新能源材料之電池材料

1、 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學院名稱： 材料科學與工程學院 專業(yè)班級： 復合材料xxx班 學生姓名： xxxxx 指導教師： xxxxx 2014年11月新能源材料之電池材料復合材料與工程xxxxxxx摘要：隨著經(jīng)濟全球化發(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)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，新能源材料是引導和支撐新能源發(fā)展的重要基礎，在新能源系統(tǒng)中得到了大量應用。概要介紹了目前在新能源發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用的鎳氫電池材料及氫能

2、燃料電池關鍵材料等新能源材料的現(xiàn)狀及存在問題。關鍵詞：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 important way

3、 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 development of new

4、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.鎳氫動力電池材料22.1 鎳氫電池發(fā)展狀況22.2 鎳氫電池正負極材料22.3 鎳氫電池的應用43.鋰離子電池材料53.1 鋰離子電池發(fā)展狀況53.2 鋰離子電池正負極材料64.總結(jié)

5、與展望85.參考資料81.引言所謂的新能源材料泛指能夠儲存、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，新能源材料的研究進展究竟如何，成為人們探究的重要話題。在這種形勢下，探究新能源材料的研究進展具有實際意義。新能源作為一種“綠色”新技術，在減少環(huán)境污染，緩解環(huán)境壓力的同時，也可以緩解能源危機。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)濟的發(fā)展方向。把新能源的推廣應用工作作為一項能源政策，已納入中央各部委的重要議事日程和中國經(jīng)濟建設的總體規(guī)劃之中2。據(jù)中國國家能源局新能源和可再生能源

6、司司長王駿介紹，中國將力爭在 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)主導能源地位。在國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 10 余個。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)展勢必需要大量的新能源材料方面的專門人才，目前新能源材料專門人才的需求已呈現(xiàn)出供不應求的局面3。因此，有必要設置“新能源材料與器件”專業(yè)，以培養(yǎng)更多優(yōu)秀的新能源材料專門人才，滿足我國新能源產(chǎn)業(yè)

7、發(fā)展的需要。新材料產(chǎn)業(yè)無疑是最具增長活力的領域之一。當今世界上各種新材料市場規(guī)模每年已超過 4000 多億元；2010 年，中國新材料產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模有望突破 1300 億元，如果再獲得政策方面的大力扶持，將會實現(xiàn)跨越式發(fā)展4。新能源材料企業(yè)的不斷涌現(xiàn)，對相關行業(yè)的人才需求也逐年增多，設置新能源材料與器件專業(yè)將滿足新材料產(chǎn)業(yè)對人才的需求5。為滿足國民經(jīng)濟建設對新能源材料專門人才的需求，國家于2010 年在全國各個區(qū)域的高校累計批復此專業(yè)共計 15 個，充分體現(xiàn)國家對此專業(yè)及人才培養(yǎng)的重視。2.鎳氫動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環(huán)保電池之一，電量儲備

8、比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。鎳氫電池的缺點是價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)展狀況在我國較強高科技產(chǎn)品中鎳氫電池占據(jù)著一席之位，具有強勁的競爭優(yōu)勢。經(jīng)過多年發(fā)展，我國的鎳氫電池在出口上已經(jīng)超過了日本，成為了第一生產(chǎn)大國，在世界上確立了鎳氫電池的生產(chǎn)戰(zhàn)略地位。隨著鎳氫動力電池逐漸趨于成熟，該電池成功在各種混合動力汽車中被驗證使用，并很快被各種汽車中普及使用。如今日本的Panasonic EVEn-ergy公司中所使用到的技術相比較為領先，生產(chǎn)電池大都屬于6.5Ah，而且有圓柱型與方型兩種形狀，電池比之能量是45Wh/kg，比

