鋰離子電池、超級(jí)鋁離子電池材料

1、鋰離子電池、鋁離子電池一、鋰電池和鋰離子電池1. 鋰電池是指電化學(xué)有鋰（包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物）的最基本電化學(xué)單位。DiecharaeZnCdQ*e-ejt.LU-UlicemuhJ-J2. 鋰電池大致可分為兩類(lèi)：鋰金屬電池和鋰離子電池。I鋰離子電池（1）鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。（2）鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱(chēng)。鋰離子電池以

2、碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，只有鋰離子，沒(méi)有金屬鋰存在（3）鋰離子電池的充、放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）在充、放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱(chēng)為“搖椅電池”。（4）鋰離子電池的電極反應(yīng)式：鋰離子電池放電時(shí)的電極反應(yīng)式為：負(fù)極反應(yīng)：C6Lixe-=GLii-x+xLi+（C6Li表示鋰原子嵌入石墨中形成復(fù)合材料）正極反應(yīng)：LiixMO+xLi+xe=LiMO2（LiMQ表示含鋰的過(guò)渡金屬氧化物）鋰離子電池充電時(shí)的電極反

3、應(yīng)式為：陰極（負(fù)極）反應(yīng)：C6Li1x+xLiHFxe=LiC6陽(yáng)極（正極）反應(yīng)：LiMO2xe=LiixMO+xLi+3. 鋰離子電池目前由液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）兩類(lèi)。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物如LiCoO2、LiNiO2、LiMnzQ、LiFePO4；負(fù)極采用鋰-碳層間化合物如：天然石墨、合成石墨、碳纖維。鋰離子具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等、部分代替了傳統(tǒng)電池。LiCnO3.7V140mAh/g各種鋰離子

4、電池的參數(shù)如右表：L12M11044.0V100mAh/g4.可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全LiFePOj3.3V100mAh/g性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。5.聚合物鋰離子電池Li；FeP04F3.6V115mAh/g聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，正極材料分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負(fù)極為石墨，電池工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)不同，液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì)，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來(lái)代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物凝膠電解質(zhì)。6.

5、 三元材料則是鎳鈷錳酸鋰Li（NiCoMn）O2三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。三元材料做正極的電池相對(duì)于鈷酸鋰電池安全性高，但是平臺(tái)太低，用在手機(jī)上(手機(jī)截止電壓一般在左右)會(huì)有明顯的容量不足的感覺(jué)，在一些山寨手機(jī)上已經(jīng)有在用三元材料的電池了，特別是容量比較高的電池。磷酸鐵鋰容量發(fā)揮偏低，不適合追求高容量手機(jī)電池的要求。三元的能量密度有待提高，日本提到了與鈷酸鋰差不多的程度，即日本三元的壓實(shí)接近鈷酸鋰，國(guó)內(nèi)的還有所差距。如果壓實(shí)提上來(lái)，憑成本優(yōu)勢(shì)與安全性，三元會(huì)取代鈷酸鋰。例1.下列有關(guān)說(shuō)法正確的是A. 鋰離子電池充電時(shí)電池反應(yīng)為

6、：GLi+Li-xMOLiMQ+C6LiixB. 電池反應(yīng)中，鋰、鋅、銀、鉛各失去1mol電子，金屬鋰所消耗的質(zhì)量最小C. 鋰離子電池放電時(shí)電池內(nèi)部Li+向負(fù)極移動(dòng)D. 鋰離子電池充電時(shí)陰極反應(yīng)為：C6Liix+xLi+xe_=C6Li例2:(2013新課標(biāo)I卷)鋰離子電池的應(yīng)用很廣，其正極材料可再生利用。某鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰(LiCoO2)，導(dǎo)電劑乙炔黑和鋁箔等。充電時(shí)，該鋰離子電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為6C+xLi+xe-=LixC6。現(xiàn)“”*萃旳亠水欲利用以下工藝流程回收正極材料中的某些金屬資源(部分條件未給出)”rm相斗反蒂取右機(jī)相亠再生FI用廣濾浦水柿(680*搐械)f沉怙f過(guò)隱H

