新能源材料二次电池材料.pptx
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1、第第 二二 章章 二二 次次 电电 池池 材材 料料第二章第二章 二次电池材料二次电池材料2.1 基本概念基本概念2.2概述概述2.3铅蓄电池铅蓄电池2.4锂离子电池锂离子电池2.5锂离子聚合物电池锂离子聚合物电池2.1 基本概念基本概念 2.1.1化学能化学能化学能是一种很隐蔽的能化学能是一种很隐蔽的能量,它不能直接用来做功,只量,它不能直接用来做功,只有在发生化学变化的时候才释有在发生化学变化的时候才释放出来,变成热能或者其他形放出来,变成热能或者其他形式的能量。式的能量。(1)电池电池1:把化把化学能转换成电能的学能转换成电能的装置。装置。如干电池、如干电池、蓄电池。蓄电池。(2)电解池
2、电解池:把把电能转换成化学电能转换成化学能的装置。能的装置。2.1.2 电池电池和电解池和电解池2.1.3电极(电极(electrode)及其称呼及其称呼(1)电极)电极:可以接受电子或放出电子成为中介的导电物质。可以接受电子或放出电子成为中介的导电物质。一个电池氧化反应和还原反应要各自分别进行,所以需要两个一个电池氧化反应和还原反应要各自分别进行,所以需要两个电极。电极。(2)阳极)阳极(anode):进行氧化反应的电极称为阳极。:进行氧化反应的电极称为阳极。阴极阴极(cathode):进行还原反应的电极称为阴极。:进行还原反应的电极称为阴极。(3)正极)正极(positive electr
3、ode):电势高的一极称为正极。:电势高的一极称为正极。负极负极(negative electrode):电势低的一极称为负极。:电势低的一极称为负极。称称呼呼阳阳极极阴阴极极反反应应氧化反应氧化反应还原反应还原反应别别称称电解体系电解体系阳极阳极阴极阴极电池体系电池体系负极负极正极正极碳棒碳棒锌皮锌皮(4)参比电极:把电势稳定、操作容易的电极作为负参比电极:把电势稳定、操作容易的电极作为负极与某一电极组成电池,测电池的电动势即为某一电极与某一电极组成电池,测电池的电动势即为某一电极的电极电势,其中电势稳定的电极称为参比电极,极的电极电势,其中电势稳定的电极称为参比电极,也叫基准电极也叫基准电
4、极。常用的参比电极有银。常用的参比电极有银-氯化银电极、氢氯化银电极、氢电极和甘汞电极。电极和甘汞电极。电电池池电极电极电解液电解液正极正极负极负极阴极阴极阳极阳极电极电极电解液电解液电电解解池池2.1.3电极(电极(electrode)及其称呼)及其称呼2.1.4电池的充电和放电电池的充电和放电(1)电池的放电:电池接在电灯、计算器和)电池的放电:电池接在电灯、计算器和收音机等上面时的使用状态叫做电池的放电。收音机等上面时的使用状态叫做电池的放电。放电是要消耗电池的电能。放电是要消耗电池的电能。(2)电池的充电:电池放电后,由于被外部)电池的充电:电池放电后,由于被外部取走了电能,所以,要使
5、电池恢复原状,必须取走了电能,所以,要使电池恢复原状,必须从外部对电池补充电能。补充电能的过程叫做从外部对电池补充电能。补充电能的过程叫做充电。充电。充电和放电是逆反应。电池充电时进行的是充电和放电是逆反应。电池充电时进行的是电解反应,此时其相当于一个电解池。电解反应,此时其相当于一个电解池。电池为什么能够进行充电呢?充电电池一般有一共同的电化学特性,充电电池一般有一共同的电化学特性,即:其中的化学反应是可逆反应,可以通过即:其中的化学反应是可逆反应,可以通过外加电源,让电能转化为化学能,使放过电外加电源,让电能转化为化学能,使放过电的电池恢复到原来的状态。注意:如果其中的电池恢复到原来的状态
6、。注意:如果其中的化学反应是不可逆的,电池就不能充电,的化学反应是不可逆的,电池就不能充电,否则将造成泄漏、爆炸等事情!否则将造成泄漏、爆炸等事情!讨论:电池的重要指标是什么?电池电压、电池容量和电池寿命电池电压、电池容量和电池寿命2.1.5 电池电压电池电压v电池的标称电压为电池电压的近似值。电池的标称电压为电池电压的近似值。v用用电压表或电压表或万用表可以进行测定万用表可以进行测定v不同类型、不同大小的电池电压也不同不同类型、不同大小的电池电压也不同2.1.6电池容量电池容量 容量是指电池容量是指电池存储存储电量的大小。电池容量的单位电量的大小。电池容量的单位是是“mAh”,中文名称是毫安
