新能源材料之電池材料

1、 新能源材料之電池材料 J I A N G S U U N I V E R S I T Y能源材料論文新能源材料之電池材料Battery Materials of New Energy Materials學(xué)院名稱(chēng)： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 復(fù)合材料x(chóng)xx班 學(xué)生姓名： xxxxx 指導(dǎo)教師： xxxxx 2014年11月新能源材料之電池材料復(fù)合材料與工程xxxxxxx摘要：隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展，能源的消耗日漸增加。新能源是降低碳排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，新能源材料是引導(dǎo)和支撐新能源發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在新能源系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用。概要介紹了目前在新能源發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作

2、用的鎳氫電池材料及氫能燃料電池關(guān)鍵材料等新能源材料的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題。關(guān)鍵詞：新能源材料；電池材料；鎳氫電池Battery Materials of New Energy MaterialsXxxxComposite Materials and Engineering，xxxxAbstract: With the development of economic globalization,increasing energy consumption. New energy is to reduce carbon emissions,optimizing energy structure,an im

3、portant way to achieve sustainable development,new energy materials is an important foundation to guide and support the development of new energy sources,has been widely used in the new energy system. An overview of the current situation and existing play an important role in the process of developm

4、ent of new energy materials and nickel-metal hydride battery hydrogen fuel cell materials and other new energy materials problems.Keywords: new energy materials; battery materials; nickel-metal hydride batteries目錄1.引言12.鎳氫動(dòng)力電池材料22.1 鎳氫電池發(fā)展?fàn)顩r22.2 鎳氫電池正負(fù)極材料22.3 鎳氫電池的應(yīng)用43.鋰離子電池材料53.1 鋰離子電池發(fā)展?fàn)顩r53.2 鋰離子電

5、池正負(fù)極材料64.總結(jié)與展望85.參考資料81.引言所謂的新能源材料泛指能夠儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換及支撐新能源的材料或者一體化材料。該材料極大推動(dòng)新能源大力發(fā)展，甚至還催生出新能源系統(tǒng)產(chǎn)生，有效的提升了系能源利用的效率1。但是隨著現(xiàn)代化科技的推進(jìn)，新能源材料的研究進(jìn)展究竟如何，成為人們探究的重要話題。在這種形勢(shì)下，探究新能源材料的研究進(jìn)展具有實(shí)際意義。新能源作為一種“綠色”新技術(shù)，在減少環(huán)境污染，緩解環(huán)境壓力的同時(shí)，也可以緩解能源危機(jī)。新能源產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的代表，是低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。把新能源的推廣應(yīng)用工作作為一項(xiàng)能源政策，已納入中央各部委的重要議事日程和中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的總體規(guī)劃之中2。據(jù)中國(guó)國(guó)家能

6、源局新能源和可再生能源司司長(zhǎng)王駿介紹，中國(guó)將力爭(zhēng)在 2050 年將可再生能源占能源總比重從目前的 9提高到 40左右，占據(jù)主導(dǎo)能源地位。在國(guó)家政策的大力支持下，各地區(qū)已經(jīng)把發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主攻方向和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要突破口。目前形成較大規(guī)模的新能源基地已達(dá) 10 余個(gè)。新能源材料在新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，新能源材料的發(fā)明催生了新能源系統(tǒng)的誕生，新能源材料的應(yīng)用提高了新能源系統(tǒng)的效率。因此，新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展勢(shì)必需要大量的新能源材料方面的專(zhuān)門(mén)人才，目前新能源材料專(zhuān)門(mén)人才的需求已呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的局面3。因此，有必要設(shè)置“新能源材料與器件”專(zhuān)業(yè)，以培養(yǎng)更多優(yōu)秀的新能源材料專(zhuān)門(mén)人

7、才，滿足我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。新材料產(chǎn)業(yè)無(wú)疑是最具增長(zhǎng)活力的領(lǐng)域之一。當(dāng)今世界上各種新材料市場(chǎng)規(guī)模每年已超過(guò) 4000 多億元；2010 年，中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模有望突破 1300 億元，如果再獲得政策方面的大力扶持，將會(huì)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展4。新能源材料企業(yè)的不斷涌現(xiàn)，對(duì)相關(guān)行業(yè)的人才需求也逐年增多，設(shè)置新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)將滿足新材料產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的需求5。為滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)新能源材料專(zhuān)門(mén)人才的需求，國(guó)家于2010 年在全國(guó)各個(gè)區(qū)域的高校累計(jì)批復(fù)此專(zhuān)業(yè)共計(jì) 15 個(gè)，充分體現(xiàn)國(guó)家對(duì)此專(zhuān)業(yè)及人才培養(yǎng)的重視。2.鎳氫動(dòng)力電池材料鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中使用最為廣泛的綠色

