电池材料的发展

1、电池材料技术原理与应用摘要：简要对新型电池材料中的锂离子电池材料、竦氢电池材料和燃料电池材料原理 进行概述，综述最近几年来这些新型电池材料的应用。引言：1800年，伏打电池的发明标志着电源装置一一电池的诞生。200多年的发展历程使 电池的用途和性能趋于完善，尤其是进入20世纪80年代后，随着电子信息技术的蓬勃 兴起，各种智能卡、电子表、计算器、移动电话、便携式CD机和手提电脑等的应用， 以及人们对于生态意识的提高，新一代安全、绿色、高效的一次和二次电池相继研发和 应用。我国目前已是电池生产大国，但还不是电池强国，在整体生产技术和工业水平上 处于劣势。为进一步提高我国电池产品的竞争力，充分发挥优

2、势群体的积极性和创造性， 开发出更具发展前景的高能、环保、新型电池材料，走出一条具有中国特色的电池技术 发展之路。由此可以看出，电池业的发展在于电池材料业的发展，研发和生产在世界上 具有竞争优势的电池材料是电池行业首要的任务。正文：电池材料主要分为锌电池、铅电池、碱性二次电池、锂电池和其他新型电池。锂离 子电池主要是锂一次、二次电池，而其他新型电池材料主要为燃料电池等等。新型电池材料体系主要由锂离子电池材料、竦氢电池材料和燃料电池材料构成。锂离子电池材料锂离子电池是继镉/竦、金属氢化物/竦电池之后最新一代蓄电池，1990年由日本 SONY公司首先研制成功并实现商品化。由于由于空间和军用的需求以

3、及电子技术的迅 速发展，对体积小、质量轻、比能量高、使用寿命长的电池要求日益迫切，对上述各项 性能的要求越来越高。锂离子二次电池正是在这一形式下发展起来的一种新型能源。1）锂离子电池工作原理锂离子电池是在锂二次电池基础上发展起来的一种新型充电电池，它的正负极材料 都是能发生锂离子嵌入-脱出反应的物质。充电态时，负极处于富锂态，正极处于贫锂 态。在充放电过程中，锂离子在正负极间摇来晃去，而无金属锂的析出，因此，锂离子 电池又称为“摇椅电池”。2）锂离子电池负极材料锂离子电池的负极材料主要包括石墨、硬碳和含氢碳等材料，同时一些金属氧化物 作为锂离子电池的负极材料也受到了较多的重视。作为锂离子电池的

4、负极材料一般具有 以下特点: 锂离子的脱嵌容量要大；具有良好的充放电循环特性； 放电电压很 快达到平衡状态；高度可逆的嵌入反应；与电解质具有良好的相容性。在研究锂离子电池负极材料时，需要注意的实际问题有：获得更高嵌锂量的同时，降低材料的首次不可逆容量，并将其控制在总容量的 10%以内；研究和提高材料的体积比容量，使电池容量真正得到提高；充分考察具有高比平面、高活性的纳米材料的安全性；符合大生产要求的纳米材料生产及其实际使用方式方法与工艺技术；降低材料的生产和使用成本，使其真正具有使用价值。3）锂离子电池正极材料正极活性物质是决定锂离子电池性能的重要因素之一。普遍为电池业接受的正极活 性物质主要

5、是层状结构的锂钻氧化物和锂竦氧化物，以及尖品石结构的锂锰氧化物。目前商品化锂离子电池几乎全部采用锂钻氧化物LiCoO2作为正极材料，具有工作 电压高（3.6V）、放电稳定、适合大电流放电、比能量高、循环性好、制备工艺简单等 优点。锂钻氧化物的合成技术有高温合成技术和低温合成技术。高温合成技术一般是 以Li2CO3和CoCO3为原料，按nLi： Co （摩尔比）为1： 1配制，在700900C下，空气 氛围灼烧而成。而低温合成技术相对于高温合成技术而言是指前期的合成温度较低或经 软化学处理，后期高温合成所需时间较短而已。锂竦氧化物LiNiO2为正极材料，在一定的条件下，Li能够在NiO层与层之间

