化學(xué)電源的新寵——鈉離子電池

1、化學(xué)電源的新寵鈉離子電池的研究進(jìn)展 匯匯 報(bào)報(bào) 人人 ：姜：姜 強(qiáng)強(qiáng)湖北大學(xué)湖北大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室 2013.12.13指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師 ：馮傳啟：馮傳啟 教授教授個(gè)人簡(jiǎn)介自我介紹l 姓 名： 姜 強(qiáng)l 專 業(yè)：無機(jī)化學(xué)l課題方向：鈉離子電池正極材料l興趣愛好：看書、聽音樂、打球、 爬山、旅游l 座 右 銘：當(dāng)你知道自己想要什么的時(shí) 候，全世界都會(huì)為你讓路！目錄1 引言2鈉離子電池研究進(jìn)展3 我的工作4 總結(jié) 引言引言1引言引言電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景 能源是支撐整個(gè)人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展須臾不可或缺的基本

2、條件。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)能源的依存度不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界每年能源消費(fèi)總量的70%來源于不可再生的化石燃料(煤、石油、天氣）。中國(guó)與世界能源消耗結(jié)構(gòu)1引言引言電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景 因此改變現(xiàn)有不合理的能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生清潔能源，并逐步替代化石能源，已成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問題。風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮艿染鶎儆诳稍偕鍧嵞茉?，將成為未來的主要能源來源。然而，可再生能源一般具有總量大、能量密度低、隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，導(dǎo)致其難以使用。在這種形勢(shì)下，發(fā)展高效便捷的儲(chǔ)能技術(shù)以滿足人類的能源需求成為世界范圍內(nèi)研究熱點(diǎn)。物理類儲(chǔ)能物理類儲(chǔ)

3、能1引言引言電化學(xué)儲(chǔ)能電化學(xué)儲(chǔ)能電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景目前目前主流的主流的儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)能技術(shù)效率高效率高1引言引言投資少投資少電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景使用安全使用安全應(yīng)用靈活應(yīng)用靈活電化學(xué)電化學(xué)儲(chǔ)能儲(chǔ)能1引言引言幾類電化學(xué)儲(chǔ)電技術(shù)比較幾類電化學(xué)儲(chǔ)電技術(shù)比較1799年年2013/12/13 Volta發(fā)明發(fā)明“伏打電池伏打電池”目前常用的目前常用的電化學(xué)儲(chǔ)能電化學(xué)儲(chǔ)能體系體系200 years液流電池液流電池超級(jí)電容器超級(jí)電容器二次電池二次電池 鉛酸電池鉛酸電池鎳鎳-鎘電池鎘電池鋰離子電池鋰離子電池鈉離子電池鈉離子電池1引言引言幾類電化學(xué)儲(chǔ)電技術(shù)比

4、較幾類電化學(xué)儲(chǔ)電技術(shù)比較主要電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的對(duì)比主要電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的對(duì)比鈉離子電池鈉離子電池研究進(jìn)展研究進(jìn)展2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展 鈉離子電池鈉離子電池實(shí)際上是一種濃差電池，正負(fù)極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，Na+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鈉態(tài)，正極處于貧鈉態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到極，保證正負(fù)極電荷平衡。放電時(shí)則相反，Na+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于處于富鈉態(tài)。鈉離子電池簡(jiǎn)介鈉離子電池簡(jiǎn)介 鈉離子電池工作原理示意圖2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù) 鈉離子電池主要由正極

5、、負(fù)極和電解液組成。其中，正、負(fù)極材料是電池的核心部件，其性能直接決定了電池的電化學(xué)性能，因而，開發(fā)性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的鈉離子電池正負(fù)極材料將成為今后的研究重點(diǎn)。 幾種重要的鈉離子電池正、負(fù)極材料的容量和電壓值2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)作為鈉離子電池關(guān)鍵部件之一的正極材料應(yīng)該滿足下列要求：作為鈉離子電池關(guān)鍵部件之一的正極材料應(yīng)該滿足下列要求：較高的氧化還原電位，且電位受材料嵌鈉量的影響較??；具有較高的比容量；有足夠的離子擴(kuò)散通道，確保鈉離子快速嵌入和脫出；有較高的電化學(xué)反應(yīng)活性；良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性；應(yīng)具有制備工藝簡(jiǎn)單、資

