新能源材料之电池材料

新能源材料之电池材料.引言所谓的新能源材料泛指能够储存、转换及支撑新能源的材料或者一体化材料。该材料极大推动新能源大力发展，甚至还催生出新能源系统产生，有效的提升了系能源利用的效率[1]。但是随着现代化科技的推进，新能源材料的研究进展究竟如何，成为人们探究的重要话题。在这种形势下，探究新能源材料的研究进展具有实际意义。新能源作为一种“绿色”新技术，在减少环境污染，缓解环境压力的同时，也可以缓解能源危机。新能源产业作为战略性新兴产业的代表，是低碳经济的发展方向。把新能源的推广应用工作作为一项能源政策，已纳入中央各部委的重要议事日程和中国经济建设的总体规划之中[2]。据中国国家能源局新能源和可再生能源司司长王骏介绍，中国将力争在2050年将可再生能源占能源总比重从目前的9％提高到40％左右，占据主导能源地位。在国家政策的大力支持下，各地区已经把发展新能源产业作为新兴产业发展的主攻方向和产业转移的重要突破口。目前形成较大规模的新能源基地已达10余个。新能源材料在新能源产业发展中发挥着重要作用，新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生，新能源材料的应用提高了新能源系统的效率。因此，新能源产业的迅猛发展势必需要大量的新能源材料方面的专门人才，目前新能源材料专门人才的需求已呈现出供不应求的局面[3]。因此，有必要设置“新能源材料与器件”专业，以培养更多优秀的新能源材料专门人才，满足我国新能源产业发展的需要。新材料产业无疑是最具增长活力的领域之一。当今世界上各种新材料市场规模每年已超过4000多亿元；2010年，中国新材料产业的市场规模有望突破1300亿元，如果再获得政策方面的大力扶持，将会实现跨越式发展[4]。新能源材料企业的不断涌现，对相关行业的人才需求也逐年增多，设置新能源材料与器件专业将满足新材料产业对人才的需求[5]。为满足国民经济建设对新能源材料专门人才的需求，国家于2010年在全国各个区域的高校累计批复此专业共计15个，充分体现国家对此专业及人才培养的重视。2.镍氢动力电池材料镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，是现代电子产品中使用最为广泛的绿色环保电池之一，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差[6]。2.1镍氢电池发展状况在我国较强高科技产品中镍氢电池占据着一席之位，具有强劲的竞争优势。经过多年发展，我国的镍氢电池在出口上已经超过了日本，成为了第一生产大国，在世界上确立了镍氢电池的生产战略地位。随着镍氢动力电池逐渐趋于成熟，该电池成功在各种混合动力汽车中被验证使用，并很快被各种汽车中普及使用。如今日本的PanasonicEVEn-ergy公司中所使用到的技术相比较为领先，生产电池大都属于6.5Ah，而且有圆柱型与方型两种形状，电池比之能量是45Wh/kg，比功率高达1300W/kg。而使用这种动力电池Prius混合动力汽车销售更是如日中天，超过了120万辆，并成功经受多年的使用考核[7]。而且随着轿车中大量混合动力使用，过去电池产量已经不能够满足社会市场需求，因此PanasonicEVEnergy公司组建了更大的生产镍氢动力电池生产线，如今已在逐渐投入生产。2.2镍氢电池正负极材料镍氢电池由氢氧化镍正极、储氢合金负极、电解液等组成。储氢合金负极材料主要包括AB5型稀土镍系储氢合金、AB2型储氢合金、Laves相合金。镍氢动力电池的内部反应及电池反应如图1所示，从图中可以看出是无污染的[8]。图1镍氢动力电池的内部反应及电池反应正极材料—球形Ni(OH)2正极材料Ni(OH)2是涂覆式Ni／MH电池正极使用的活性物质。电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2，Ni3+还原成Ni2+。