7、时(在衡量大容量电池,中文名称是毫安时(在衡量大容量电池如铅蓄电池时,为了方便起见,一般用如铅蓄电池时,为了方便起见,一般用“Ah”来表示,来表示,中文名是安时,中文名是安时,1Ah=1000mAh)。)。不同型号,抛开体积和重量的因素不同型号,抛开体积和重量的因素,当然容量越高当然容量越高越好越好.但是同样的电池型号但是同样的电池型号,标称容量标称容量4(比如比如600mAh)也也相同相同,实际测的初始容量不同实际测的初始容量不同:比如一个为比如一个为660mAh,另另一个是一个是605mAh,那么那么660mAh的就比的就比605mAh的好吗的好吗.2.1.7使用寿命使用寿命使用寿命:蓄电
8、池每充电、放电一次,叫做一使用寿命:蓄电池每充电、放电一次,叫做一次充放电循环,蓄电池在保持输出一定容量的情况下次充放电循环,蓄电池在保持输出一定容量的情况下所能进行的充放电循环次数,叫做蓄电池的使用寿命。所能进行的充放电循环次数,叫做蓄电池的使用寿命。自身放电:正极与负极反应的溶液要经过长时自身放电:正极与负极反应的溶液要经过长时间会逐渐混合,放电在电池中进行,这种现象叫间会逐渐混合,放电在电池中进行,这种现象叫做自身放电。做自身放电。2.1.8自身放电自身放电2.1.9一次电池(一次电池(primary battery)与二次电池与二次电池(secondary cell)(1)一次电池)一
9、次电池:电池内的活性物质因放电而消耗,用电池内的活性物质因放电而消耗,用完就扔的、不能再进行充电的电池称为一次电池,比完就扔的、不能再进行充电的电池称为一次电池,比如锰干电池。经济实用,但浪费材料,丢弃物还容易如锰干电池。经济实用,但浪费材料,丢弃物还容易污染环境。污染环境。(2)二次电池:可以反复进行放电、充电的电池叫二次电池:可以反复进行放电、充电的电池叫做二次电池,也叫蓄电池,比如铅蓄电池。做二次电池,也叫蓄电池,比如铅蓄电池。可以用到可以用到不能再充不能再充电复原复原为止止。放电时负极上发生氧。放电时负极上发生氧化反应,正极上发生还原反应。化反应,正极上发生还原反应。充电时,负极上发生
10、充电时,负极上发生还原反应,正极上发生氧化反应。还原反应,正极上发生氧化反应。2.1.9 电池的分类电池的分类电电池池能否重复使用能否重复使用一次电池一次电池二次电池二次电池电电解解液液的的状状态态湿电池湿电池干电池干电池2.1.9电池的分类电池的分类电电池池能否重复使用能否重复使用一次电池一次电池二次电池二次电池电电解解液液的的状状态态湿电池湿电池干电池干电池通过向电解液中添通过向电解液中添加明胶或淀粉等物加明胶或淀粉等物质使其糊状化的电质使其糊状化的电池池2.1.9 电池的分类电池的分类电电池池能否重复使用能否重复使用一次电池一次电池二次电池二次电池电电解解液液的的状状态态湿电池湿电池干电
11、池干电池电解液处电解液处于流动状于流动状态的电池态的电池2.1.9 电池的分类电池的分类电电池池能否重复使用能否重复使用一次电池一次电池二次电池二次电池电电解解液液的的状状态态湿电池湿电池干电池干电池形状形状圆柱形电池圆柱形电池纽扣电池纽扣电池扁平形电池扁平形电池2.1.9 电池的分类电池的分类电电池池能否重复使用能否重复使用一次电池一次电池二次电池二次电池电电解解液液的的状状态态湿电池湿电池干电池干电池形状形状圆柱形电池圆柱形电池纽扣电池纽扣电池扁平形电池扁平形电池当前世界电池工业发展的当前世界电池工业发展的3个特点:个特点:绿绿色色环环保保电电池池迅迅猛猛发发展展,包包括括锂锂离离子子电电