6、源豐富以及環(huán)境友好等特點(diǎn)。層狀過渡金屬層狀過渡金屬氧化物氧化物NaxMO2(M=Co、Mn、Ni, 0 x1)，過渡金屬氟過渡金屬氟化物化物 MFx聚陰離子型聚陰離子型化合物化合物(NaMPO4，NaMPO4F)2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)在尋找可行的鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)，必須考慮以下要求：在尋找可行的鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)，必須考慮以下要求： 鈉嵌入的過程中電極電位變化較小，并接近金屬鈉的電位，從而保證電池的輸出電壓高； 鈉在主體材料中的可逆嵌入量和充放電效率要盡可能高，以保證電池具有較高的能量密度； 在鈉的脫嵌過程中，主體結(jié)構(gòu)的體積

7、變化應(yīng)盡可能小，以獲得較好的循環(huán)穩(wěn)定性； 電極材料具有較高的電子電導(dǎo)率和鈉離子遷移速率，確保電池可以進(jìn)行大電流充放電； 與電解液的相容性好，同時(shí)具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性； 價(jià)格低廉，原料豐富，對(duì)環(huán)境無污染，容易制備。2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)Na0.44MnO2 垂直于ab 平面Na 離子通道磷酸鹽材料的晶體結(jié)構(gòu)Na2FePO4F 的晶體結(jié)構(gòu)中科院物理所的鈉離子電池中科院物理所的鈉離子電池理論能量密度為180Wh/kg（基于正負(fù)極活材料的質(zhì)量計(jì)算）2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展美國(guó)美國(guó) Aquion Energy公司

8、公司u 負(fù)極：低成本活性炭，具有電化學(xué)電容效應(yīng)；u 正極：Na0.44MnO2，倍率性能良好；u 電解液：Na2SO4中性水溶液；u 隔膜：無紡布；u 極板厚度為幾毫米；聚丙烯外包裝，方形疊堆結(jié)構(gòu)；u 30Wh，可用電壓為0.5-1.8V $300/kWh，鋰電成本1/3； 5000次保持率85%2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展東京理科大學(xué)試制的鈉離子電池東京理科大學(xué)試制的鈉離子電池2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)與未來鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)與未來原料資源原料資源豐富，成豐富，成本低廉，本低廉，分布廣泛分布廣泛能利用分解電勢(shì)能利

9、用分解電勢(shì)更低的電解質(zhì)溶更低的電解質(zhì)溶劑及電解質(zhì)鹽，劑及電解質(zhì)鹽，電解質(zhì)的選擇范電解質(zhì)的選擇范圍更寬圍更寬有相對(duì)穩(wěn)定的電有相對(duì)穩(wěn)定的電化學(xué)性能，使用化學(xué)性能，使用更加安全更加安全優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)與未來鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)與未來電池開發(fā)路線圖 我的工作我的工作3.我的工作我的工作工作流程圖工作流程圖想法(Idea)尋找思路(Find)Synthesis of Amino Acids文獻(xiàn)確定方法(Way)1JACS 19952JOC 1987Synthesis of Amino Acids 開題NOONSynthesis of Amino Acids實(shí)驗(yàn)

10、 (Test)1JACS 19952JOC 1987實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分材料的材料的制備制備電化學(xué)電化學(xué)性能測(cè)性能測(cè)試試結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)和形貌的形貌的表征表征鈉離子正極材料Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2的制備及條件探究實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分材料的制備材料的制備 Mn2+，Ni2+，Co2+，SO42- solution NH4HCO3 solution Co-precipitationMn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3Na2CO3 Mixing HeatingNa1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征結(jié)構(gòu)和形貌的表征球形三元材料前驅(qū)體Mn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3XRD圖實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征結(jié)構(gòu)和形貌的表征前驅(qū)體煅燒物SEM圖實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征結(jié)構(gòu)和形貌的表征Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2XRD圖實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分電化學(xué)性能測(cè)試電化學(xué)性能測(cè)試 將材料組裝成CR2025型扣式電池電池進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試。按0.65:0.25的比例稱取正極材料和乙炔黑，混合均勻后，用異丙醇作溶劑，滴加1d粘合劑，研磨后壓膜，在真空手套箱中組裝成模擬電池。在室溫下用LAND電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行恒電流循環(huán)充放電測(cè)試，電壓范圍為2-4.8V，電