電池材料簡介ppt

電池材料現(xiàn)代化學(xué)學(xué)論第1小組電池發(fā)展史1780-1791年，發(fā)明伽尼爾電池。1800年，伏打電堆的發(fā)明標(biāo)志著電池的誕生。1859年，普朗特發(fā)明鉛酸電池。1868年，勒克朗謝發(fā)明鋅/二氧化錳干電池。1899年，發(fā)明Ni/Cd蓄電池。1951年，發(fā)明密封Ni/Fe蓄電池。1990年，發(fā)明鋰離子電池。1995年，發(fā)明聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論電池分類2023/2/6電池鋅電池鉛電池鋰電池其他新型電池堿性二次電池鋰二次電池鋰一次電池鋅/錳干電池堿錳電池鋅/空氣一次電池鋅/溴電池Ni/Fe電池Ni/Cd電池Ni/MH電池燃料電池等等現(xiàn)代化學(xué)選論2023/2/6新型電池材料新型電池材料鋰離子電池材料鎳氫電池材料燃料電池材料最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉醇夹g(shù)現(xiàn)代化學(xué)選論1.鋰離子電池材料概述1.1發(fā)展背景

由于空間和軍用的需求以及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，對體積小、質(zhì)量輕、比能量高、使用壽命長的電池要求日益迫切，對上述各項(xiàng)性能的要求越來越高。鋰離子二次電池正是在這一形式下發(fā)展起來的一種新型能源。2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論2023/2/6

鋰離子電池是在鋰二次電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來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):負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)。在充放電過程中，鋰離子在正負(fù)極間搖來晃去，而無金屬鋰的析出，因此，鋰離子電池又稱為“搖椅電池”。1.2鋰離子電池工作原理現(xiàn)代化學(xué)選論圖1鋰離子電池充放電原理這種電池的工作電壓與構(gòu)成電極的鋰離子嵌入化合物的濃度有關(guān)現(xiàn)代化學(xué)選論1.3鋰離子電池負(fù)極材料2023/2/6負(fù)極材料碳素材料非碳材料石墨材料軟碳材料硬碳材料錫的氧化物錫基復(fù)合氧化物含鋰過渡金屬氮化物納米級負(fù)極材料現(xiàn)代化學(xué)選論1.3.1碳素材料

碳材料是人們最早開始研究并應(yīng)用于鋰離子電池的生產(chǎn)中、至今仍為大家關(guān)注和研究的重點(diǎn)之一。碳材料負(fù)極的充放電反應(yīng)是鋰在固相內(nèi)嵌入-脫嵌反應(yīng)，在電池充放電過程中，鋰在負(fù)極材料的內(nèi)脫/嵌并形成鋰碳插入化合物L(fēng)ixC6。LixC6→Lix-yC6+yLi++ye-現(xiàn)代化學(xué)選論1）石墨材料

在石墨材料中，層與層間靠范德華力鍵合在一起形成層狀結(jié)構(gòu)，其良好的層狀結(jié)構(gòu)，更適合Li離子的脫/嵌，形成鋰-碳插入化合物L(fēng)ixC6易解離柔軟有潤滑性導(dǎo)電性現(xiàn)代化學(xué)選論理想石墨晶體的層間距為0.33538nm，右圖為六面體對稱?，F(xiàn)代化學(xué)選論石墨材料的典型充放電曲線2）軟碳材料

在軟碳中，石墨微晶間取軟碳材料可分為石墨化軟碳和非石墨化軟碳。向差別較小，結(jié)合力很弱，在高溫下，微晶很容易轉(zhuǎn)動合并成石墨晶體，所以，軟碳也稱為易石墨化碳。軟碳材料經(jīng)2000℃以上處理,在結(jié)構(gòu)上接近石墨,在嵌鋰特性上也和石墨相似?，F(xiàn)代化學(xué)選論3）硬碳材料

在硬碳中，微晶間取向差別較大，存在交聯(lián)，結(jié)合力很強(qiáng)，即使在高溫下也不容易轉(zhuǎn)動，很難轉(zhuǎn)變成石墨，所以，硬碳也稱為非石墨化碳或者難石墨化碳?，F(xiàn)代化學(xué)選論1.3.2非碳材料1.錫的氧化物