8、環(huán)保電池之一，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差6。2.1 鎳氫電池發(fā)展?fàn)顩r在我國(guó)較強(qiáng)高科技產(chǎn)品中鎳氫電池占據(jù)著一席之位，具有強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)的鎳氫電池在出口上已經(jīng)超過(guò)了日本，成為了第一生產(chǎn)大國(guó)，在世界上確立了鎳氫電池的生產(chǎn)戰(zhàn)略地位。隨著鎳氫動(dòng)力電池逐漸趨于成熟，該電池成功在各種混合動(dòng)力汽車(chē)中被驗(yàn)證使用，并很快被各種汽車(chē)中普及使用。如今日本的Panasonic EVEn-ergy公司中所使用到的技術(shù)相比較為領(lǐng)先，生產(chǎn)電池大都屬于6.5Ah，而且有圓柱型與方型兩種形狀，電池比之能

9、量是45Wh/kg，比功率高達(dá)1300W/kg。而使用這種動(dòng)力電池Prius 混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售更是如日中天，超過(guò)了120 萬(wàn)輛，并成功經(jīng)受多年的使用考核7。而且隨著轎車(chē)中大量混合動(dòng)力使用，過(guò)去電池產(chǎn)量已經(jīng)不能夠滿足社會(huì)市場(chǎng)需求，因此PanasonicEVEnergy公司組建了更大的生產(chǎn)鎳氫動(dòng)力電池生產(chǎn)線，如今已在逐漸投入生產(chǎn)。2.2 鎳氫電池正負(fù)極材料 鎳氫電池由氫氧化鎳正極、儲(chǔ)氫合金負(fù)極、電解液等組成。儲(chǔ)氫合金負(fù)極材料主要包括AB5型稀土鎳系儲(chǔ)氫合金、AB2型儲(chǔ)氫合金、Laves相合金。鎳氫動(dòng)力電池的內(nèi)部反應(yīng)及電池反應(yīng)如圖1所示，從圖中可以看出是無(wú)污染的8。圖1鎳氫動(dòng)力電池的內(nèi)部反應(yīng)及電池反

10、應(yīng)正極材料球形Ni(OH)2正極材料 Ni(OH)2是涂覆式NiMH電池正極使用的活性物質(zhì)。電極充電時(shí)Ni(OH)2轉(zhuǎn)變成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+ 放電時(shí)NiOOH逆變成Ni(OH)2， Ni3+還原成Ni2+ 。負(fù)極材料儲(chǔ)氫合金 用于NiMH電池負(fù)極材料的儲(chǔ)氫合金應(yīng)滿足下述條件： (a) 電化學(xué)儲(chǔ)氫容量高； (b) 在氫的陽(yáng)極氧化電位范圍內(nèi)，儲(chǔ)氫合金具有較強(qiáng)的抗陽(yáng)極氧化能力； (c) 在熱堿電解質(zhì)溶液中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定； (d) 反復(fù)充放電過(guò)程中合金不易粉化，制成的電極能保持形狀的穩(wěn)定； (e) 合金應(yīng)有良好的電和熱的傳導(dǎo)性； (f) 原材料成本低廉。我國(guó)在鎳氫動(dòng)力電池

11、上也有相當(dāng)?shù)难芯窟M(jìn)展，清華大學(xué)所開(kāi)發(fā)出來(lái)燃料電池混合的動(dòng)力客車(chē)采用鎳氫動(dòng)力電池為輔助動(dòng)力，所開(kāi)發(fā)出來(lái)的電池主要有80、40、28、8 及6.5Ah，尤其是80Ah 的功率已經(jīng)高達(dá)了1000W/kg。2.3 鎳氫電池的應(yīng)用目前，在研發(fā)負(fù)極的儲(chǔ)氫合金方面取得大量成績(jī)，如：使用多元合金中調(diào)節(jié)材料，其中的熱力學(xué)性質(zhì)，對(duì)材料的電催化活性有效改善，在寬溫度范圍中對(duì)材料的綜合電化學(xué)的性能等；在新材料開(kāi)發(fā)商，對(duì)AB3-5 合金上的研究也具備較大進(jìn)展，其中容量已經(jīng)達(dá)到430mAh/g，如果環(huán)境的溫度低于了零下40 攝氏度，容量比常溫下的容量高大約70%，其電荷轉(zhuǎn)移的阻抗以及傳質(zhì)擴(kuò)散之阻抗都比較低，但是其循環(huán)的穩(wěn)

