第一章-先進(jìn)電池材料

授課班級(jí)：無(wú)機(jī)1201授課人：周偉Telmail：chowvy@163.com

先進(jìn)電池材料課程要求不遲到，不早退保持安靜（回答問(wèn)題除外），不影響他人課堂要求考核要求期末總成績(jī)60分及以上為合格總成績(jī)按期末考試成績(jī)占70%，平時(shí)成績(jī)占30%計(jì)算（考試成績(jī)不足50分，平時(shí)成績(jī)不計(jì)入總成績(jī)）平時(shí)成績(jī)不及格或作業(yè)缺交達(dá)三分之一及以上，平時(shí)成績(jī)記零分缺課課時(shí)累計(jì)達(dá)教學(xué)總課時(shí)三分之一及以上，總成績(jī)記零分考核方式：閉卷教材及參考書(shū)目教材目錄第一章新能源汽車(chē)與綠色環(huán)境第二章新能源汽車(chē)的心臟—?jiǎng)恿﹄姵氐谌聞?dòng)力電池的類(lèi)型第四章動(dòng)力鋰離子電池的材料第五章動(dòng)力金屬氫化物-鎳電池材料第六章超級(jí)電池和鉛碳電池材料第七章燃料電池材料教材及參考書(shū)目第1章概述第2章化學(xué)電源的基本原理第3章金屬負(fù)極材料第4章氧化錳電極材料第5章鎳電極材料第6章金屬氫化物電極第7章鉛氧化物第8章碳材料第9章隔膜材料第10章鋰電池和鋰離子電池負(fù)極材料第11章鋰離子電池正極材料第12章鋰離子電池的電解液第13章聚合物電解質(zhì)第14章高溫電池材料教材及參考書(shū)目參考書(shū)目課程主要內(nèi)容第1章概論第2章鉛酸電池和超級(jí)電池第3章金屬氫化物-鎳電池第4章鋰離子電池材料第5章燃料電池材料第6章太陽(yáng)能電池材料第1章概論1.1前言沒(méi)有電池，社會(huì)將無(wú)法發(fā)展！電池對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要作用1.1前言歷史自1859年普朗特（R.G.Plante）試制成功鉛酸電池、1868年法國(guó)勒克朗謝（G.Leclance）制成鋅錳干電池以來(lái)，化學(xué)電源經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷史，逐步形成了獨(dú)立完整的科技與工業(yè)體系。當(dāng)今，化學(xué)電源已經(jīng)成為人民生活中極為廣泛的方便能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。1.1前言現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使電源技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的快速發(fā)展時(shí)期。傳統(tǒng)的化學(xué)電源，如鋅錳電池和鉛酸蓄電池等不斷的更新?lián)Q代，性能得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，使這些傳統(tǒng)電池產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出了長(zhǎng)盛不衰的發(fā)展勢(shì)頭；新型化學(xué)電源，如：金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池、燃料電池等綠色、高能電池相繼問(wèn)世，并以前所未有的速度迅速發(fā)展起來(lái)。一個(gè)新型化學(xué)電源的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。1.1前言未來(lái)21世紀(jì)，信息技術(shù)的不斷發(fā)展，將推動(dòng)電池技術(shù)鑄造新的輝煌；為了保護(hù)人類(lèi)的生存環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)可再生能源技術(shù)是21世紀(jì)人類(lèi)無(wú)法回避的重大課題，儲(chǔ)能技術(shù)將在可再生能源技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮舉足輕重的作用。電池：亦稱(chēng)為化學(xué)電源，是一種將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。