7、ccQl附體回答下列問(wèn)題：(1) LiCoO2中，Co元素的化合價(jià)為。(2) 寫(xiě)出“正極堿浸”中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：(3) “酸浸”一般在80C下進(jìn)行，寫(xiě)出該步驟中發(fā)生的所有氧化還原反應(yīng)的化學(xué)方程式：;可用鹽酸代替F2SO和HO的混合液，但缺點(diǎn)(4) 寫(xiě)出“沉鈷”過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：_。充放電過(guò)程中發(fā)生LiCoO?與LixCoQ之間的轉(zhuǎn)化，寫(xiě)出放電時(shí)電池反應(yīng)方程式：(6)上述工藝中“放電處理”有利于鋰在正極的回收，其原因是LihlnyO/1JLF快離于孚休丄艮0*”；淨(jìng)悔、聚含物電解質(zhì)在整個(gè)回收工藝中，可回收的金屬化合物有(填化學(xué)式)。7. 新型鋰金屬電池例32014新課標(biāo)全國(guó)卷H2

8、013年3月我國(guó)科學(xué)家報(bào)道了如圖18-3所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯(cuò)誤的是()A. a為電池的正極B. 電池充電反應(yīng)為L(zhǎng)iMn2Q=Li-xMnQ+xLiC. 放電時(shí)，a極鋰的化合價(jià)發(fā)生變化D. 放電時(shí)，溶液中Li+從b向a遷移例4【2017新課標(biāo)3卷】全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S材料，電池反應(yīng)為：16Li+xSe=8Li2S(2x8)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A. 電池工作時(shí)，正極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S6+2Li+2e=3Li2SB. 電池工作時(shí)，外電路中流過(guò)mole，負(fù)極材料減重gC. 石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性D. 電

9、池充電時(shí)間越長(zhǎng)，電池中Li2$的量越多二、未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展方向1. 固態(tài)電池固態(tài)電池的原理與液態(tài)鋰離子電池相同，只不過(guò)其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。另外，固態(tài)電池中由于沒(méi)有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車(chē)等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。優(yōu)勢(shì)：輕一一能量密度高；薄一一體積?。蝗嵝曰那熬?；更安全2. 超級(jí)電容器超級(jí)電容器是通過(guò)電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來(lái)存儲(chǔ)能量的新型元器件。當(dāng)電極與電解液接觸時(shí)，由于庫(kù)侖力、分子間力及

10、原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定和符號(hào)相反的雙層電荷，稱(chēng)其為界面雙層。把雙電層超級(jí)電容看成是懸在電解質(zhì)中的2個(gè)非活性多孔板，電壓加載到2個(gè)板上。加在正極板上的電勢(shì)吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個(gè)雙電層電容器。雙電層電容器根據(jù)電極材料的不同，可以分為碳電極雙層超級(jí)電容器、金屬氧化物電極超級(jí)電容器和有機(jī)聚合物電極超級(jí)電容器。3. 鋁空氣電池鋁空氣電池以高純度鋁Al(含鋁%為負(fù)極、氧為正極，以氫氧化鉀(KOH或氫氧化鈉(NaOH水溶液為電解質(zhì)。在鋁空氣電池兩側(cè)有一對(duì)輔助空氣電極，作為鋁空氣電池正極，在工作時(shí)只消耗鋁和少量的水。鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時(shí)產(chǎn)生化

11、學(xué)反應(yīng)，鋁和氧作用轉(zhuǎn)化為氧化鋁。鋁空氣電池的進(jìn)展十分迅速，它在EV上的應(yīng)用已取得良好效果，是一種很有發(fā)展前途的空氣電池。特點(diǎn)：比能量大：鋁空氣電池的理論比能量可達(dá)8100Wh/kg,2014年的鋁空氣電池的實(shí)際比能量只達(dá)到350Wh/kg，但也是鉛酸電池的78倍、鎳氫電池的倍、鋰電池的倍。采用鋁空氣電池后，車(chē)輛能夠明顯地提高續(xù)駛里程，國(guó)外有關(guān)資料介紹，美國(guó)加利福尼亞州在使用鋁空氣電池的電動(dòng)汽車(chē)上，有過(guò)只更換一次鋁電極續(xù)駛里程達(dá)1600km的記錄。質(zhì)量輕：我國(guó)開(kāi)發(fā)和研制的牽引用動(dòng)力型鉛酸蓄電池的總能量為，總質(zhì)量為375kg。而同樣能量的鋁空氣電池總質(zhì)量?jī)H45kg，為鉛酸蓄電池質(zhì)量的12%由于電池