9、功率高達1300W/kg。而使用這種動力電池Prius 混合動力汽車銷售更是如日中天，超過了120 萬輛，并成功經(jīng)受多年的使用考核7。而且隨著轎車中大量混合動力使用，過去電池產(chǎn)量已經(jīng)不能夠滿足社會市場需求，因此PanasonicEVEnergy公司組建了更大的生產(chǎn)鎳氫動力電池生產(chǎn)線，如今已在逐漸投入生產(chǎn)。2.2 鎳氫電池正負極材料 鎳氫電池由氫氧化鎳正極、儲氫合金負極、電解液等組成。儲氫合金負極材料主要包括AB5型稀土鎳系儲氫合金、AB2型儲氫合金、Laves相合金。鎳氫動力電池的內(nèi)部反應及電池反應如圖1所示，從圖中可以看出是無污染的8。圖1鎳氫動力電池的內(nèi)部反應及電池反應正極材料球形Ni(O

10、H)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Ni(OH)2轉(zhuǎn)變成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+ 放電時NiOOH逆變成Ni(OH)2， Ni3+還原成Ni2+ 。負極材料儲氫合金 用于NiMH電池負極材料的儲氫合金應滿足下述條件： (a) 電化學儲氫容量高； (b) 在氫的陽極氧化電位范圍內(nèi)，儲氫合金具有較強的抗陽極氧化能力； (c) 在熱堿電解質(zhì)溶液中合金組分的化學性質(zhì)相對穩(wěn)定； (d) 反復充放電過程中合金不易粉化，制成的電極能保持形狀的穩(wěn)定； (e) 合金應有良好的電和熱的傳導性； (f) 原材料成本低廉。我國在鎳氫動力電池上也有相當?shù)难芯窟M展，

11、清華大學所開發(fā)出來燃料電池混合的動力客車采用鎳氫動力電池為輔助動力，所開發(fā)出來的電池主要有80、40、28、8 及6.5Ah，尤其是80Ah 的功率已經(jīng)高達了1000W/kg。2.3 鎳氫電池的應用目前，在研發(fā)負極的儲氫合金方面取得大量成績，如：使用多元合金中調(diào)節(jié)材料，其中的熱力學性質(zhì)，對材料的電催化活性有效改善，在寬溫度范圍中對材料的綜合電化學的性能等；在新材料開發(fā)商，對AB3-5 合金上的研究也具備較大進展，其中容量已經(jīng)達到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)擴散之阻抗都比較低，但是其循環(huán)的穩(wěn)定性方面依然存在缺陷9

12、-11。如圖2所示為800mAh AAA鎳氫電池。圖2 800mAh AAA鎳氫電池在我國研發(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)動機方面，質(zhì)子交換膜、催化劑及碳紙等各種材料還是要進口。經(jīng)過各個國家共同努力下，燃料電池的催化劑研發(fā)上得到進一步發(fā)展，尤其是在Pt/C及PtRu/C催化劑研發(fā)上進展比較大，并有了穩(wěn)定的批量供應能力，同時低鉑催化劑、抗中毒催化劑及非鉑催化劑等再生與回收技術上都取得較大進步。目前鎳氫電池已進入成熟期，主要應用于混合動力汽車上。例如我國長春一汽、東風電動車輛股份有限公司和長安汽車等單位在其開發(fā)的混合動力轎車如圖3所示、混合動力客車中，大多使

13、用了鎳氫動力電池12。圖 3 混合動力轎車3.鋰離子電池材料目前鋰離子電池的負極材料以碳質(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LiCo02，同時LiMn204，LiFePO4和鋰鎳鈷錳氧化物等新型正極材料也在開發(fā)和應用過程中。3.1 鋰離子電池發(fā)展狀況我們平時所使用的手機電池、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，作為當代大學生，應當抓住這個機遇，積極投身新能源事業(yè)，通過提高新能源的技術工藝，克服生產(chǎn)難關，來達到綠色、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)于常用的鎳鎘電池(Ni/C

