鈉離子電池課件

鈉離子電池鈉離子電池1報告人：陳亭儒鈉離子電池2報告人：陳亭儒鈉離子電池2主要內(nèi)容鈉離子電池3主要內(nèi)容鈉離子電池31.研究背景化石能源逐漸枯竭—能源短缺化石能源燃燒—環(huán)境污染開發(fā)新能源能量轉(zhuǎn)換和儲存的可充電電池具有廣闊的市場應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益鋰離子電池太陽能，風(fēng)能等是可再生清潔能源，具有總量大，能量密度低，隨機(jī)性，間歇性等特點，容易受到自然條件的限制。因此并不能較好的利用它們。鈉離子電池41.研究背景化石能源逐漸枯竭—能源短缺化石能源燃燒—環(huán)境污染1.研究背景鋰離子電池優(yōu)點高能量密度循環(huán)壽命長工作電壓高無記憶效應(yīng)工作溫度范圍寬自放電小鈉離子電池51.研究背景鋰離子電池優(yōu)點高能量密度循環(huán)壽命長工作電壓高無記1.研究背景雖然是作為最先進(jìn)的儲能二次電池的鋰離子電池，已廣泛應(yīng)用于小型電子產(chǎn)品并有可能成為未來新能源汽車的動力電池以及大規(guī)模儲能工程的配套電源。但是鋰離子電池又有其存在的問題：1安全性問題—在鋰離子電池中，除了正常的充放電外，還存在很多放熱副反應(yīng)，電池溫度過高或充電電壓過高時，放熱副反應(yīng)就可能會被引發(fā)從而引起一系列安全問題。2成本問題—高昂的成本是制約鋰離子電池普及使用的一個重要因素。LiCoO2是研究最早且技術(shù)最成熟的鋰離子電池正極材料，在鋰離子電池正極材料市場占主導(dǎo)地位，但是鈷資源匱乏，價格昂貴，直接導(dǎo)致電池成本高。3鋰資源短缺—我國的鋰儲量十分有限，僅占地殼的0.0065%，并且分布不均，我國主要集中在青海，西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)，開發(fā)利用會有很多困難。。鈉離子電池61.研究背景雖然是作為最先進(jìn)的儲能二次電池的鋰離子電池，已廣1.研究背景基于上述原因，研究人員又將目光轉(zhuǎn)向了與鋰同一主族的鈉上面了。金屬原子量/gmol-1密度/gcm-3離子半徑/pm價態(tài)變化比容量/mAhg-1標(biāo)準(zhǔn)電勢/Vvs.SHE地殼豐度價格/元kg-1Li6.940.5346813862-3.040.006%~40Na22.990.9689711166-2.72.64%~2表1鈉單質(zhì)與鋰單質(zhì)的比較同鋰離子電池相比，鈉離子電池更適合作為大規(guī)模儲能的器件，其具有三個方面的優(yōu)勢：1.相對于鋰元素而言，鈉元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位高0.3V，作為儲能材料而言有更好的安全性能；2.鈉元素在地球上的儲量豐富，地殼中金屬鈉的含量達(dá)到了2.64%，并且鈉元素分布廣泛，海水中就存在有豐富儲量，開發(fā)方便；3.鈉單質(zhì)價格非常便宜。鈉離子電池71.研究背景基于上述原因，研究人員又將目光轉(zhuǎn)向了與鋰同一主族2.關(guān)鍵材料世界上最早的鈉電池—20世紀(jì)60年代由美國福特公司發(fā)明了以金屬鈉為負(fù)極，硫為正極的高溫鈉硫電池，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，鈉電池主要有鈉硫電池（Na－S），鈉/氯化鎳電池（Zebra電池）兩種體系。這類高溫鈉電池需在高溫環(huán)境下工作，這將涉及到保溫和能耗問題，大大影響電池的實際性能。鈉硫電池在300℃以上的高溫環(huán)境下工作，當(dāng)電解質(zhì)管破裂或者滲漏時，高溫的液態(tài)鈉和液態(tài)硫直接接觸發(fā)生劇烈反應(yīng)，釋放大量熱，甚至引起電池爆炸由于以金屬鈉為負(fù)極的鈉電池體系存在很大的安全隱患，目前還不能找到有效的解決之道。因此，研究者提出以可儲存鈉離子的電極材料代替金屬鈉，發(fā)展鈉離子電池。鈉離子電池82.關(guān)鍵材料世界上最早的鈉電池—20世紀(jì)60年代由美國福特公2.關(guān)鍵材料鈉離子電池工作原理：與鋰離子電池類似，屬于“搖椅式電池”，通過鈉離子在正負(fù)極間的嵌入與脫嵌，進(jìn)行充放電循環(huán)。