第一章-先进电池材料

授课班级：无机1201授课人：周伟Telmail：chowvy@163.com

先进电池材料课程要求不迟到，不早退保持安静（回答问题除外），不影响他人课堂要求考核要求期末总成绩60分及以上为合格总成绩按期末考试成绩占70%，平时成绩占30%计算（考试成绩不足50分，平时成绩不计入总成绩）平时成绩不及格或作业缺交达三分之一及以上，平时成绩记零分缺课课时累计达教学总课时三分之一及以上，总成绩记零分考核方式：闭卷教材及参考书目教材目录第一章新能源汽车与绿色环境第二章新能源汽车的心脏—动力电池第三章动力电池的类型第四章动力锂离子电池的材料第五章动力金属氢化物-镍电池材料第六章超级电池和铅碳电池材料第七章燃料电池材料教材及参考书目第1章概述第2章化学电源的基本原理第3章金属负极材料第4章氧化锰电极材料第5章镍电极材料第6章金属氢化物电极第7章铅氧化物第8章碳材料第9章隔膜材料第10章锂电池和锂离子电池负极材料第11章锂离子电池正极材料第12章锂离子电池的电解液第13章聚合物电解质第14章高温电池材料教材及参考书目参考书目课程主要内容第1章概论第2章铅酸电池和超级电池第3章金属氢化物-镍电池第4章锂离子电池材料第5章燃料电池材料第6章太阳能电池材料第1章概论1.1前言没有电池，社会将无法发展！电池对社会发展的重要作用1.1前言历史自1859年普朗特（R.G.Plante）试制成功铅酸电池、1868年法国勒克朗谢（G.Leclance）制成锌锰干电池以来，化学电源经历了100多年的发展历史，逐步形成了独立完整的科技与工业体系。当今，化学电源已经成为人民生活中极为广泛的方便能源，在国民经济中占有十分重要的地位。1.1前言现状随着现代高新技术的迅猛发展，促使电源技术进入了一个新的快速发展时期。传统的化学电源，如锌锰电池和铅酸蓄电池等不断的更新换代，性能得到长足的进步，使这些传统电池产业表现出了长盛不衰的发展势头；新型化学电源，如：金属氢化物镍电池、锂离子电池、燃料电池等绿色、高能电池相继问世，并以前所未有的速度迅速发展起来。一个新型化学电源的时代已经到来。1.1前言未来21世纪，信息技术的不断发展，将推动电池技术铸造新的辉煌；为了保护人类的生存环境，实现可持续发展，调整能源结构，开发可再生能源技术是21世纪人类无法回避的重大课题，储能技术将在可再生能源技术的发展中发挥举足轻重的作用。电池：亦称为化学电源，是一种将化学反应产生的能量直接转换为电能的装置。

什么是电池？空气电池锂电池1.1前言

生物电1.2电池的历史意大利生物学家伽伐尼肖像，请注意肖像下部的那半只青蛙。1791年，意大利生物学家伽伐尼(Galvani)发现解剖青蛙时出现青蛙腿肌肉的收缩现象，即“生物电”。伏特电堆1.2电池的历史1799年，意大利科学家伏特(Volta)在伽伐尼(Galvani)实验基础上，用锌片和银片交替叠放，中间隔以吸有盐水的皮革，发现连接两块金属的导线中有电流通过，制成世界上第一个真正的电池，又称为伏特电堆。伏特电堆伏特丹尼尔（Daniel）电池1.2电池的历史结构图1836年，英国人丹尼尔(Daniel)对伏特电堆改进，设计出具有实用性的丹尼尔电池。1.2电池的历史实物图铅酸蓄电池1.2电池的历史1859年，法国人普朗特(Plante)发明铅酸蓄电池。锌-二氧化锰电池1.2电池的历史1866年，法国人勒克朗谢(Leclanche)发明了锌—二氧化锰电池。湿电池锌—锰干电池1.2电池的历史1881年，德国人盖思乐(CarlGassner)发明了锌—锰干电池。碱性干电池1.2电池的历史1949年，加拿大科学家LewUrry发明了碱性干电池。镉镍蓄电池1.2电池的历史1899年，瑞典化学家雍格纳(Jungner)发明镉镍蓄电池。铁镍蓄电池1.2电池的历史1901年，美国发明家爱迪生(Edison)发明铁镍蓄电池。放电/充电负极:Fe+H2O-e-↔Fe(OH)3正极

:NiOOH+H2O+e-↔Ni(OH)2金属氢化物镍蓄电池1.2电池的历史1969年，飞利浦实验室发现了储氢性能很好的新型合金，并于1985年研制成功金属氢化物镍蓄电池，1990年日本和欧洲实现了这种电池的产业化。锂离子电池1.2电池的历史1991年，索尼公司率先研制成功锂离子电池。燃料电池1.2电池的历史1839年，英国的格罗夫(Grove)通过将水的电解程逆转发现了燃料电池的工作原理。1.2电池的历史20世纪60年代，美国NASA成功研制出第一个实用性的1.5kW碱性燃料电池，用于航天飞行器；