负极材料－储氢合金用于Ni／MH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件：(a)电化学储氢容量高；(b)在氢的阳极氧化电位范围内，储氢合金具有较强的抗阳极氧化能力；(c)在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；(d)反复充放电过程中合金不易粉化，制成的电极能保持形状的稳定；(e)合金应有良好的电和热的传导性；(f)原材料成本低廉。我国在镍氢动力电池上也有相当的研究进展，清华大学所开发出来燃料电池混合的动力客车采用镍氢动力电池为辅助动力，所开发出来的电池主要有80、40、28、8及6.5Ah，尤其是80Ah的功率已经高达了1000W/kg。2.3镍氢电池的应用目前，在研发负极的储氢合金方面取得大量成绩，如：使用多元合金中调节材料，其中的热力学性质，对材料的电催化活性有效改善，在宽温度范围中对材料的综合电化学的性能等；在新材料开发商，对AB3-5合金上的研究也具备较大进展，其中容量已经达到430mAh/g，如果环境的温度低于了零下40摄氏度，容量比常温下的容量高大约70%，其电荷转移的阻抗以及传质扩散之阻抗都比较低，但是其循环的稳定性方面依然存在缺陷[9-11]。如图2所示为800mAhAAA镍氢电池。图2800mAhAAA镍氢电池在我国研发质子交换膜的燃料电池方面所投入比例较大，但是主要还是放在了燃料电池发动机方面，质子交换膜、催化剂及碳纸等各种材料还是要进口。经过各个国家共同努力下，燃料电池的催化剂研发上得到进一步发展，尤其是在Pt/C及PtRu/C催化剂研发上进展比较大，并有了稳定的批量供应能力，同时低铂催化剂、抗中毒催化剂及非铂催化剂等再生与回收技术上都取得较大进步。目前镍氢电池已进入成熟期，主要应用于混合动力汽车上。例如我国长春一汽、东风电动车辆股份有限公司和长安汽车等单位在其开发的混合动力轿车如图3所示、混合动力客车中，大多使用了镍氢动力电池[12]。图3混合动力轿车3.锂离子电池材料目前锂离子电池的负极材料以碳质材料为主，包括中间性炭微球和改性天然石墨等，锂离子电池正极材料主要为LiCo02，同时LiMn204，LiFePO4和锂镍钴锰氧化物等新型正极材料也在开发和应用过程中。3.1锂离子电池发展状况我们平时所使用的手机电池、笔记本电池都是锂离子电池，锂离子电池产业在我国也发展得十分繁荣[13]。新能源材料的研发是全球科研的趋势，作为当代大学生，应当抓住这个机遇，积极投身新能源事业，通过提高新能源的技术工艺，克服生产难关，来达到绿色、环保、和谐的科技创新之路。由于其工作电压与重量能量密度优于常用的镍镉电池(Ni/Cd)与Ni/MH电池，又无记忆效应及环保问题(锂离子电池的金属含量最低)，因此成为目前商业开发二次电池的主流；还以其薄形化及形状有高度的可塑性等特点，因此符合电子产品轻、薄、短、小的要求，所以备受各国科学家及电池业的重视，发展极快[14]。锂离子电池被人们称为“绿色环保能源”和“跨世纪的能源革命”。锂离子电池是照相机、电子手表、计算器、各种具有储存功能的电子器件或装置的理想电源。锂离子电池充放电示意图及电池反应如图4所示。C6+LixMmOn←→LiyC6+Lix-yMmOn图4锂离子电池充放电示意图及电池反应3.2锂离子电池正负极材料20世纪70年代末期，Murphy等人及Lazzari和Scrosati首次提出“摇椅式”电池的概念，即用低嵌锂电位的层间化合物代替金属锂负极，配之以高插锂电位的化合物作为正极，从而避免了金属锂枝晶的沉积，因此安全性得以显著提高.但由于这种电池存在工作电压低、锂离子在负极材料中扩散慢等问题，研究与开发一度陷入停滞不前的局面[15]。直到1985年，Yoshino等人以石油焦作为负极材料，采用钴酸锂为正极材料，构建出一种全新的高电压锂离子电池，并在1990年后被日本索尼公司大规模商业化。这种正负极材料组合的锂离子电池循环寿命大大延长，同时安全性也显著提高，成为锂电池发展史上的一个里程碑。锂离子电池性能的提高归根到底与电池材料的选择有关[16]。因此，探索新的高性能材料一直是锂离子电池研究中的焦点。常见的锂离子电池正负极材料如图5所示。图5常见的锂离子电池正负极材料石墨类负极具有优良的综合特性，一直被广泛应用。