如何构造比能量大于500Whkg的电池概况

1、如何构造比能量大于500Wh/kg的电池专业：姓名：学号：电池的出现也有100多年了。100多年来电池经过了不断的发展。 由最初的铅酸电池，发展到了现阶段的锂离子电池，镍氢电池。虽然 电池的比能量不断的增加， 但是日益增长的需求迫切需要更高容量的 电池。铅酸电池比能量大约是30wh/kg。后来的镍氢电池大概70WH/kg左右。而锂离子电池的比能量暂时最大达到200多WH/kg具体数值查数据得：和所有化学电池一样， 锂离子电池也由三个部分组成： 正极、 负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入脱嵌的。实际上理论值有570WH/kg这意味着锂离子电池的容量还有提 升空间。但实际上由于正极材料比容量

2、进一步提高受到限制， 其比能 量很难再有较大提高，假若以提高充电电压以增高比能量的所为途径 将加剧安全问题。因此寻找如何安全构建高能电池有十分重大的意 义。就构建超过500WH/kg而言，首先要解决的问题是比能量理论值起码得大于500WH/kg因此计算比能量是否达标显然是制作的前提。比能量比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位分别 是Wh/kg或Wh/b它是衡量和评价化学电源的先进程度的最重要的 指标。因此，追求更高的比能量一直是推动化学电源发展的原动力。 比能量有理论比能量和实际比能量之分。 前者指1kg反应物质完全放 电时所能输出的能量； 实际比能量为1kg电池所能输出的实际

3、能量。 由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。对于任何一个具体的电池体系，我们都可依据下面两个公式计算 出电池的理论比能量（即按电池电动势及只考虑参加电化学反应的电 活性物质的质量时计算得到的比能量）：G=26.8 nm/M二m/K式中：C0为理论容量；m为活性物质完全反应的质量；M为活性 物质摩尔质量；n为成流反应得失电子数；K为活性物质电化当量。电池的理论能量：W=GE;式中：W理论能量；E电池电动势。从式中可知，要构建高比能电池体系，首先要选电化当量越小的 物质，也就是说电极活性物质的摩尔质量尽可能小， 而电池反应中涉 及的电子书极可能多；其次，电池的电动势E要高，即分别

4、选择电极 电势较负和电极电势较正的材料为电源正极和负极的活性物质。经过网上查阅资料可知（资料共享了很多人都有）元电电电电素极电势化学当 =1儿糸极电势化学当量H/H+0.00.00376Li/-3.0.2Li+0359Be/-1.0.6Be2+84718Na/-2.0.8N才71458Mg/-2.0.4Mg+36354K/K+-2.1.492459Ca/-2.0.72+Ca86648B/H3-0.0.1BO86735Al/-1.0.3AI3+66335Ga/-0.0.83+Ga52967Tl/-0.1.3量P/H3-0.0.2PQ38331Se/H-0.1.42Se36973Ge/G1.32+

5、e55C/H2+0.0.1CQ22812N2/H+0.0.1N27574As/A+0.0.9sQ+25432Q/H2+ 1.0.2Q22999S/H2+0.0.5S17198F2/F-+2.0.788609CI2/+ 1.1.3Cl-35923Br2/+ 1.2.9T|3+4501Br-06682Si/-0.0.2HSQ378062显然氢和锂是最适合制作电极的材料。 理论上由此制作的电池电 极的比容应该相对较大。但是实际上由于电极材料上的锂和氢的含量 受限制。因此实际上得比容达不到那么高的水平。 因此首要解决的问 题就是使得负极材料上的质量比例提高。现今一般使用嵌入的方式进 行锂离子嵌入。氢则

6、是以合金形式进行储存。影响电池比能量的因素：对于一个实际电池体系来说，除参与电池反应的电极活性物质 外，还应包含许多其他结构材料，如导电剂、黏结剂、集流体、隔膜、 外壳等，因此，电池的实际比能量往往大大低于其理论值。事实上， 电池的实际比能量除受这一因素影响外， 在很大程度上还受制于电池 反应实际能达到的反应程度以及实际的可输出电压。 上述影响因素分 别称为电压效率和质量效率、反应效率。电压效率所谓电压效率是指电池的实际输出电压与电动势的比值。由于电动势只是从热力学角度考虑而获得的一个理论电压值， 而电池的实际 输出电压涉及反应体系的动力学性质，因此，后者低于前者，其比值 小于1。电压降低的多