錫的氧化物有氧化錫SnO2和氧化亞錫SnO，兩者都具有一定的儲鋰能力，其混合物也具有儲鋰能力。2.錫基復(fù)合氧化物

在Sn的氧化物中加入一些金屬或非金屬氧化物，如Fe、Ti、Ge、Si、Al、P、B等元素的氧化物。目前，這種材料的脫嵌機(jī)理及充放電循環(huán)性能等還有待進(jìn)一步研究?，F(xiàn)代化學(xué)選論3.含鋰過渡金屬氮化物是在氮化鋰Li3N這種高離子導(dǎo)體材料研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也具有高離子導(dǎo)電性和過渡金屬價態(tài)可變性，在結(jié)構(gòu)上可分為反CaF2型和Li3N型兩種，最具代表性的材料分別為Li7MnN4和Li3-xCoxN等。制備方法高能球磨、電化學(xué)沉積、水溶液體系還原法4.納米級負(fù)極材料

目前已報道的有：SnSbx，SnAgx，F(xiàn)eSnx/FeSnC，CuSnx,C/Si,nano-Si等。現(xiàn)代化學(xué)選論①獲得更高嵌鋰量的同時，降低材料的首次不可逆容

量，并將其控制在總?cè)萘康?0%以內(nèi)；②研究和提高材料的體積比容量，使電池容量真正得到提高；③充分考察具有高比平面、高活性的納米材料的安全性；④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)；⑤降低材料的生產(chǎn)和使用成本，使其真正具有使用價值。研究中注意的實(shí)際問題：現(xiàn)代化學(xué)選論1.4鋰離子電池正極材料2023/2/6正極材料鋰鈷氧化物鋰鎳氧化物尖晶石LiMn2O4

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)主要是層狀結(jié)構(gòu)的鋰鈷氧化物和鋰鎳氧化物，以及尖晶石結(jié)構(gòu)的鋰錳氧化物?，F(xiàn)代化學(xué)選論1.4.1鋰鈷氧化物目前商品化鋰離子電池幾乎全部采用LiCoO2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、制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)代化學(xué)選論2023/2/6鋰鈷氧化物的合成技術(shù)有：A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700~900℃下，空氣氛圍灼燒而成。B低溫合成技術(shù)這種低溫合成技術(shù)相對于高溫合成技術(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間較短而已。a.低溫固相合成法；b.低溫熔溶鹽法；c.溶液共混法；d.噴霧干燥法；e.沉淀法；f.溶膠-凝膠（Sol-gel）法現(xiàn)代化學(xué)選論1.4.2鋰鎳氧化物主要是指LiNiO2。在一定的條件下，Li能夠在NiO層與層之間進(jìn)行嵌入脫出，使得它成為理想的鋰離子電池嵌基材料。不足：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。關(guān)鍵：改進(jìn)合成方法LiNiO2的充放電曲線1.4.3尖晶石LiMn2O4正極材料制備方法：

高溫固相法、融鹽浸漬法、共沉淀法、Pechini法，電化學(xué)法、噴霧干燥法、溶膠-凝膠法等軟化學(xué)方法。其中高溫固相反應(yīng)法和溶膠-凝膠法為主要的合成方法。優(yōu)點(diǎn)成本低、無污染、電性能好，應(yīng)用前景非常誘人現(xiàn)代化學(xué)選論1.5鋰離子電池電解質(zhì)材料基本要求：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2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論2023/2/6鋰離子電池電解質(zhì)液體電解質(zhì)固體電解質(zhì)無機(jī)液體電解質(zhì)有機(jī)液體電解質(zhì)無機(jī)固體電解質(zhì)有機(jī)固體電解質(zhì)熔融鹽純固體聚合物電解質(zhì)膠體聚合物電解質(zhì)從相態(tài)分：現(xiàn)代化學(xué)選論1.6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、無記憶效應(yīng)、無公害、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)用到移動電話、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,國內(nèi)外也在競相開發(fā)電動汽車、航天和儲能等方面所需的大容量鋰離子電池。2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論2023/2/62.1發(fā)展背景：

隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電池的需求量越來越大，特別是可充電電池的市場需求量迅速增加，鎳氫電池以其容量大、無污染、價格適中等優(yōu)越性，迅速獲得了廣泛應(yīng)用。2.鎳氫電池材料概述鎳氫電池是一種性能非常優(yōu)異的新型電池，它一定會取代目前大量應(yīng)用的鎳鎘電池?，F(xiàn)代化學(xué)選論2.2

工作原理2023/2/6（1）負(fù)極反應(yīng)充電過程:M+H2O+e→MHad+OH-MHad→α-Mhad→β-MHad

放電過程：β-MHad（α-MHad

）→MHadMHad+OH-→M+H2O+e（2）正極反應(yīng)（與鎳-鎘電池同）正常充電：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e

正常放電：NiOOH+H2O+e→Ni(OH)2+OH-（3）電池反應(yīng)正常充電：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH

正常放電：MHad+NiOOH→M+Ni(OH)2

過放電過程：H2(正極)→H2(負(fù)極)現(xiàn)代化學(xué)選論2.3

鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)（1）能量密度高，是鎘-鎳電池的1.5－2.0倍（2）電池電壓為1.2－1.3V，與鎘-鎳電池相當(dāng)（3）可以快速充放電（4）低溫特性較好（5）可密封，耐過充放電性能好（6）無毒和無環(huán)境污染，被稱為“綠色環(huán)保電池”（7）不使用貴金屬催化劑（8）無記憶效應(yīng)2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論2.4鎳氫電池的電極材料

鎳氫電池，屬于新型二次堿性電池。

鎳氫電池正極的活性物質(zhì)氫氧化鎳，負(fù)極活性物質(zhì)為化學(xué)沉淀法,粉末金屬法,金屬鎳電解法貯氫合金稀土系鈦系鎂系釩系鋯系現(xiàn)代化學(xué)選論2023/2/62.5鎳氫電池的電解質(zhì)材料

氫-鎳電池多采用含30％LiOH的KOH水溶液，作為電解質(zhì)。

電解液的組成、濃度用量等對電池性能均有一定的影響，可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇?，F(xiàn)代化學(xué)選論2.6鎳氫電池的應(yīng)用

氫鎳電池逐步取代鎘鎳電池在電動工具、電動助力車、電話子母機(jī)、便攜式電話、攝像機(jī)、微型電腦等高性能電源的市場。3.燃料電池材料

燃料電池（FuelCell,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，我國早在20世紀(jì)50年代起就開始了燃料電池的理論研究。3.1發(fā)展背景現(xiàn)代化學(xué)選論3.2

工作原理

燃料電池是一種電化學(xué)裝置，簡單地講，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。現(xiàn)代化學(xué)選論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）在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)：H2+2OH-→H2O+2e-標(biāo)準(zhǔn)電極電位：-0.828V氧化劑（如氧）在陰極發(fā)生還原反應(yīng)：1/2O2+H2+2e→2HO-標(biāo)準(zhǔn)電極電位：0.401V整個電池的反應(yīng)：1/2O2+H2→H2O電池理論標(biāo)準(zhǔn)電勢：V0=0.401-(-20.828)=1.229V

即單電池的輸出電壓為1.229V。為了得到所需的電壓和電流，可以通過電池的串聯(lián)和并聯(lián)，使其組成一定發(fā)電能力的電池組。現(xiàn)代化學(xué)選論3.3

燃料電池的分類1）堿性燃料電池AFC2）磷酸型燃料電池PAFC3）熔融碳酸鹽燃料電池MCFC4）固體氧化物燃料電池SOFC5）質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC現(xiàn)代化學(xué)選論3.4固體氧化物燃料電池SOFC現(xiàn)代化學(xué)選論3.4.1工作原理

SOFC采用固體氧化物作為電解質(zhì)。固體氧化物高溫下具有傳遞O2-的能力，在電池中起傳遞O2-和分離空氣、燃料的作用。燃料氣為氫氣，一氧化碳，天然氣，煤制氣，蒸餾油。2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論3.4.2電解質(zhì)材料