其主要的工作原理如下圖所示：鈉離子電池92.關(guān)鍵材料鈉離子電池工作原理：與鋰離子電池類似，屬于“搖椅2.關(guān)鍵材料鈉離子電池體系構(gòu)成正極材料負(fù)極材料電解液電池的核心部件性能電池電化學(xué)性能隔膜電池外殼與鋰離子電池類似鈉離子電池102.關(guān)鍵材料鈉離子電池體系構(gòu)成正極材料負(fù)極材料電解液電池的核2.關(guān)鍵材料鈉離子電池正極材料氧化物型聚陰離子型鈉鈷氧化合物NaxCoO2鈉錳氧化合物NaxMnO2鈉基多元過渡金屬化合物鈉釩氧化合物過渡金屬磷酸鈉鹽NaMPO4(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)過渡金屬氟磷酸鈉鹽NaMPO4F(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)過渡金屬氟化物MFx—是近年來發(fā)展起來的具有較大應(yīng)用前景的新型正極材鈉離子電池112.關(guān)鍵材料鈉離子電池正極材料氧化物型聚陰離子型鈉鈷氧化合物2.關(guān)鍵材料鈉鈷氧化合物NaxCoO2最早被研究的一類儲鈉正極材料。x的表示鈉離子的含量，鈉離子含量的不同，其在CoO2層間的配位環(huán)境就會相應(yīng)地發(fā)生變化。但是研究表明此類材料的容量不高，循環(huán)性能也不盡人意，另外，鈷資源短缺，價格昂貴，有毒性，這類材料不適宜大規(guī)模應(yīng)用。鈉離子電池122.關(guān)鍵材料鈉鈷氧化合物NaxCoO2最早被研究的一類儲鈉2.關(guān)鍵材料鈉錳氧化合物NaxMnO2是一類重要的鈉離子正極材料。x大小的不同，其材料的晶體結(jié)構(gòu)變化也非常大。NaxMnO2x0.5,P3相-3維隧道結(jié)構(gòu)，Na0.44MnO2

x0.5,P2相-層狀結(jié)構(gòu)，Na0.6MnO2過渡金屬(氟)磷酸鈉鹽是一類較穩(wěn)定的正極體系。一般以橄欖石型或NASICON型結(jié)構(gòu)(鈉超離子導(dǎo)體，通式化學(xué)通式為Na3M2(PO4)3)穩(wěn)定存在，含有開放性的結(jié)構(gòu)骨架和較大的離子通道。由于PO43-的誘導(dǎo)效應(yīng)，這類化合物具有比氧化物更高的理論電壓。鈉離子電池132.關(guān)鍵材料鈉錳氧化合物NaxMnO2是一類重要的鈉離子正極2.關(guān)鍵材料鈉離子電池負(fù)極材料碳基負(fù)極材料合金類負(fù)極材料其他儲鈉負(fù)極材料鈉離子電池142.關(guān)鍵材料鈉離子電池負(fù)極材料碳基負(fù)極材料合金類負(fù)極材料其他3.合成與分析方法通常，前驅(qū)體的制備有很多方法，包括固相球磨法，燃燒法，噴霧干燥，溶膠凝膠法等等。而制成正極材料之后，會對樣品進(jìn)行一系列的分析與測試，然后進(jìn)行半電池的組裝，并測定其電化學(xué)性能。1.X射線衍射(XRD)分析：分析試樣中的物相組成、晶體結(jié)構(gòu)及其晶胞參數(shù)等重要數(shù)據(jù)2.掃描電鏡(SEM)的表征：客觀地反映固體試樣的表面微觀形貌、顆粒形狀及粒度分布、表面成分分布等信息。3.透射電鏡(TEM)的表征：用于分析材料內(nèi)部的微觀組織形貌、相變、缺陷等有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息4.循環(huán)伏安(CV)的分析5.電化學(xué)交流阻抗的分析6.充放電測試：得到電極材料的充放電曲線、比容量、循環(huán)性能、倍率性能、開路電壓及極化電壓等基本的電化學(xué)性能參數(shù)鈉離子電池153.合成與分析方法通常，前驅(qū)體的制備有很多方法，包括固相球磨4.現(xiàn)狀與計劃由于鈉離子的離子半徑(97pm)比鋰離子的離子半徑(68pm)要大，并且鈉單質(zhì)的比容量是鋰單質(zhì)比容量的三分之一還不到，這就造成了目前研究出的鈉離子正極材料的性能，電壓平臺，比容量，循環(huán)性能等都沒有鋰離子正極材料好，如右圖所示：鈉離子電池164.現(xiàn)狀與計劃由于鈉離子的離子半徑(97pm)比鋰離子的離子4.現(xiàn)狀與計劃總的來說，目前鈉離子電池還存在如不可逆容量損失較大，大電流充放電時的性能不夠理想，儲能容量偏低，容量保持率低等問題。