12、定性方面依然存在缺陷9-11。如圖2所示為800mAh AAA鎳氫電池。圖2 800mAh AAA鎳氫電池在我國(guó)研發(fā)質(zhì)子交換膜的燃料電池方面所投入比例較大，但是主要還是放在了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)方面，質(zhì)子交換膜、催化劑及碳紙等各種材料還是要進(jìn)口。經(jīng)過(guò)各個(gè)國(guó)家共同努力下，燃料電池的催化劑研發(fā)上得到進(jìn)一步發(fā)展，尤其是在Pt/C及PtRu/C催化劑研發(fā)上進(jìn)展比較大，并有了穩(wěn)定的批量供應(yīng)能力，同時(shí)低鉑催化劑、抗中毒催化劑及非鉑催化劑等再生與回收技術(shù)上都取得較大進(jìn)步。目前鎳氫電池已進(jìn)入成熟期，主要應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)上。例如我國(guó)長(zhǎng)春一汽、東風(fēng)電動(dòng)車(chē)輛股份有限公司和長(zhǎng)安汽車(chē)等單位在其開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力轎車(chē)如圖3所示、

13、混合動(dòng)力客車(chē)中，大多使用了鎳氫動(dòng)力電池12。圖 3 混合動(dòng)力轎車(chē)3.鋰離子電池材料目前鋰離子電池的負(fù)極材料以碳質(zhì)材料為主，包括中間性炭微球和改性天然石墨等，鋰離子電池正極材料主要為L(zhǎng)iCo02，同時(shí)LiMn204，LiFePO4和鋰鎳鈷錳氧化物等新型正極材料也在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用過(guò)程中。3.1 鋰離子電池發(fā)展?fàn)顩r我們平時(shí)所使用的手機(jī)電池、筆記本電池都是鋰離子電池，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)在我國(guó)也發(fā)展得十分繁榮13。新能源材料的研發(fā)是全球科研的趨勢(shì)，作為當(dāng)代大學(xué)生，應(yīng)當(dāng)抓住這個(gè)機(jī)遇，積極投身新能源事業(yè)，通過(guò)提高新能源的技術(shù)工藝，克服生產(chǎn)難關(guān)，來(lái)達(dá)到綠色、環(huán)保、和諧的科技創(chuàng)新之路。由于其工作電壓與重量能量密度優(yōu)于常

14、用的鎳鎘電池(Ni/Cd)與Ni/MH電池，又無(wú)記憶效應(yīng)及環(huán)保問(wèn)題(鋰離子電池的金屬含量最低)，因此成為目前商業(yè)開(kāi)發(fā)二次電池的主流；還以其薄形化及形狀有高度的可塑性等特點(diǎn)，因此符合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求，所以備受各國(guó)科學(xué)家及電池業(yè)的重視，發(fā)展極快14。鋰離子電池被人們稱(chēng)為“綠色環(huán)保能源”和“跨世紀(jì)的能源革命”。鋰離子電池是照相機(jī)、電子手表、計(jì)算器、各種具有儲(chǔ)存功能的電子器件或裝置的理想電源。鋰離子電池充放電示意圖及電池反應(yīng)如圖4所示。C6 + LixMmOn LiyC6 + Lix-yMmOn圖 4鋰離子電池充放電示意圖及電池反應(yīng)3.2 鋰離子電池正負(fù)極材料20 世紀(jì) 70 年代末期，M

15、urphy 等人及 Lazzari 和 Scrosati首次提出“搖椅式”電池的概念，即用低嵌鋰電位的層間化合物代替金屬鋰負(fù)極，配之以高插鋰電位的化合物作為正極，從而避免了金屬鋰枝晶的沉積，因此安全性得以顯著提高. 但由于這種電池存在工作電壓低、鋰離子在負(fù)極材料中擴(kuò)散慢等問(wèn)題， 研究與開(kāi)發(fā)一度陷入停滯不前的局面15。 直到 1985 年， Yoshino 等人以石油焦作為負(fù)極材料， 采用鈷酸鋰為正極材料， 構(gòu)建出一種全新的高電壓鋰離子電池， 并在 1990 年后被日本索尼公司大規(guī)模商業(yè)化。 這種正負(fù)極材料組合的鋰離子電池循環(huán)壽命大大延長(zhǎng)， 同時(shí)安全性也顯著提高， 成為鋰電池發(fā)展史上的一個(gè)里程碑

16、。 鋰離子電池性能的提高歸根到底與電池材料的選擇有關(guān)16。 因此， 探索新的高性能材料一直是鋰離子電池研究中的焦點(diǎn)。 常見(jiàn)的鋰離子電池正負(fù)極材料如圖 5所示。圖 5常見(jiàn)的鋰離子電池正負(fù)極材料石墨類(lèi)負(fù)極具有優(yōu)良的綜合特性，一直被廣泛應(yīng)用。由于非碳負(fù)極材料存在嚴(yán)重的固有缺陷，如合金類(lèi)負(fù)極循環(huán)特性差、平臺(tái)不理想等，因此可以預(yù)見(jiàn)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，石墨類(lèi)負(fù)極仍將占據(jù)商品化負(fù)極材料的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位17。隨著移動(dòng)電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)及大型儲(chǔ)能的發(fā)展，未來(lái)新型炭負(fù)極的發(fā)展將主要集中在3個(gè)方面:(1)鋰離子動(dòng)力電池用高功率石墨負(fù)極，主要包括人造石墨及中間相炭微球的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能提高等；(2)非石墨類(lèi)高容量炭