14、d)與Ni/MH電池，又無記憶效應及環(huán)保問題(鋰離子電池的金屬含量最低)，因此成為目前商業(yè)開發(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，因此符合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求，所以備受各國科學家及電池業(yè)的重視，發(fā)展極快14。鋰離子電池被人們稱為“綠色環(huán)保能源”和“跨世紀的能源革命”。鋰離子電池是照相機、電子手表、計算器、各種具有儲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3.2 鋰離子電池正負極材料20 世紀 70 年代末期，Murphy 等人及 L

15、azzari 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、鋰離子在負極材料中擴散慢等問題， 研究與開發(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。 這種正負極材料組合的鋰離子電池循環(huán)壽命大大延長， 同時安全性也顯著提高， 成為鋰電池發(fā)展史上的一個里程碑。 鋰離子電池性能的提

16、高歸根到底與電池材料的選擇有關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。 常見的鋰離子電池正負極材料如圖 5所示。圖 5常見的鋰離子電池正負極材料石墨類負極具有優(yōu)良的綜合特性，一直被廣泛應用。由于非碳負極材料存在嚴重的固有缺陷，如合金類負極循環(huán)特性差、平臺不理想等，因此可以預見，在今后相當長一段時期內(nèi)，石墨類負極仍將占據(jù)商品化負極材料的絕對優(yōu)勢地位17。隨著移動電子設備、電動汽車及大型儲能的發(fā)展，未來新型炭負極的發(fā)展將主要集中在3個方面:(1)鋰離子動力電池用高功率石墨負極，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)非石墨類高容量炭負極，主要包括新型的高

17、容量硬碳負極材料。其中，新型硬炭負極不僅具有相對較低的放電平臺和高的比容量，也具有可大電流放電的特性，在動力電池領域?qū)⒕哂幸欢ǖ膽们熬埃?3)炭基復合負極材料，與其他高容量負極如Si，Sn等復合，以提高負極材料的比容量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)展帶來了新的機遇。大部分炭材料均能與鋰離子發(fā)生嵌入-脫嵌反應，其電化學行為取決于炭材料的結(jié)構(gòu)19。Dahn等人對炭材料的儲鋰行為進行了詳細研究，并按照炭材料的結(jié)構(gòu)及石墨化難易程度，

18、將炭負極材料分為3類:(1)石墨類炭負極;(2)低溫軟炭負極;(3)硬炭負極。4.總結(jié)與展望開發(fā)新能源是降低碳排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在新能源的發(fā)展過程中，新能源材料起到了不可替代的重要作用，引導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。儲能材料是發(fā)展節(jié)能的清潔交通和新型儲能器件的重要支撐20。國外許多大學都設置了新能源材料專業(yè)，如美國的康奈爾大學、麻省理工學院、波特蘭大學，日本的東京大學，澳大利亞斯威本科技大學等。他們的新能源材料相關專業(yè)開設較早，一直處于世界領先地位，不但具有世界領先的學術研究能力，而且還擁有將理論轉(zhuǎn)化為成果的經(jīng)驗和應用技術。國內(nèi)的一

19、些大學也設立了以新能源或新能源材料為專業(yè)方向的專業(yè)，但側(cè)重點不同。北京大學設置了能源與資源工程目錄外專業(yè)，可再生能源、節(jié)能技術、油氣工程技術、水資源、資源勘探專業(yè)方向；清華大學、上海交通大學、華東理工大學、華南理工大學等高校主要側(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)揮越來越重要的作用。在新型炭負極方面，未來的發(fā)展將主要集中在高功率石墨類負極及非石墨類高容量炭負極，以滿足未來動力和高能電池的需求。炭導電劑對電池性能具有重要影響，新型導電劑的研究將主要集中在具有高離子電導

20、特性炭黑的開發(fā)以及與碳納米管、石墨烯等新型炭材料復合得到的復合導電劑等方面。如何針對新能源發(fā)展的重大需求，解決相關新能源材料的材料科學基礎研究和重要工程技術問題，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.鋯材在核電站的應用及前景J.綜合評述,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 W， et al.

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