鈉離子電池技術(shù)難點一：由于鈉離子半徑大，導(dǎo)致其在剛性晶體中相對穩(wěn)定，難于脫嵌；即使能夠進(jìn)行可逆脫嵌，但動力學(xué)速度慢二：鈉離子電池正極材料的制備，沒有過于新穎的創(chuàng)新思路，創(chuàng)新方法。目前做的正極材料大多都是借鑒鋰離子電池的材料，然后移植到鈉離子體系，通過實驗篩選。尖晶石型，層狀類，橄欖石型均試驗過，其材料性能都沒有鋰離子電池好。鈉離子電池174.現(xiàn)狀與計劃總的來說，目前鈉離子電池還存在如不可逆容量損失4.現(xiàn)狀與計劃目前計劃大量閱讀文獻(xiàn)，總結(jié)找一兩篇合成方法比較好的文章，按照其思路自己做實驗看看其材料的性能效果。通過分析某一問題找到一個切入點進(jìn)行自己的實驗鈉離子電池184.現(xiàn)狀與計劃目前計劃大量閱讀文獻(xiàn)，總結(jié)找一兩篇合成方法比較鈉離子電池鈉離子電池19報告人：陳亭儒鈉離子電池20報告人：陳亭儒鈉離子電池2主要內(nèi)容鈉離子電池21主要內(nèi)容鈉離子電池31.研究背景化石能源逐漸枯竭—能源短缺化石能源燃燒—環(huán)境污染開發(fā)新能源能量轉(zhuǎn)換和儲存的可充電電池具有廣闊的市場應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益鋰離子電池太陽能，風(fēng)能等是可再生清潔能源，具有總量大，能量密度低，隨機(jī)性，間歇性等特點，容易受到自然條件的限制。因此并不能較好的利用它們。鈉離子電池221.研究背景化石能源逐漸枯竭—能源短缺化石能源燃燒—環(huán)境污染1.研究背景鋰離子電池優(yōu)點高能量密度循環(huán)壽命長工作電壓高無記憶效應(yīng)工作溫度范圍寬自放電小鈉離子電池231.研究背景鋰離子電池優(yōu)點高能量密度循環(huán)壽命長工作電壓高無記1.研究背景雖然是作為最先進(jìn)的儲能二次電池的鋰離子電池，已廣泛應(yīng)用于小型電子產(chǎn)品并有可能成為未來新能源汽車的動力電池以及大規(guī)模儲能工程的配套電源。但是鋰離子電池又有其存在的問題：1安全性問題—在鋰離子電池中，除了正常的充放電外，還存在很多放熱副反應(yīng)，電池溫度過高或充電電壓過高時，放熱副反應(yīng)就可能會被引發(fā)從而引起一系列安全問題。2成本問題—高昂的成本是制約鋰離子電池普及使用的一個重要因素。LiCoO2是研究最早且技術(shù)最成熟的鋰離子電池正極材料，在鋰離子電池正極材料市場占主導(dǎo)地位，但是鈷資源匱乏，價格昂貴，直接導(dǎo)致電池成本高。3鋰資源短缺—我國的鋰儲量十分有限，僅占地殼的0.0065%，并且分布不均，我國主要集中在青海，西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)，開發(fā)利用會有很多困難。。鈉離子電池241.研究背景雖然是作為最先進(jìn)的儲能二次電池的鋰離子電池，已廣1.研究背景基于上述原因，研究人員又將目光轉(zhuǎn)向了與鋰同一主族的鈉上面了。金屬原子量/gmol-1密度/gcm-3離子半徑/pm價態(tài)變化比容量/mAhg-1標(biāo)準(zhǔn)電勢/Vvs.SHE地殼豐度價格/元kg-1Li6.940.5346813862-3.040.006%~40Na22.990.9689711166-2.72.64%~2表1鈉單質(zhì)與鋰單質(zhì)的比較同鋰離子電池相比，鈉離子電池更適合作為大規(guī)模儲能的器件，其具有三個方面的優(yōu)勢：1.相對于鋰元素而言，鈉元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位高0.3V，作為儲能材料而言有更好的安全性能；2.鈉元素在地球上的儲量豐富，地殼中金屬鈉的含量達(dá)到了2.64%，并且鈉元素分布廣泛，海水中就存在有豐富儲量，開發(fā)方便；3.鈉單質(zhì)價格非常便宜。鈉離子電池251.研究背景基于上述原因，研究人員又將目光轉(zhuǎn)向了與鋰同一主族2.