什么是電池？空氣電池鋰電池1.1前言

生物電1.2電池的歷史意大利生物學(xué)家伽伐尼肖像，請(qǐng)注意肖像下部的那半只青蛙。1791年，意大利生物學(xué)家伽伐尼(Galvani)發(fā)現(xiàn)解剖青蛙時(shí)出現(xiàn)青蛙腿肌肉的收縮現(xiàn)象，即“生物電”。伏特電堆1.2電池的歷史1799年，意大利科學(xué)家伏特(Volta)在伽伐尼(Galvani)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用鋅片和銀片交替疊放，中間隔以吸有鹽水的皮革，發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過(guò)，制成世界上第一個(gè)真正的電池，又稱(chēng)為伏特電堆。伏特電堆伏特丹尼爾（Daniel）電池1.2電池的歷史結(jié)構(gòu)圖1836年，英國(guó)人丹尼爾(Daniel)對(duì)伏特電堆改進(jìn)，設(shè)計(jì)出具有實(shí)用性的丹尼爾電池。1.2電池的歷史實(shí)物圖鉛酸蓄電池1.2電池的歷史1859年，法國(guó)人普朗特(Plante)發(fā)明鉛酸蓄電池。鋅-二氧化錳電池1.2電池的歷史1866年，法國(guó)人勒克朗謝(Leclanche)發(fā)明了鋅—二氧化錳電池。濕電池鋅—錳干電池1.2電池的歷史1881年，德國(guó)人蓋思樂(lè)(CarlGassner)發(fā)明了鋅—錳干電池。堿性干電池1.2電池的歷史1949年，加拿大科學(xué)家LewUrry發(fā)明了堿性干電池。鎘鎳蓄電池1.2電池的歷史1899年，瑞典化學(xué)家雍格納(Jungner)發(fā)明鎘鎳蓄電池。鐵鎳蓄電池1.2電池的歷史1901年，美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生(Edison)發(fā)明鐵鎳蓄電池。放電/充電負(fù)極:Fe+H2O-e-?Fe(OH)3正極

:NiOOH+H2O+e-?Ni(OH)2金屬氫化物鎳蓄電池1.2電池的歷史1969年，飛利浦實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)氫性能很好的新型合金，并于1985年研制成功金屬氫化物鎳蓄電池，1990年日本和歐洲實(shí)現(xiàn)了這種電池的產(chǎn)業(yè)化。鋰離子電池1.2電池的歷史1991年，索尼公司率先研制成功鋰離子電池。燃料電池1.2電池的歷史1839年，英國(guó)的格羅夫(Grove)通過(guò)將水的電解程逆轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)了燃料電池的工作原理。1.2電池的歷史20世紀(jì)60年代，美國(guó)NASA成功研制出第一個(gè)實(shí)用性的1.5kW堿性燃料電池，用于航天飛行器；

20世紀(jì)90年代，新型質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)取得了一系列突破性發(fā)展。太陽(yáng)能電池1.2電池的歷史1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的CalvinFuller,GeraldPearson和DarylChaplin發(fā)明了硅基半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，效率為6%，這是人類(lèi)歷史上首次利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，從此開(kāi)創(chuàng)了太陽(yáng)能電池的新篇章。1.2電池的歷史1.3電池的分類(lèi)按電解液的類(lèi)型酸性電池：電解液為酸性水溶液的電池堿性電池：電解液為堿性水溶液的電池中性電池：電解液為中性水溶液的電池有機(jī)電解質(zhì)溶液電池：電解液為有機(jī)電解質(zhì)溶液的電池固體電解質(zhì)電池：采用固體電解質(zhì)的電池熔融鹽電解質(zhì)電池：采用熔融鹽電解質(zhì)的電池電池1.3電池的分類(lèi)按工作性質(zhì)一次電池（原電池）（放電后不能用充電方法使它恢復(fù)到放電前狀態(tài)的一類(lèi)電池）鋅錳電池鋅銀電池鋰二氧化錳電池二次電池（蓄電池）（放電后能用充電方法使活性物質(zhì)恢復(fù)到放電前狀態(tài)，從而能再次放電的一類(lèi)電池）鎘鎳電池鉛酸電池金屬氫化物鎳電池鋰離子電池燃料電池（連續(xù)電池）（放電后不能用充電方法使它恢復(fù)到放電前狀態(tài)的一類(lèi)電池）質(zhì)子交換膜燃料電池堿性燃料電池電池1.4電池的工作原理兩個(gè)必要條件：（1）化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過(guò)程（即氧化過(guò)程）和得到電子的過(guò)程（即還原過(guò)程）必須分隔在兩個(gè)區(qū)域（負(fù)極和正極）中進(jìn)行；（2）物質(zhì)在進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過(guò)程中電子必須通過(guò)外電路。充放電反應(yīng)的不同：放電時(shí)，電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，此時(shí)是陽(yáng)極，正極發(fā)生還原反應(yīng)，此時(shí)是陰極；而充電時(shí)進(jìn)行的反應(yīng)正好與此相反，負(fù)極進(jìn)行還原反應(yīng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)。1.4電池的工作原理電池在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，兩個(gè)電極上進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)必須分別在兩個(gè)分開(kāi)的區(qū)域進(jìn)行，這一點(diǎn)區(qū)別于一般的氧化還原反應(yīng)；兩電極的活性物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)所需的電子必需由外線路傳遞，這一點(diǎn)區(qū)別于金屬電化學(xué)腐蝕過(guò)程的微電池反應(yīng)；電池內(nèi)部?jī)呻姌O間不是通過(guò)自由電子而是通過(guò)電解質(zhì)中離子的遷移導(dǎo)電的。電池具有以下三個(gè)顯著特征：1.5電池的組成四個(gè)組成部分：電極、電解質(zhì)、隔離物和外殼

