1、講座班：武器1201講師：朱偉特子郵件：高級(jí)電池材料，課程要求，不晚，不早退(回答問題除外)，其他人，課程要求，評(píng)價(jià)要求，期末總成績(jī)60平時(shí)成績(jī)不包括在總成績(jī)中第一章新能源汽車和綠色環(huán)境第二章新能源汽車的心臟動(dòng)力電池第三章動(dòng)力電池類型第四章動(dòng)力鋰離子電池材料第五章動(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和工具書、 第一章概述第二章化學(xué)電源的基本原理第三章金屬陰極材料第四章氧化錳電極材料第五章鎳電極材料第六章金屬氫化物電極第七章氧化鉛第八章碳材料第九章隔膜材料第十章鋰電池和鋰離子電池負(fù)極材料第十一章鋰離子電池負(fù)極材料第十二章鋰離子電池

2、電解質(zhì)第十三章聚合物電解質(zhì)量第十四章高溫電池材料，教材和參考書，參考書，課程主要內(nèi)容，第一章概論2章鉛酸電池和超級(jí)電池3章金屬氫化物-鎳電池4章鋰離子電池材料5章燃料電池材料6章太陽(yáng)能電池材料，第一章概論，1.1序言，沒有電池，社會(huì)無法開發(fā)！電池在社會(huì)發(fā)展中的重要作用，1.1前言，歷史1859年普朗特試制成功鉛酸電池，1868年法國(guó)克朗市制造鋅后100多年的發(fā)展歷史今天，化學(xué)電力已成為人民生活中非常廣泛和方便的能源，1.1前言，現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力技術(shù)進(jìn)入了新的快速發(fā)展時(shí)期。由于鋅錳電池和鉛酸蓄電池等傳統(tǒng)化學(xué)電源供應(yīng)設(shè)備的持續(xù)更換，性能大大提高，這些傳統(tǒng)電池產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)。金屬氫化物

3、鎳電池、鋰離子電池、燃料電池等新的化學(xué)電源供應(yīng)裝置、高能電池相繼出現(xiàn)，正在以前所未有的速度快速發(fā)展。新化學(xué)電源的時(shí)代已經(jīng)到來。1.1序言，未來21世紀(jì)，信息技術(shù)發(fā)展將推動(dòng)電池技術(shù)鑄造的新輝煌。保護(hù)人類的生存環(huán)境，調(diào)整可持續(xù)發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)可再生能源技術(shù)是21世紀(jì)人類不可避免的重大課題，在儲(chǔ)能技術(shù)可再生能源技術(shù)的發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。電池：也稱為化學(xué)電源，是將化學(xué)反應(yīng)生成能量直接轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。什么是電池？請(qǐng)注意空氣電池，鋰電池，1.1前言，生物電，1.2電池的歷史，意大利生物學(xué)家電偶像，肖像下面部分的青蛙。1791年意大利生物學(xué)家Galvani發(fā)現(xiàn)解剖青蛙時(shí)，青蛙腿肌肉的收縮現(xiàn)象，即“生

4、物電”。伏特核反應(yīng)堆，1.2電池歷史，1799年意大利科學(xué)家伏特，Galvani，伏特，Daniel電池，1.2電池的歷史，線路圖，1836年英國(guó)人丹尼爾，1.2電池歷史，實(shí)物圖，鉛酸蓄電池，1.2電池歷史，1859年法國(guó)人普朗特發(fā)明了鉛酸蓄電池。，鋅-二氧化錳電池，1.2電池的歷史，1866年法國(guó)人勒克朗謝發(fā)明了鋅-二氧化錳電池。濕電池、鋅錳電池、1.2電池歷史，1881年德國(guó)人蓋勒發(fā)明了鋅錳電池。堿性電池，1.2電池的歷史，1949年加拿大科學(xué)家Lew Urry發(fā)明了堿性電池。鎳蓄電池，1.2電池歷史，1899年瑞典化學(xué)家翁格納發(fā)明了鎳蓄電池。鐵鎳蓄電池，1.2電池歷史，1901年美國(guó)發(fā)明