在SOFC中，電解質(zhì)材料的主要作用是在陰極與陽極之間傳遞氧離子和對燃料及氧化劑的有效隔離。SOFC對電解質(zhì)材料的具體要求如下：(1)穩(wěn)定性

在SOFC操作溫度下，氧化性氣氛和還原性氣氛中電解質(zhì)必須具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性、形貌穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。(2)電導(dǎo)率

電解質(zhì)必須在氧化性氣氛和還原性氣氛中均具有足夠高的離子電導(dǎo)率，且氧離子傳遞系數(shù)接近于l。(3)相容性電解質(zhì)材料必須與其他電他組件(如電極等)具有良好的化學(xué)相容性。2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論2023/2/6

(4)熱膨脹系數(shù)

電解質(zhì)的熱膨脹系數(shù)必須與其他電池材料在室溫至操作溫度的范圍內(nèi)相匹配。

(5)致密性

電解質(zhì)材料必須易于制備成致密的薄膜，以有效地隔離燃料與氧化劑(空氣或氧氣)。現(xiàn)代化學(xué)選論

常用固體氧化物電解質(zhì)材料：

有Y2O3、CaO等摻雜的Bi2O3、CeO2、ZrO2、TlO2、HfO2氧化物形成的固溶物。目前，研究最深入、最有使用價值的電解質(zhì)材料是具有立方螢石結(jié)構(gòu)的Y2O3，ZrO2(YSZ)3.4.3陽極材料SOFC陽極的主要作用是為燃料的電化學(xué)氧化提供反應(yīng)場所，所以SOFC陽極材料必須在還原氣氛中穩(wěn)定．并具有足夠高的電子電導(dǎo)率和對燃料氧化反應(yīng)的催化活性。在中溫、高溫SOFC中，適合作為陽極催化劑的材料主要有金屬、電子導(dǎo)電陶瓷和混合導(dǎo)體氧化物等。常用的陽極催化劑有Ni、Co和貴金屬材料。其中金屬Ni由于其具有高活性、低價格的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。在SOFC中，通常將Ni分散于YSZ或SDC等電解質(zhì)材料中制成復(fù)合金屬陶瓷陽極。2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論3.4.4陰極材料陰極的作用是為氧化劑的電化學(xué)還原提供場所。因此陰極材料必須在氧化氣氛下保持穩(wěn)定，并在SOFC操作條件下具有足夠高的電于電導(dǎo)率和對氧電化學(xué)還原反應(yīng)的催化活性。2023/2/6目前，在高溫SOFC的研究與開發(fā)中使用最廣泛的陰極材料是Sr攙雜的LaMnO3(LSM)。對中溫SOFC，通常采用Sr、Fe攙雜的出LaCoO3(LSCF)、SrCoFe3-x(SCF)、Sr攙雜的SmCoO3(SSC)等離子—電子混合導(dǎo)電材料作陰極?，F(xiàn)代化學(xué)選論3.5燃料電池的應(yīng)用氫氧化鉀為電解質(zhì)的堿性燃料電池已成功地應(yīng)用于載人航天飛行，作為Apollo登月飛船和航天飛機(jī)的船上主電源，證明了燃料電池高效、高比能量、高可靠性。以磷酸為電解質(zhì)的磷酸型燃料電池，至今已有近百臺PC25(200kw)作為分散電站在世界各地運(yùn)行。不但為燃料電池電站運(yùn)行取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且也證明燃料電池的高度可靠性，可以用作不問斷電源。2023/2/6現(xiàn)代化學(xué)選論質(zhì)子交換膜燃料電池可在室溫快速啟動，并可按負(fù)載要求快速改變輸出功率，它是電動車、不依賴空氣推進(jìn)的潛艇動力源和各種可移動電源的最佳候選者。固體氧化物燃料電池可與煤的氣化構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)，特別適宜于建造大型、中型電站，如將余熱發(fā)電也計算在內(nèi)，其燃料的總發(fā)電效率可達(dá)70％一80％。熔融碳酸鹽燃料電