12、質(zhì)量大大減輕，車(chē)輛的整備質(zhì)量也降低，可以提高車(chē)輛的裝載能量或延長(zhǎng)續(xù)駛里程。陰離子交換膜多孔勺變無(wú)毒危險(xiǎn)：鋁對(duì)人體不會(huì)造成傷害，可以回收循環(huán)使用，不污染環(huán)境。鋁的原材料豐富，已具有大規(guī)模的鋁冶煉廠，生產(chǎn)成本較低。鋁回收再生方便，回收再生成本也較低。而且可以采用更換鋁電極的方法，來(lái)解決鋁空氣電池充電較慢的問(wèn)題。例5、金屬(M)-空氣電池(如圖)具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新能源汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備的電源。該類(lèi)電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M+nO+2nfO=4M(OH)，已知：電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，下列說(shuō)法不正確的是A. 采用多孔電極的目的是提高電極

13、與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至電極表面B. 比較MgAl,Zn三種金屬-空氣電池，Al-空氣電池的理論比能量最高C. M-空氣電池放電過(guò)程的正極反應(yīng)式：4M+nQ+2nHO+4ne=4M(OHD. 在Mg痊氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg(OH)，宜采用中性電解質(zhì)及陽(yáng)離子交換膜例6、“碳呼吸電池”是一種新型能源裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)說(shuō)法中錯(cuò)誤的是（）A. 該裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔蹷. 利用該技術(shù)可捕捉大氣中的COC. 該裝置工作時(shí)，理論上每生成1mol草酸鋁，電路中通過(guò)6mol電子D. 該裝置工作時(shí)，正極上的電極反應(yīng)式為2CO-2e-=C2O4超級(jí)鋁離子電池的優(yōu)點(diǎn)：充電時(shí)

14、間短（17s1min）;充放電循環(huán)已可達(dá)2萬(wàn)次；相對(duì)于鋰，鋁是地殼中蘊(yùn)藏量更為豐富的金屬，約占地殼8%除了價(jià)格便宜外，鋁材料也較為環(huán)保。（例9）2015年斯坦福大學(xué)研究人員研制出一種可在一分鐘內(nèi)完成充放電的超常性能鋁離子電池，內(nèi)部用AlCl-和有機(jī)陽(yáng)離子構(gòu)成電解質(zhì)溶液，其放電工作原理如圖所示.下列說(shuō)法不正確的是（）放電時(shí)，鋁為負(fù)極、石墨為正極放電時(shí)，有機(jī)陽(yáng)離子向鋁電極方向移動(dòng)放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)為：Al-3e-+7AICI4-4Al2CI7充電時(shí)的陽(yáng)極反應(yīng)為：Cn+AlCl4-e-CnAlCl充電時(shí)，每生成1mol鋁，同時(shí)消耗4molAl2Cl7-C.電池工作時(shí)，電子由正極通過(guò)外電路流向負(fù)極D.外

15、電路中每通過(guò)Imole，鋁的質(zhì)量理論上減小4. 鎂電池鎂電池是以鎂為負(fù)極，某些金屬或非金屬氧化物為正極的原電池?，F(xiàn)有品種中，有與普通鋅錳干電池相似的隨時(shí)可以放電的鎂錳干電池；還有干燥狀態(tài)下可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，臨用時(shí)加水使之活化而可隨即使用的儲(chǔ)備型電池。鎂二氧化錳干電池的結(jié)構(gòu)與紙板式鋅錳電池有相似之處，正極二氧化錳炭包的組分和配比也基本相同，負(fù)極是一鎂筒。電解液一般采用加有Li2CrO4緩蝕劑的Mg（CIO4）2或MgBi2溶液，正負(fù)極之間的隔離紙上涂有凝膠材料。優(yōu)缺點(diǎn)：4鎂與鋰相比有多種優(yōu)點(diǎn)，如鋰的熔點(diǎn)約為180攝氏度，而鎂的熔點(diǎn)高達(dá)約650攝氏度，因而更為安全;鎂的蘊(yùn)藏量也比鋰豐富得多。不過(guò)，開(kāi)發(fā)鎂電池也面臨一些技術(shù)困難，例如此前一直沒(méi)找到合適的正極材料，同時(shí)也缺乏能幫助穩(wěn)定充電和放電。例7、鎂錳干電池的電化學(xué)反應(yīng)式為：Mg+2MnOHOA.B.C.D.Mg（OH）2+MnO。下列說(shuō)法不正確的是:鎂為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)可以選擇堿性溶液作為電解質(zhì)反應(yīng)后正極和負(fù)極附近溶液的pH均升高正極的電極反應(yīng)為：2Mn（2H2O+2e_Mn2Q+2OH燃料電池5.例8、通過(guò)傳感器可以監(jiān)測(cè)空氣中甲醛的含量.一種燃料電池型甲醛氣體傳感器的原理如圖所示，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）b為電池負(fù)極，甲醛被氧化a極的電極反應(yīng)為Q+4e-+4片=2耳。傳感