5、家愛迪生牙齒鐵鎳蓄電池發(fā)明。放電/充電陰極： Fe H2O-e- Fe(OH)3陽(yáng)極3360 ni ooh H2O e-ni (oh) 2、金屬氫化物鎳蓄電池、1.2電池歷史、1969年飛利浦實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氫性能好的新型、鋰離子電池，燃料電池，1.2電池歷史，1839年英國(guó)Grove通過水的電解過程反轉(zhuǎn)了發(fā)現(xiàn)燃料電池的工作原理。1.2電池歷史，20世紀(jì)60年代美國(guó)NASA成功開發(fā)了航天飛機(jī)第一款實(shí)用的1.5千瓦堿性燃料電池。20世紀(jì)90年代，新的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)取得了一系列突破性的發(fā)展。太陽(yáng)能電池，1.2電池歷史，1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室卡爾文富勒，杰拉德皮爾森，Daryl Chapli

6、n發(fā)明了基于硅的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，效率為6%。在人類歷史中，第一次利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電力，打開了太陽(yáng)能電池的新篇章。1.2電池歷史，1.3電池分類，電解質(zhì)類型，酸性電池：電解質(zhì)為酸性水溶液的電池，堿性電池：電解質(zhì)為堿性水溶液的電池，中性電池：電解質(zhì)為中性水溶液的電池，有機(jī)電解質(zhì)溶液電池：電解質(zhì)為有機(jī)電解質(zhì)溶液的電池，固體電解質(zhì)電池：使用固體電解質(zhì)的電池電池，1.1 (放電后可以充電)鋰離子電池、燃料電池(連續(xù)電池)、(放電后不能通過充電方法恢復(fù)放電前狀態(tài)的一種電池)、質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、電池、1.4電池工作原理、兩個(gè)茄子必備條件：(1)化學(xué)反應(yīng)期間失去電子的過程(即氧化過程) 充放

7、電反應(yīng)的差異：放電時(shí)電池陰極上發(fā)生氧化反應(yīng)，此時(shí)是陽(yáng)極，陽(yáng)極發(fā)生還原反應(yīng)，此時(shí)是陰極。充電時(shí)的反應(yīng)相反，陰極進(jìn)行還原反應(yīng)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)。1.4電池工作原理，電池能量轉(zhuǎn)換過程中在兩個(gè)電極上進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，應(yīng)分別在兩個(gè)單獨(dú)的區(qū)域進(jìn)行。這不同于常規(guī)氧化還原反應(yīng)。兩個(gè)電極的活性物質(zhì)氧化還原反應(yīng)所需的電子必須通過外線傳遞，這與金屬電化學(xué)腐蝕過程中的微電池反應(yīng)不同。電池內(nèi)部的兩個(gè)電極之間不是自由電子，而是通過電解質(zhì)的離子遷移來傳導(dǎo)。電池是1.5電池的組件，電極、電解質(zhì)、分離物和外殼，電極：活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架，活性物質(zhì)，導(dǎo)電骨架，陽(yáng)極活性物質(zhì)：金屬氧化物(PBO2，MNO2，(導(dǎo)電和支撐活性物質(zhì)作用

