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第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二個(gè)人簡(jiǎn)介自我介紹 姓 名： 姜 強(qiáng) 專(zhuān) 業(yè)：無(wú)機(jī)化學(xué)課題方向：鈉離子電池正極材料興趣愛(ài)好：看書(shū)、聽(tīng)音樂(lè)、打球、 爬山、旅游 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！第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二目錄1 引言2鈉離子電池研究進(jìn)展3 我的工作本文目錄結(jié)構(gòu)4 總結(jié)第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二 引言第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二1引言電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景 能源是支撐整個(gè)人類(lèi)文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，也

2、是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展須臾不可或缺的基本條件。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類(lèi)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(lái)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)第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二環(huán)境污染資源枯竭戰(zhàn)爭(zhēng)溫室效應(yīng)疾病1引言電化學(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(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問(wèn)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?lái)的主要能源來(lái)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。

3、在這種形勢(shì)下，發(fā)展高效便捷的儲(chǔ)能技術(shù)以滿(mǎn)足人類(lèi)的能源需求成為世界范圍內(nèi)研究熱點(diǎn)。第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二物理類(lèi)儲(chǔ)能1引言電化學(xué)儲(chǔ)能電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景目前主流的儲(chǔ)能技術(shù)第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二效率高1引言投資少電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展背景使用安全應(yīng)用靈活電化學(xué)儲(chǔ)能第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二1引言幾類(lèi)電化學(xué)儲(chǔ)電技術(shù)比較1799年2013/12/13 Volta發(fā)明“伏打電池”目前常用的電化學(xué)儲(chǔ)能體系200 years液流電池超級(jí)電容器二次電池 鉛酸電池鎳-鎘電池鋰離子電池鈉離子電池第9

4、頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二1引言幾類(lèi)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)比第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二鈉離子電池研究進(jìn)展第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二2.鈉離子電池研究進(jìn)展 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(guò)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(guò)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 鈉離子電池工作原理示意圖第1

5、2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù) 鈉離子電池主要由正極、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(kāi)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第13頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二2.鈉離子電池研究進(jìn)展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(mǎn)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小；具有較高的比容量；有足夠的離子擴(kuò)散通道，確保鈉離

6、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、資源豐富以及環(huán)境友好等特點(diǎn)。層狀過(guò)渡金屬氧化物NaxMO2(M=Co、Mn、Ni, 0 x1)，過(guò)渡金屬氟化物 MFx聚陰離子型化合物(NaMPO4，NaMPO4F)第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二2.鈉離子電池研究進(jìn)展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： 鈉嵌入的過(guò)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(guò)程

7、中，主體結(jié)構(gòu)的體積變化應(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(wú)污染，容易制備。第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二2.鈉離子電池研究進(jìn)展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)第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二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）

8、2.鈉離子電池研究進(jìn)展第17頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二美國(guó) Aquion Energy公司負(fù)極：低成本活性炭，具有電化學(xué)電容效應(yīng)；正極：Na0.44MnO2，倍率性能良好；電解液：Na2SO4中性水溶液；隔膜：無(wú)紡布；極板厚度為幾毫米；聚丙烯外包裝，方形疊堆結(jié)構(gòu)；30Wh，可用電壓為$300/kWh，鋰電成本1/3；5000次保持率85%2.鈉離子電池研究進(jìn)展第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二東京理科大學(xué)試制的鈉離子電池2.鈉離子電池研究進(jìn)展第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子

9、電池的優(yōu)勢(shì)與未來(lái)原料資源豐富，成本低廉，分布廣泛能利用分解電勢(shì)更低的電解質(zhì)溶劑及電解質(zhì)鹽，電解質(zhì)的選擇范圍更寬有相對(duì)穩(wěn)定的電化學(xué)性能，使用更加安全優(yōu)勢(shì)第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)與未來(lái)電池開(kāi)發(fā)路線圖 第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二我的工作第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二3.我的工作工作流程圖想法(Idea)尋找思路(Find)Synthesis of Amino Acids文獻(xiàn)確定方法(Way)1JACS 19952JOC 1987Synthesis of

10、 Amino Acids 開(kāi)題Synthesis of Amino Acids實(shí)驗(yàn) (Test)1JACS 19952JOC 1987第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)部分材料的制備電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)構(gòu)和形貌的表征鈉離子正極材料Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2的制備及條件探究第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二實(shí)驗(yàn)部分材料的制備 Mn2+，Ni2+，Co2+，SO42- solution NH4HCO3 solution Co-precipitationMn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3Na2C

11、O3 Mixing HeatingNa1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二實(shí)驗(yàn)部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征球形三元材料前驅(qū)體Mn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3XRD圖第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二實(shí)驗(yàn)部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征前驅(qū)體煅燒物SEM圖第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二實(shí)驗(yàn)部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2XRD圖第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二實(shí)驗(yàn)部分電化學(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(chēng)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，電流密度1C=300mAg-1。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二總結(jié)第30頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)51分，星期二總結(jié)鈉離子電池是一種很有發(fā)展前景的，并有可能替代鋰