由于非碳负极材料存在严重的固有缺陷，如合金类负极循环特性差、平台不理想等，因此可以预见，在今后相当长一段时期内，石墨类负极仍将占据商品化负极材料的绝对优势地位[17]。随着移动电子设备、电动汽车及大型储能的发展，未来新型炭负极的发展将主要集中在3个方面:(1)锂离子动力电池用高功率石墨负极，主要包括人造石墨及中间相炭微球的结构优化及性能提高等；(2)非石墨类高容量炭负极，主要包括新型的高容量硬碳负极材料。其中，新型硬炭负极不仅具有相对较低的放电平台和高的比容量，也具有可大电流放电的特性，在动力电池领域将具有一定的应用前景；(3)炭基复合负极材料，与其他高容量负极如Si，Sn等复合，以提高负极材料的比容量[18]。其中正极材料的研究主要集中于钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等材料，而商品化的负极材料基本为各种碳质材料，主要包括天然石墨、人造石墨、硬炭等。碳纳米管和石墨烯等新型炭材料的出现，也给锂离子电池的发展带来了新的机遇。大部分炭材料均能与锂离子发生嵌入-脱嵌反应，其电化学行为取决于炭材料的结构[19]。Dahn等人对炭材料的储锂行为进行了详细研究，并按照炭材料的结构及石墨化难易程度，将炭负极材料分为3类:(1)石墨类炭负极;(2)低温软炭负极;(3)硬炭负极。4.总结与展望开发新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现人类社会可持续发展的重要途径。在新能源的发展过程中，新能源材料起到了不可替代的重要作用，引导和支撑了新能源的发展。核能材料是发展核能的重要基础。储能材料是发展节能的清洁交通和新型储能器件的重要支撑[20]。国外许多大学都设置了新能源材料专业，如美国的康奈尔大学、麻省理工学院、波特兰大学，日本的东京大学，澳大利亚斯威本科技大学等。他们的新能源材料相关专业开设较早，一直处于世界领先地位，不但具有世界领先的学术研究能力，而且还拥有将理论转化为成果的经验和应用技术。国内的一些大学也设立了以新能源或新能源材料为专业方向的专业，但侧重点不同。北京大学设置了能源与资源工程目录外专业，可再生能源、节能技术、油气工程技术、水资源、资源勘探专业方向；清华大学、上海交通大学、华东理工大学、华南理工大学等高校主要侧重培养核电方面的人才等[21]。新能源材料是推动氢能燃料电池快速发展的重要保障。提高能效，降低成本，节约资源，环境友好，将成为新能源发展的永恒主题，新能源材料将在其中发挥越来越重要的作用。在新型炭负极方面，未来的发展将主要集中在高功率石墨类负极及非石墨类高容量炭负极，以满足未来动力和高能电池的需求。炭导电剂对电池性能具有重要影响，新型导电剂的研究将主要集中在具有高离子电导特性炭黑的开发以及与碳纳米管、石墨烯等新型炭材料复合得到的复合导电剂等方面。如何针对新能源发展的重大需求，解决相关新能源材料的材料科学基础研究和重要工程技术问题，将成为材料工作者的重要研究课题。5.参考资料[1]YuanGaihuan,LiHengyu,WangDehua.锆材在核电站的应用及前景[J].综合评述,2007.[2]DaiHJ.Carbonnanotubes：Opportunitiesandchallenges[J].SurfaceScience，2002，500（1-3）：218-241.[3]LeeC，WeiXD，KysarJW，etal.Measurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthofmonolayergraphene[J].Science，2008，321（5887）：385-388.[4]BalandinAA，GhoshS，BaoWZ，etal.Superiorthermalconductivityofsingle-layergraphene[J].NanoLetters，2008，8（3）：902-907.[5]EndoM，KimYA，HayashiT，etal.Vapor-gr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