8、)，1.5電池的組成，作用可分為水溶液電解質(zhì)、非水液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)、熔鹽電解質(zhì)。電解質(zhì)，1.5電池的組成，(1)水溶液電解質(zhì)的介電常數(shù)大，溶解電解質(zhì)的能力強(qiáng)，粘度小，對(duì)離子遷移的阻力小。離子電導(dǎo)率高度，一般為0.110-1厘米-1。熔點(diǎn)為0C，沸點(diǎn)為100C，不能在極地或太空等低溫條件下使用，高溫儲(chǔ)存性能也會(huì)下降。水的分解電壓約為1.23 V。水溶液電解質(zhì)電池主要是鋅錳、鋅鎳、鋅銀、鋅汞、鋅空氣、鐵鎳、氫鎳、鎳、鉛酸電池等。1.5電池的組成，(2)非有機(jī)液體電解質(zhì)在比水更大的溫度范圍和前衛(wèi)范圍內(nèi)穩(wěn)定。但是電解質(zhì)溶解的能力很小，電導(dǎo)率一般比水溶液低12數(shù)量級(jí)，通常為10-110-2-1cm

9、-1。常用的非有機(jī)溶劑包括碳酸丙烯(PC)、碳酸乙烯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和四氫呋喃(THF)。電解質(zhì)為L(zhǎng)iClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF6等。非有機(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、鋰離子電池等)。1.5電池配置，(3)鄭智薰水基無機(jī)液體電解質(zhì)，主要用于鋰電池、鄭智薰水基無機(jī)溶劑：POCl3(磷酰氯)POFCl2(磷氟二氯)，SOCl2(亞硫酸氫氯)，SO2Cl2(硫酰氯)(4)固體電解質(zhì)包括無機(jī)固體電解質(zhì)和聚合物固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)的主要問題是離子電導(dǎo)率低，無機(jī)固體電解質(zhì)電導(dǎo)率10-110-3-1cm-1，通常在高

10、溫下工作。聚合物固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率數(shù)字目前只能達(dá)到10-410-5-1cm-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電池配置，隔離物或隔膜，角色：放置在電池正極之間，主要作用是防止電池正極和負(fù)極接觸，從而短路。要求：離子傳輸能力高，電子導(dǎo)電率低，化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度恒定，材料來源豐富，價(jià)錢便宜?？煞譃槲⒖啄ず桶胪改煞N，隔膜材料包括有機(jī)材料和無機(jī)材料。1.5電池的組成，外殼，即電池容器要求：良好的機(jī)械強(qiáng)度，振動(dòng)和沖擊，冷熱環(huán)境變化，電解質(zhì)腐蝕等，1.6電池的性能指標(biāo)，電池的電動(dòng)勢(shì)，概念：外部電路打開，即當(dāng)電流不通過電池流動(dòng)時(shí)，正負(fù)電極之間的平衡電極電勢(shì)差異稱為電池的電動(dòng)勢(shì)。反映

11、：電動(dòng)勢(shì)大小(emf)是電池系統(tǒng)輸出電量的指標(biāo)之一。影響因素：電池的電動(dòng)勢(shì)與化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)、電池反應(yīng)條件(即溫度)和反應(yīng)物的活性有關(guān)，與電池的幾何形狀、尺寸大小等無關(guān)。1.6電池性能指標(biāo)，電池開路電壓，概念：電池開路電壓表示在電池2階段之間連接的外線處于開路狀態(tài)時(shí)電極之間的電位。正負(fù)極在電解質(zhì)中不一定處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，電池的開路電壓總是小于電動(dòng)勢(shì)。測(cè)量方法：電池的電動(dòng)勢(shì)在熱力學(xué)函數(shù)(熱力學(xué))中計(jì)算，開路電壓用高阻電壓表(高阻電壓表)實(shí)際測(cè)量，兩者都有數(shù)值方法。1.6電池的性能指標(biāo)，電池的內(nèi)部電阻，概念：電池的內(nèi)部電阻R內(nèi)部指電流通過電池時(shí)發(fā)生的電阻，包括歐姆內(nèi)電阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化引起