7、少由电极反应的电化学极化、浓差极化及体系 的欧姆极化所决定。其中，欧姆极化包含电池各部件之间的接触电阻、 固相电阻以及电解质溶液的液相电阻等引起的极化。 因此，要获得高 的电压效率，必须选择具有高电化学活性的物质作为电极活性材料， 并发展与之适配的具有高电导率特征的电解质体系， 同时，尽量减小体系的固相电阻及接触电阻。所谓反应效率是指实际电池反应能进行 的最大限度，也就是活性物质的利用率。 导致电极活性物质利用率降 低的原因主要有各种副反应的发生（如水溶液电池中的置换析氢反 应）、电极表面钝化以及电极结构粉化等。因此，要提高电极材料的 反应效率，必须避免和抑制上述现象的发生。 例如，增大电极表

8、面积、 提高电极孔隙率或加入合适添加剂等以消除或延缓负极钝化。质量效率 所谓质量效率是指电池按理论计算所需的活性物质的质量与电 池实际质量的比值。 实际电池的质量效率大多不到40，其主要原因 是由于电池中包含了许多如前所述的辅助及结构材料。 而且当电解质 溶液不直接参与电极成流反应而仅作为离子导体时， 计算理论比能量 时并没有考虑电解质溶液的质量，而在实际电池中， 电解质溶液是必 需的电池基本三要素之一， 也一定程度上降低了电池实际比能量。 此 外，在设计实际电池时出于各种考虑， 往往需要使某一活性电极材料 过量，这也在一定程度上降低了电池的质量效率。例如，为了避免充 电过程中负极析锂和提高电

9、池的安全性， 锂离子电池炭负极材料一般 过量5%10%。而在Cd/ Ni电池中，为了防止负极过充时析氢和利 于消除正极过充产生的氧气， 负极活性物质往往过量25以上。 提高 质量效率的最有效方法是采用轻质结构材料并减小其用量。 例如，采 用铝壳代替钢壳后， 锂离子电池的质量效率提高了约20。而采用铝复合膜为外壳的软包装锂离子电池，其质量效率已高达45%50%, 是目前质量效率最高的电池体系。考虑上述影响因素后的电池的比能量为实际比能量。实际质量 比能量w与理论质量比能量W的关系为：WW班琅啦。一般 来说,电池的实际比能量大多仅为理论比能量的20%35%。表2.3列出了一些常见电池体系的理论比能

10、量与实际比能量。反应效率反应效率是指活性物质利用率。 由于副反应存在, 使活性物质利 用率下降。例如水溶液电池中置换析H2反应、负极钝化、正极的逆歧 化反应等,都降低活性物质利用率。(1)水溶液中的置换反应电极电位比氢更负的金属, 就可能发生置换析H2而被腐蚀。例如，在碱性溶液中，Pb, cd不会被腐蚀，锌 电极电位虽比氢的电极电位更负, 但由于锌电极上氢的过电位大, 所 以锌的自放电小，而Fe, Al,Li,Na等电极由于电极电位比氢电极更 负，电极上氢的过电位也小，所以，易被腐蚀。如果在溶液中或负极 金属中存在电极电位较正，能被负极金属置换出来的金属如Ag，cu，sb,Pt等，则会加速负极

11、腐蚀。由于腐蚀反应，使负极的电位向正向 移动，从而使电压效率降低。(2)负极钝化由于电极表面吸附或生成氧化膜, 把活性物质与 电解质溶液隔开,阻碍电极反应继续进行,引起钝化。增大电极表面 积,加入添加剂、 膨胀剂,提高电极多孔率等可以消除或延缓负极钝正极的逆歧化反应，例如铅酸电池正极上PbO莉板栅Pb的反应消耗活性物质PbO2。Pb02+Pb+2H2S0金2PbS04+2H20AgO电极的副反应，AgO+AAg20虽然活性物质没有损失，但降低了电压，损失了比能量。总结由于上述三种因素严重影响电池的实际比能量， 因此在选择高比 能电极活性材料时， 不仅要看其电极电势及电化学当量， 更为重要的 是