6、进行 嵌入脱出，使得它成为理想的锂离子电池嵌基材料。但这种材料存在制备困难、安全性 较差、在高温脱锂状态下热稳定性较差、工作电压较低、可逆循环性较差等缺点，可通 过改进合成方法弥补这些缺陷。4）锂离子电池电解质材料锂离子对电解质材料的要求为：良好的离子导电性；高离子迁移数；一定的 化学稳定性；足够的机械强度。锂离子电池电解质材料有液体电解质和固体电解质。 液体电解质有无机电解液（如常用的电解质锂盐LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiCF SO 446633和LiN（SOCF）等）和有机电解液（主要包括碳酸酯、醚和羧酸酯等），固体电解质又 23 2可分为无机固体电解质、有机固体电解质

7、和熔融盐。锂离子电池的应用锂离子电池具有以下优点：高电压、高容量、低消耗、无记忆效应、无公害、体积 小、内阻小、自放电少、循环次数多。因其上述显著特点,锂离子电池已应用到移动电 话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等众多民用及军事领域。另外，国内外也在竞相开 发电动汽车、航天和储能等方面所需的大容量锂离子电池。竦氢电池材料随着社会经济的持续发展，电池的需求量越来越大，特别是可充电电池的市场需求 量迅速增加，竦氢电池以其容量大、无污染、价格适中等优越性，迅速获得了广泛应用。 竦氢电池是一种性能非常优异的新型电池，它一定会取代目前大量应用的竦镉电池。竦氢电池工作原理竦氢电池是竦-金属氢化合物碱性蓄电池

8、的简称，化学符号为Ni-MH，正极采用氢 氧化竦发泡板，并以由从稀土提炼出来的贮氢合金粉作负极，外观为密封圆柱形，单元 电压为1.5V。竦氢电池工作原理为：负极反应充电过程：M+H O+ e- fMHad+ OH-2MHad f a - MhadP - MHad放电过程：P - MHad (a - MHad )f MHadMHad + OH-f M+H O+ e-2正极反应(与镍-镉电池同)正常充电：Ni(OH)2 +OH-fNiOOH+ H2O+e-正常放电：NiOOH+H2O+e-f Ni(OH)2+OH-电池反应正常充电：M+ Ni(OH)2fMH+ NiOOH正常放电：MHad+ Ni

9、OOH fM+ Ni(OH)2过放电过程：H2(正极)fH2(负极)其优点有：能量密度高，是镉-竦电池的1.5-2.0倍；电池电压为1.2 1.3V， 与镉-竦电池相当；可以快速充放电；低温特性较好；可密封，耐过充放电性能 好；无毒和无环境污染，被称为“绿色环保电池”；不使用贵金属催化剂；无记 忆效应。2）竦氢电池电极材料竦氢电池，属于新型二次碱性电池，其正极活性物质为氢氧化竦，负极活性物质为 贮氢合金。3）竦氢电池电解质材料氢-竦电池多采用含30%LiOH的KOH水溶液，作为电解质。电解液的组成、浓度用 量等对电池性能均有一定的影响，可根据具体情况进行选择。4）竦氢电池的应用氢竦电池逐步取代

10、镉竦电池在电动工具、电动助力车、电话子母机、便携式电话、 摄像机、微型电脑、通讯设备等高性能电源的市场。大型竦氢蓄电池，较之铅蓄电池能 蓄存更多的电能，其能量密度约高一倍，而且循环寿命长、输出功率高、耐低温性能也 很好。燃料电池材料燃料电池（Fuel Cell, FC）是一种新兴的化学能源，其具有能量转换效率高、燃 料使用和场址选择灵活、洁净、噪声低等优点。美、日、加、欧洲及澳洲在燃料电池的 研究和应用领域处于世界前沿，我国早在20世纪50年代起就开始了燃料电池的理论研 究。1）燃料电池工作原理燃料电池是一种电化学装置，简单地讲，是反应物燃料与空气中的氧气发生电化学 反应而获得电能和热能的装置。能量转化过程为化学能直接转化成电能和热能，形成的 电能为低压直流电能。燃料电池主要分为五种类型：碱性染料电池AFC ；磷酸型燃料电 池PAFC； 熔融碳酸盐燃料电池MCFC；固体氧化物燃料电池SOFC；质子交换膜燃料电池 PEMFC。以碱性燃料电池为例，所发生的电化学反应如下：燃料（如氢）在阳极发生氧化反应：H+2OH-f H O+2e-22氧化剂（如氧）在阴极发生还原反应：1/2O+H+2e-f 2HO-22整个电池的反应：1/2O2+H2-H2O2）燃料电池的应用燃料电池广泛应用于电池电动车、发电站、便携式电