煉出來(lái)的貯氫合金粉作負(fù)極，外觀為密封圓柱形，單元 電壓為1.5V。竦氫電池工作原理為：負(fù)極反應(yīng)充電過(guò)程：M+H O+ e- fMHad+ OH-2MHad f a - MhadP - MHad放電過(guò)程：P - MHad (a - MHad )f MHadMHad + OH-f M+H O+ e-2正極反應(yīng)(與鎳-鎘電池同)正常充電：Ni(OH)2 +OH-fNiOOH+ H2O+e-正常放電：NiOOH+H2O+e-f Ni(OH)2+OH-電池反應(yīng)正常充電：M+ Ni(OH)2fMH+ NiOOH正常放電：MHad+ Ni

9、OOH fM+ Ni(OH)2過(guò)放電過(guò)程：H2(正極)fH2(負(fù)極)其優(yōu)點(diǎn)有：能量密度高，是鎘-竦電池的1.5-2.0倍；電池電壓為1.2 1.3V， 與鎘-竦電池相當(dāng)；可以快速充放電；低溫特性較好；可密封，耐過(guò)充放電性能 好；無(wú)毒和無(wú)環(huán)境污染，被稱(chēng)為“綠色環(huán)保電池”；不使用貴金屬催化劑；無(wú)記 憶效應(yīng)。2）竦氫電池電極材料竦氫電池，屬于新型二次堿性電池，其正極活性物質(zhì)為氫氧化竦，負(fù)極活性物質(zhì)為 貯氫合金。3）竦氫電池電解質(zhì)材料氫-竦電池多采用含30%LiOH的KOH水溶液，作為電解質(zhì)。電解液的組成、濃度用 量等對(duì)電池性能均有一定的影響，可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。4）竦氫電池的應(yīng)用氫竦電池逐步取代

10、鎘竦電池在電動(dòng)工具、電動(dòng)助力車(chē)、電話(huà)子母機(jī)、便攜式電話(huà)、 攝像機(jī)、微型電腦、通訊設(shè)備等高性能電源的市場(chǎng)。大型竦氫蓄電池，較之鉛蓄電池能 蓄存更多的電能，其能量密度約高一倍，而且循環(huán)壽命長(zhǎng)、輸出功率高、耐低溫性能也 很好。燃料電池材料燃料電池（Fuel Cell, FC）是一種新興的化學(xué)能源，其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃 料使用和場(chǎng)址選擇靈活、潔凈、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。美、日、加、歐洲及澳洲在燃料電池的 研究和應(yīng)用領(lǐng)域處于世界前沿，我國(guó)早在20世紀(jì)50年代起就開(kāi)始了燃料電池的理論研 究。1）燃料電池工作原理燃料電池是一種電化學(xué)裝置，簡(jiǎn)單地講，是反應(yīng)物燃料與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué) 反應(yīng)而獲得電能和熱能的裝置。能量轉(zhuǎn)化過(guò)程為化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能和熱能，形成的 電能為低壓直流電能。燃料電池主要分為五種類(lèi)型：堿性染料電池AFC ；磷酸型燃料電 池PAFC； 熔融碳酸鹽燃料電池MCFC；固體氧化物燃料電池SOFC；質(zhì)子交換膜燃料電池 PEMFC。以堿性燃料電池為例，所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：燃料（如氫）在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)：H+2OH-f H O+2e-22氧化劑（如氧）在陰極發(fā)生還原反應(yīng)：1/2O+H+2e-f 2HO-22整個(gè)電池的反應(yīng)：1/2O2+H2-H2O2）燃料電池的應(yīng)用燃料電池廣泛應(yīng)用于電池電動(dòng)車(chē)、發(fā)電站、便攜式電