17、負(fù)極，主要包括新型的高容量硬碳負(fù)極材料。其中，新型硬炭負(fù)極不僅具有相對(duì)較低的放電平臺(tái)和高的比容量，也具有可大電流放電的特性，在動(dòng)力電池領(lǐng)域?qū)⒕哂幸欢ǖ膽?yīng)用前景；(3)炭基復(fù)合負(fù)極材料，與其他高容量負(fù)極如Si，Sn等復(fù)合，以提高負(fù)極材料的比容量18。其中正極材料的研究主要集中于鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰等材料， 而商品化的負(fù)極材料基本為各種碳質(zhì)材料，主要包括天然石墨、人造石墨、硬炭等。 碳納米管和石墨烯等新型炭材料的出現(xiàn)，也給鋰離子電池的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。大部分炭材料均能與鋰離子發(fā)生嵌入-脫嵌反應(yīng)，其電化學(xué)行為取決于炭材料的結(jié)構(gòu)19。Dahn等人對(duì)炭材料的儲(chǔ)鋰行為進(jìn)行了詳細(xì)研究，并按照炭材料的

18、結(jié)構(gòu)及石墨化難易程度，將炭負(fù)極材料分為3類(lèi):(1)石墨類(lèi)炭負(fù)極;(2)低溫軟炭負(fù)極;(3)硬炭負(fù)極。4.總結(jié)與展望開(kāi)發(fā)新能源是降低碳排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在新能源的發(fā)展過(guò)程中，新能源材料起到了不可替代的重要作用，引導(dǎo)和支撐了新能源的發(fā)展。核能材料是發(fā)展核能的重要基礎(chǔ)。儲(chǔ)能材料是發(fā)展節(jié)能的清潔交通和新型儲(chǔ)能器件的重要支撐20。國(guó)外許多大學(xué)都設(shè)置了新能源材料專(zhuān)業(yè)，如美國(guó)的康奈爾大學(xué)、麻省理工學(xué)院、波特蘭大學(xué)，日本的東京大學(xué)，澳大利亞斯威本科技大學(xué)等。他們的新能源材料相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)較早，一直處于世界領(lǐng)先地位，不但具有世界領(lǐng)先的學(xué)術(shù)研究能力，而且還擁有將理論轉(zhuǎn)化為成果的經(jīng)

19、驗(yàn)和應(yīng)用技術(shù)。國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)也設(shè)立了以新能源或新能源材料為專(zhuān)業(yè)方向的專(zhuān)業(yè)，但側(cè)重點(diǎn)不同。北京大學(xué)設(shè)置了能源與資源工程目錄外專(zhuān)業(yè)，可再生能源、節(jié)能技術(shù)、油氣工程技術(shù)、水資源、資源勘探專(zhuān)業(yè)方向；清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、華東理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校主要側(cè)重培養(yǎng)核電方面的人才等21。新能源材料是推動(dòng)氫能燃料電池快速發(fā)展的重要保障。提高能效，降低成本，節(jié)約資源，環(huán)境友好，將成為新能源發(fā)展的永恒主題，新能源材料將在其中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。在新型炭負(fù)極方面，未來(lái)的發(fā)展將主要集中在高功率石墨類(lèi)負(fù)極及非石墨類(lèi)高容量炭負(fù)極，以滿足未來(lái)動(dòng)力和高能電池的需求。炭導(dǎo)電劑對(duì)電池性能具有重要影響，新型導(dǎo)電劑的研究將主

20、要集中在具有高離子電導(dǎo)特性炭黑的開(kāi)發(fā)以及與碳納米管、石墨烯等新型炭材料復(fù)合得到的復(fù)合導(dǎo)電劑等方面。如何針對(duì)新能源發(fā)展的重大需求，解決相關(guān)新能源材料的材料科學(xué)基礎(chǔ)研究和重要工程技術(shù)問(wèn)題，將成為材料工作者的重要研究課題。5.參考資料1 Yuan Gaihuan, LiHengyu, Wang Dehua.鋯材在核電站的應(yīng)用及前景J.綜合評(píng)述,2007.2 Dai H J. Carbon nanotubes： Opportunities and challengesJ. Surface Science， 2002， 500（1-3）：218-241.3 Lee C， Wei X D， Kysar J

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