電極：包括活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架活性物質(zhì)導(dǎo)電骨架正極活性物質(zhì)：金屬氧化物(PbO2,MnO2,NiO)負(fù)極活性物質(zhì)：較活潑金屬(Zn,Pb,Li,Fe等)導(dǎo)電劑粘結(jié)劑緩蝕劑（具有導(dǎo)電和支撐活性物質(zhì)作用）1.5電池的組成

作用：保證正負(fù)極間的離子導(dǎo)電作用要求：高導(dǎo)電率、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)、易于長(zhǎng)期貯存。分類(lèi)：可分為水溶液電解質(zhì)、非水液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)。電解質(zhì)1.5電池的組成（1）水溶液電解質(zhì)水的介電常數(shù)大，溶解和離解電解質(zhì)的能力強(qiáng)，黏度小，對(duì)離子移動(dòng)的阻力小；離子電導(dǎo)率高，一般為0.1~10

-1

cm-1。熔點(diǎn)0

C，沸點(diǎn)100

C，所以不能在極地和宇宙空間等低溫條件下使用，高溫儲(chǔ)存性能亦差。水的分解電壓為1.23V左右。水溶液電解質(zhì)電池主要有：鋅錳、鋅鎳、鋅銀、鋅汞、鋅空氣、鐵鎳、氫鎳、鎘鎳、鉛酸電池等。1.5電池的組成（2）非水有機(jī)液體電解質(zhì)在比水更寬的溫度范圍和電位范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。但溶解電解質(zhì)的能力小，電導(dǎo)率一般比水溶液低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，通常為10-1~10-2

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cm-1。。常用的非水有機(jī)溶劑有：碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、四氫呋喃（THF）等；電解質(zhì)有：LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF6等。非水有機(jī)液體電解質(zhì)電池主要有：鋰電池（Li/MnO2、Li/SO2

、Li/(CFx)n等，鎂電池，鋰離子電池。1.5電池的組成（3）非水無(wú)機(jī)液體電解質(zhì)主要應(yīng)用于鋰電池，非水無(wú)機(jī)溶劑有：POCl3(磷酰氯）POFCl2（磷酰氟二氯）、SOCl2（亞硫酰氯）、SO2Cl2（硫酰氯），兼作正極活性物質(zhì)。電解質(zhì)是LiAlCl4、AlCl3(用于激活式Li/SOCl2電池）。（4）固體電解質(zhì)包括無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)和聚合物固體電解質(zhì)；固體電解質(zhì)主要問(wèn)題是離子電導(dǎo)率較低，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)電導(dǎo)率為10-1~10-3

-1

cm-1，通常要在高溫下工作；聚合物固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率目前只能達(dá)到10-4~10-5

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cm-1

。聚合物固體電解質(zhì)電池主要是：聚合物鋰離子電池。1.5電池的組成隔離物或隔膜作用：置于電池兩極之間，主要作用是防止電池正負(fù)極接觸而短路。要求：較高離子傳輸能力，較低電子導(dǎo)電能力，好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，材料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉?？煞譃槲⒖啄ず桶胪改煞N，隔膜材料包括有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材