20世纪90年代，新型质子交换膜燃料电池技术取得了一系列突破性发展。太阳能电池1.2电池的历史1954年，美国贝尔实验室的CalvinFuller,GeraldPearson和DarylChaplin发明了硅基半导体太阳能电池，效率为6%，这是人类历史上首次利用太阳能转化为电能，从此开创了太阳能电池的新篇章。1.2电池的历史1.3电池的分类按电解液的类型酸性电池：电解液为酸性水溶液的电池碱性电池：电解液为碱性水溶液的电池中性电池：电解液为中性水溶液的电池有机电解质溶液电池：电解液为有机电解质溶液的电池固体电解质电池：采用固体电解质的电池熔融盐电解质电池：采用熔融盐电解质的电池电池1.3电池的分类按工作性质一次电池（原电池）（放电后不能用充电方法使它恢复到放电前状态的一类电池）锌锰电池锌银电池锂二氧化锰电池二次电池（蓄电池）（放电后能用充电方法使活性物质恢复到放电前状态，从而能再次放电的一类电池）镉镍电池铅酸电池金属氢化物镍电池锂离子电池燃料电池（连续电池）（放电后不能用充电方法使它恢复到放电前状态的一类电池）质子交换膜燃料电池碱性燃料电池电池1.4电池的工作原理两个必要条件：（1）化学反应中失去电子的过程（即氧化过程）和得到电子的过程（即还原过程）必须分隔在两个区域（负极和正极）中进行；（2）物质在进行转变的过程中电子必须通过外电路。充放电反应的不同：放电时，电池负极发生氧化反应，此时是阳极，正极发生还原反应，此时是阴极；而充电时进行的反应正好与此相反，负极进行还原反应，正极发生氧化反应。1.4电池的工作原理电池在实现能量转换过程中，两个电极上进行的氧化还原反应必须分别在两个分开的区域进行，这一点区别于一般的氧化还原反应；两电极的活性物质进行氧化还原反应所需的电子必需由外线路传递，这一点区别于金属电化学腐蚀过程的微电池反应；电池内部两电极间不是通过自由电子而是通过电解质中离子的迁移导电的。电池具有以下三个显著特征：1.5电池的组成四个组成部分：电极、电解质、隔离物和外壳

电极：包括活性物质和导电骨架活性物质导电骨架正极活性物质：金属氧化物(PbO2,MnO2,NiO)负极活性物质：较活泼金属(Zn,Pb,Li,Fe等)导电剂粘结剂缓蚀剂（具有导电和支撑活性物质作用）1.5电池的组成

作用：保证正负极间的离子导电作用要求：高导电率、化学稳定性好、不易挥发、易于长期贮存。分类：可分为水溶液电解质、非水液体电解质、固体电解质、熔融盐电解质。电解质1.5电池的组成（1）水溶液电解质水的介电常数大，溶解和离解电解质的能力强，黏度小，对离子移动的阻力小；离子电导率高，一般为0.1~10

-1

cm-1。熔点0

C，沸点100

C，所以不能在极地和宇宙空间等低温条件下使用，高温储存性能亦差。水的分解电压为1.23V左右。水溶液电解质电池主要有：锌锰、锌镍、锌银、锌汞、锌空气、铁镍、氢镍、镉镍、铅酸电池等。1.5电池的组成（2）非水有机液体电解质在比水更宽的温度范围和电位范围内是稳定的。但溶解电解质的能力小，电导率一般比水溶液低1~2个数量级，通常为10-1~10-2

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cm-1。。常用的非水有机溶剂有：碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、四氢呋喃（THF）等；电解质有：LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF6等。非水有机液体电解质电池主要有：锂电池（Li/MnO2、Li/SO2

、Li/(CFx)n等，镁电池，锂离子电池。1.5电池的组成（3）非水无机液体电解质主要应用于锂电池，非水无机溶剂有：POCl3(磷酰氯）POFCl2（磷酰氟二氯）、SOCl2（亚硫酰氯）、SO2Cl2（硫酰氯），兼作正极活性物质。电解质是LiAlCl4、AlCl3(用于激活式Li/SOCl2电池）。（4）固体电解质包括无机固体电解质和聚合物固体电解质；固体电解质主要问题是离子电导率较低，无机固体电解质电导率为10-1~10-3

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cm-1，通常要在高温下工作；聚合物固体电解质的电导率目前只能达到10-4~10-5

-1

cm-1

。聚合物固体电解质电池主要是：聚合物锂离子电池。1.5电池的组成隔离物或隔膜作用：置于电池两极之间，主要作用是防止电池正负极接触而短路。要求：较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的化学稳定性和一定的机械强度，材料来源丰富，价格低廉。可分为微孔膜和半透膜两种，隔膜材料包括有机材料和无机材