關(guān)鍵材料世界上最早的鈉電池—20世紀(jì)60年代由美國福特公司發(fā)明了以金屬鈉為負(fù)極，硫為正極的高溫鈉硫電池，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，鈉電池主要有鈉硫電池（Na－S），鈉/氯化鎳電池（Zebra電池）兩種體系。這類高溫鈉電池需在高溫環(huán)境下工作，這將涉及到保溫和能耗問題，大大影響電池的實際性能。鈉硫電池在300℃以上的高溫環(huán)境下工作，當(dāng)電解質(zhì)管破裂或者滲漏時，高溫的液態(tài)鈉和液態(tài)硫直接接觸發(fā)生劇烈反應(yīng)，釋放大量熱，甚至引起電池爆炸由于以金屬鈉為負(fù)極的鈉電池體系存在很大的安全隱患，目前還不能找到有效的解決之道。因此，研究者提出以可儲存鈉離子的電極材料代替金屬鈉，發(fā)展鈉離子電池。鈉離子電池262.關(guān)鍵材料世界上最早的鈉電池—20世紀(jì)60年代由美國福特公2.關(guān)鍵材料鈉離子電池工作原理：與鋰離子電池類似，屬于“搖椅式電池”，通過鈉離子在正負(fù)極間的嵌入與脫嵌，進(jìn)行充放電循環(huán)。其主要的工作原理如下圖所示：鈉離子電池272.關(guān)鍵材料鈉離子電池工作原理：與鋰離子電池類似，屬于“搖椅2.關(guān)鍵材料鈉離子電池體系構(gòu)成正極材料負(fù)極材料電解液電池的核心部件性能電池電化學(xué)性能隔膜電池外殼與鋰離子電池類似鈉離子電池282.關(guān)鍵材料鈉離子電池體系構(gòu)成正極材料負(fù)極材料電解液電池的核2.關(guān)鍵材料鈉離子電池正極材料氧化物型聚陰離子型鈉鈷氧化合物NaxCoO2鈉錳氧化合物NaxMnO2鈉基多元過渡金屬化合物鈉釩氧化合物過渡金屬磷酸鈉鹽NaMPO4(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)過渡金屬氟磷酸鈉鹽NaMPO4F(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)過渡金屬氟化物MFx—是近年來發(fā)展起來的具有較大應(yīng)用前景的新型正極材鈉離子電池292.關(guān)鍵材料鈉離子電池正極材料氧化物型聚陰離子型鈉鈷氧化合物2.關(guān)鍵材料鈉鈷氧化合物NaxCoO2最早被研究的一類儲鈉正極材料。x的表示鈉離子的含量，鈉離子含量的不同，其在CoO2層間的配位環(huán)境就會相應(yīng)地發(fā)生變化。但是研究表明此類材料的容量不高，循環(huán)性能也不盡人意，另外，鈷資源短缺，價格昂貴，有毒性，這類材料不適宜大規(guī)模應(yīng)用。鈉離子電池302.關(guān)鍵材料鈉鈷氧化合物NaxCoO2最早被研究的一類儲鈉2.關(guān)鍵材料鈉錳氧化合物NaxMnO2是一類重要的鈉離子正極材料。x大小的不同，其材料的晶體結(jié)構(gòu)變化也非常大。NaxMnO2x0.5,P3相-3維隧道結(jié)構(gòu)，Na0.44MnO2

x0.5,P2相-層狀結(jié)構(gòu)，Na0.6MnO2過渡金屬(氟)磷酸鈉鹽是一類較穩(wěn)定的正極體系。一般以橄欖石型或NASICON型結(jié)構(gòu)(鈉超離子導(dǎo)體，通式化學(xué)通式為Na3M2(PO4)3)穩(wěn)定存在，含有開放性的結(jié)構(gòu)骨架和較大的離子通道。由于PO43-的誘導(dǎo)效應(yīng)，這類化合物具有比氧化物更高的理論電壓。鈉離子電池312.關(guān)鍵材料鈉錳氧化合物NaxMnO2是一類重要的鈉離子正極2.關(guān)鍵材料鈉離子電池負(fù)極材料碳基負(fù)極材料合金類負(fù)極材料其他儲鈉負(fù)極材料鈉離子電池322.關(guān)鍵材料鈉離子電池負(fù)極材料碳基負(fù)極材料合金類負(fù)極材料其他3.合成與分析方法通常，前驅(qū)體的制備有很多方法，包括固相球磨法，燃燒法，噴霧干燥，溶膠凝膠法等等。而制成正極材料之后，會對樣品進(jìn)行一系列的分析與測試，然后進(jìn)行半電池的組裝，并測定其電化學(xué)性能。1.X射線衍射(XRD)分析：分析試樣中的物相組成、晶體結(jié)構(gòu)及其晶胞參數(shù)等重要數(shù)據(jù)2.掃描電鏡(SEM)的表征：客觀地反映固體試樣的表面微觀形貌、顆粒形狀及粒度分布、表面成分分布等信息。3.透射電鏡(TEM)的表征：用于分析材料內(nèi)部的微觀組