12、的極化內(nèi)部電阻。電池的歐姆電阻R的大小電解質(zhì)、電極材料、隔膜的性質(zhì)，以及電池的尺寸、組裝、結(jié)構(gòu)等因素。極化電阻Rf是化學(xué)電源供應(yīng)裝置的陽(yáng)極和陰極電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化引起的內(nèi)部電阻，包括電化學(xué)極化和濃度極化引起的電阻總和。極化電阻活性物質(zhì)的性質(zhì)，電極的結(jié)構(gòu)，電池的制造工藝，特別是電池的運(yùn)行條件，隨著相關(guān)、放電制度和放電時(shí)間的變化而變化。1.6電池性能指標(biāo)，電池工作電壓，概念：電池工作電壓(也稱為負(fù)載電壓，放電電壓)表示電流流出電路時(shí)電池水平之間的電勢(shì)差異。工作電壓總是小于開放電壓。E=U打開時(shí)，U=E I R內(nèi)部=E I (R Rf)，R內(nèi)部為U。電池放電的三種茄子方法：恒電流放電、恒電阻放電和恒功

13、率放電。1.6電池的性能指標(biāo)，在一定電阻放電時(shí)電壓和電流隨著時(shí)間的推移逐漸降低。恒流放電時(shí)，電壓隨著時(shí)間的推移逐漸降低。靜電放電時(shí)，如P=IV所示，電壓隨時(shí)間逐漸降低，電流逐漸增加。放電電流與放電時(shí)間的關(guān)系，電壓與放電時(shí)間的關(guān)系，電力與放電時(shí)間的關(guān)系，1.6電池的性能指標(biāo)，放電電流是電池運(yùn)行時(shí)的輸出電流，通常稱為放電率，通常以時(shí)間(小時(shí))和倍率表示。時(shí)間比率：以放電時(shí)間表示的放電速度，即用特定放電電流裝入全部容量所需的時(shí)間(H)。例如：額定容量為10Ah的電池在以2A電流放電時(shí)，10Ah/2A=5 h，即電池以5小時(shí)的速度放電?？s放：當(dāng)電池在指定時(shí)間內(nèi)裝滿容量時(shí)，以電池容量值的倍數(shù)顯示的電流值

14、。例如：一個(gè)10Ah電池，2C放電(C表示電池容量)為放電電流210=20(A)，相應(yīng)的時(shí)間比例為10Ah/20A=0.5h。換句話說，電池以0.5小時(shí)的速度放電。放電率低于0.5C的通常稱為低倍率。0.53.5C稱為中等比例。3.57C是高比例。大于7C的超高比例。1.6電池性能指標(biāo)，標(biāo)題：已知：電池額定容量15 Ah，放電時(shí)間為2時(shí)對(duì)應(yīng)的放電電流密度Id是多少A？放電率是多少？放電電流Id=5A時(shí)，放電時(shí)間和放電比例X分別是多少？放電比例為0.2C時(shí)，放電時(shí)間和放電電流Id分別是多少？1.6電池性能指標(biāo)，初始工作電壓和結(jié)束電壓，初始工作電壓：電池放電開始的電壓。終止電壓：電池電壓下降到不適合繼續(xù)放電的最低工作電壓。結(jié)束電壓與電池放電條件、電池容量和壽命要求相關(guān)。1.6電池的性能指標(biāo)，溫度與放電曲線的關(guān)系，放電溫度高時(shí)放電曲線的變化相對(duì)平坦，溫度低時(shí)曲線的變化越大。溫度越低，離子運(yùn)動(dòng)速度越慢，歐姆的電阻大小越大，因?yàn)闇囟忍蜁r(shí)電解質(zhì)凍結(jié)，不能通電。同時(shí)，由于溫度下降電化學(xué)極化和濃度極化也增加，放電曲線變化得更快。鉛酸蓄電池不同溫度下的放電曲線，1.6電池的性能指標(biāo)，電池容量和比率容量，概念：電池容量是指在特定放電條件下從電池獲得的電力，單位通常以安培時(shí)間(Ah)表示?？煞譃槔碚撊萘?、額定容量和實(shí)際容量。理論容量(C0):假設(shè)所有活性物質(zhì)都參與電池的層流反應(yīng)，那么給定的電可以根