12、要围绕电压相率、反应效率以及质量效率来分析其应用性能。锂硫电池是日本新能源汽车动力电池技术研究方向之一。 这里重 点探讨锂离子的高比容制作。首先是其正极材料的问题。锂存在正极材料之中， 显然正极材料正是其能否制作高比容的关 键所在。作为正极材料的嵌锂化合物是锂离子的贮存库， 为了获得较高的 单体电压，应选择具有高嵌入电位的嵌锂化合物。一般而言，正极材 料应满足(1)在所要求的充放电范围内，与电解质溶液有电化学相容性；(2)温和电极过程动力学；(3)高度可逆性(4)全锂化状态下在空气中稳定性好。就这四点为基本，目前研究的热点主要集中在层状LiM02和尖晶石型LiM2O4吉构的化合物上。能作正极活

13、性物质的主要有LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4等。最早用于商品化的锂离子电池中的正极为LiCoO2,它属于a-Fe0理结构。 其合成方法是将Li2CO3和CoCO按摩尔比Li/Co=1：1的比例混合，在 空气中700C灼烧而成8。其可逆性、放电容量、充放电效率、电 压的稳定性等性能均很好。因此，目前正极材料主要采用LiCoO2,或在其中再添加Al、In等元素的复合钴酸锂。但是，由于钴材料成本较 高，资源缺乏，因此，必须开发少用钴、不用钴或廉价易得的材料， 如用镍或锰来取代钴，这样电池单价可大大降低。LiNiO2是继LiCoO2后研究较多的层状化合物， 一般是用锂盐和镍盐混 合在700

14、850C经固态反应制备。镍与钻的性质相近，价格比钻低廉。LiNiO2目前的最大容量为150 mAh/g,工作电压范围为2.54.1 V, 不存在过充电和过放电的限制，Ohzuku9认为它是锂离子电池中 最有前途的正极材料之一。但由于LiNiO2的制备中存在许多问题，所 以LiNiO2的实际应用还受到限制。例如，制备三方晶系的LiNiO2时容 易产生立方晶系的LiNiO2，特别是当热处理温度大于900C时，LiNiO2将全部以立方晶系形式存在,而在非水电解质溶液中,立方晶系的LiNiO2无电化学活性。尖晶石型的LiM2O4(M二MnCo V等)中M2O骨架是一个有利于Li+离子扩散的四面体和八面

15、体共面的三维网络。其典型代表是LiMn2O4因为在加热过程中易失去氧而产生电化学性能差的缺氧化合物， 使高容量的LiM n2O4制备较复杂，现在常用的合成方法有多步加热固态合成 法、溶液-凝胶法、沉淀法等。如何克服容量在循环时下降的问题是 目前LiMn2O4研究的焦点。因此，尖晶石型特别是掺杂型LiMn2O4勺制 备及结构与性能的关系仍是今后锂离子电池电极材料研究的方向。其次是其负极材料的问题： 锂离子电池作为一种新型的高能电池在性能上的提高仍有很大 的空间， 而碳材料性能的提高是其中的主要关键。 负极碳材料应具备 大容量、良好的充放电特性、高度可逆的嵌入反应、热力学稳定以及 对电解液稳定的性

16、能。归结起来就是：(1)在悝离子的嵌入反应中自由能变化小、电位低(2)锂离子在负极的固态结构中有高的扩散率(3)高度可逆的嵌入脱出反应(4)有良好的电导率(5)热力学上稳定同时与电解质不发生反应 实际生产中使用过碳材料如石墨类、 非石墨类以及掺杂型碳等作为负极。1973年就有人提出以碳作为嵌锂材料， 但直到1990年索尼公司以 石油焦炭作为负极， 才使锂离子电池的研究进入实用化阶段， 从而掀 起了世界范围的研究热潮。目前研究的碳负极材料主要有石墨、冶金焦炭、石油焦炭等。其 中石墨具有层状结构，因此其层与层之间有可能嵌入原子或原子团， 形成碳层间化合物。石墨的结晶度、微观组织、堆积形式等都影响其

17、 嵌锂容量。另外有研究发现， 部分无序排列的存在是石墨嵌锂容量小于理论 容量的原因，通过调节热处理温度控制石墨的堆积形式是获得高容量 的有效手段。日本本田研究与发展公司利用特殊处理方法解决了锂离 子电池比容量低的问题。具体做法是将锂（分子）置于有序石墨板之 间，材料经聚亚苯基（PPP）热处理后，再将高度取向的石墨经高压热 解。用该方法得到的石墨作负极，使负极达到了1 116mAh/g的高比 容量1991年日本NEC勺lijima用真空电弧蒸发石墨电极时，发现了具 有纳米尺寸的碳多层管状物一一纳米碳管。此后，引起了人们广泛的 兴趣和深入的研究。纳米碳管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、 电导率高

18、和界面效应强等特点。近年来，已把碳管用于锂离子电池中 作为负极材料，研究发现它具有高的可逆容量等优异的电极性能。目前，对碳电极材料的研究十分活跃，今后仍是锂离子电池研究的重点。另外有非碳材料。碳材料作为锂离子电池负极，循环性能虽然好， 但会在电极表面形成钝化膜，造成首次放电容量损失。因此，在研究 碳材料的同时，人们也在研究电位与Li+/Li电对相近的其它负极材 料。虽然一般的非碳材料的比容量较低。但是也存在一些。Li3CuxN的容量高达900rnAh/g,充放电平均电压为6V,没有不可逆容量。具 体在此就不再一一提及。最后是电解质材料电解质选择要求对电极材料有较好的相容性， 对改善电池的充放电

19、 性能有一定作用， 电性能最优。 并且对于电池的安全性稳定性以及环 境因素都有要求。主要采用锂盐和混合有机溶剂所组成的材料，如LiCI04/PC（碳酸 丙烯酯）+DME二甲基乙二醇）、PC+DMEPC+DME+E碳酸乙烯酯）、EC+DEC碳酸二乙酯）、LiAsF6/EC+THF（四氢咲喃）等。有些专家认为，LiCIO4是强氧化剂，使用很不安全。PC在蓄电池中因反应性强，易进 入碳夹层，用于锂离子电池也不可取。LiPF6是适宜的用盐，12moI/L LiPF6/EC+DM是理想的电解液。电解质的稳定性也是当前研究 锂离子蓄电池的一个关键技术。总的来说要构建高容量的电池显然要在正负极以及电解质上下

20、 功夫。现状锂硫电池是日本新能源汽车动力电池技术研究方向之一。 自2009年起，日本新能源产业技术综合开发机构每年投入300亿日元（约合24亿元人民币） 的研发预算， 目标是在2020年使锂硫电池的能量密度 达到500Wh/kg。美国则希望走得更快一些，美能源部最近投入500万 美元资助锂硫电池的研究，计划2013年能量密度达到500Wh/kg。硫具有多电子还原反应的电化学能力，且硫的相对原子质量较小，因此，单质硫具有高达1675mAh/kg的理论比容量，锂硫电池的 理论电池能量密度可达到2600W/kg,远远大于现阶段所使用的商业化二次电池。 锂硫电池的工作电业在2.1v左右， 可满足目前多

21、种场 合的应用需求；另外，硫资源丰富且价格低廉。鉴于以上原因，锂硫 电池在未来化学电源发展中具有应用优势，因此围绕锂硫电池及其关键材料的研究工作应得到我们的高度重视。锂硫电池的反应机理：S 16Li16e-8U2S但实际的放电过程中，硫还原过程经历多步电极反应，生成多种 多硫化锂中间产物。现阶段研究认为，锂硫电池的放电过程主要分为 两个相变的多电子传递步骤。室温下，典型的锂硫电池放电曲线具有 两个平台：一个是2.4V左右的高放点平台， 对于于环状的单质硫接受 电子生成一系列的多硫化锂Li2Sx(4=x=8);另外是2.1V左右的低 的放电平台，对应于高聚态多留华锂进一步还原成低聚态的多硫化 锂。Polyplus的2.1Ah锂硫电池的能量密度已达420Wh/kg 2010年7月，SionPowe的锂硫电池则应用于美国无人驾驶飞机动力