12、池池、镍氢电池等;镍氢电池等;一一次次电电池池向向二二次次电电池池转转化化,这这符符合合可可持持续续发发展战略;展战略;电池进一步向小、轻、薄方向发展。电池进一步向小、轻、薄方向发展。2.2概述概述二次电池是能够通过反复充电与放电储存二次电池是能够通过反复充电与放电储存电能,根据需要向外界提供直流电的电源,常电能,根据需要向外界提供直流电的电源,常用做能够运输、储藏的电源。用做能够运输、储藏的电源。二二次次电电池池镍镍-氢二次电池氢二次电池锂离子二次电池锂离子二次电池镍镍-镉二次电池镉二次电池铅铅蓄蓄电电池池电池的种类电池的种类 负极活性物负极活性物质质电解质电解质正极活性物正极活性物质质标准
13、电标准电压压/V铅蓄电池铅蓄电池Pb/PbSO4H2SO4水溶水溶液液PbO2/PbSO42.0镍镍-镉二次镉二次电池电池Cd/Cd(OH)2KOH(LiOH)水溶液水溶液NiOOH/Ni(OH)21.2镍镍-氢二次氢二次电池电池LaNi5H6/LaNi5KOH(LiOH)水溶液水溶液NiOOH/Ni(OH)21.2锂离子二次锂离子二次电池电池C6Li/C6LiPF6(EC+DEC)Li0.4CoO2/LiCoO23.8电池种类电池种类镍镉电池镍镉电池镍氢电池镍氢电池 铅酸电池铅酸电池 锂离子电池锂离子电池能量密度能量密度40-6060-8030100循环周期循环周期1500500200-30
14、0500-1000高速充电耗时高速充电耗时1-1.5 h2-4 h8-16 h3-4 h过量充电容忍度过量充电容忍度适中适中低低高高非常低非常低每月自身电力散每月自身电力散逸度逸度20%30%5%10%使用温度范围使用温度范围()-40至至60-20至至60-20至至60-20至至60 保养耗时保养耗时30-60天天60天天3-6个月个月不需要不需要 市场推出时间市场推出时间1950199019701991二二次次电电池池镍镍-氢二次电池氢二次电池锂离子二次电池锂离子二次电池镍镍-镉二次电池镉二次电池铅铅蓄蓄电电池池1902年年Jngner发明的。发明的。镍镍-镉二次电池的优缺点镉二次电池的优
15、缺点优优点点自身放电少自身放电少输出功率大输出功率大耐过充电过放电耐过充电过放电缺点:价格高,负极材料镉有毒、会污染环境。缺点:价格高,负极材料镉有毒、会污染环境。二二次次电电池池镍镍-氢二次电池氢二次电池锂离子二次电池锂离子二次电池镍镍-镉二次电池镉二次电池铅铅蓄蓄电电池池二十世纪八十年代二十世纪八十年代末出现的新型二次末出现的新型二次电池电池镍镍-氢二次电池的优点氢二次电池的优点镍镍-氢二氢二次电池次电池和和Ni/Cd电池相比电池相比不含有毒金属镉不含有毒金属镉能量密度高能量密度高无记忆效应无记忆效应自从锂离子电池出现以来,镍氢可充自从锂离子电池出现以来,镍氢可充电电池的市场正在逐渐被锂离
16、子电池产品电电池的市场正在逐渐被锂离子电池产品蚕食,并且随着高功率锂离子的出现镍蚕食,并且随着高功率锂离子的出现镍氢可充电电池在传统的电动工具场的优势氢可充电电池在传统的电动工具场的优势也正在一步步丧失。也正在一步步丧失。二二次次电电池池镍镍-氢二次电池氢二次电池锂离子二次电池锂离子二次电池镍镍-镉二次电池镉二次电池铅铅蓄蓄电电池池1894年年开发以来作开发以来作为二次电池的代表为二次电池的代表一直在广泛使用之一直在广泛使用之中中二二次次电电池池镍镍-氢二次电池氢二次电池锂离子二次电池锂离子二次电池镍镍-镉二次电池镉二次电池铅铅蓄蓄电电池池2.3铅蓄电池铅蓄电池(lead acid batte
17、ry)2.3.1概述概述 铅蓄电池又称铅酸电池(俗名电瓶),是铅蓄电池又称铅酸电池(俗名电瓶),是1894年普年普兰特(兰特(Plante)开发的,经过多次改良至今仍在使用。开发的,经过多次改良至今仍在使用。1990年,镍年,镍-氢二次电池应用非常广泛,但日本的二次电氢二次电池应用非常广泛,但日本的二次电池总产量的池总产量的66%是铅蓄电池。是铅蓄电池。2.4锂离子二次电池锂离子二次电池2.4.1 概述概述音频和视频等装备的便携化小型化二十世纪八十年代中期开始二十世纪八十年代中期开始促促进进作为电源的电池从干电池向可充电电池的过渡促促进进镍-镉二次电池的大容量化二十世纪九十年二十世纪九十年代达
18、到了其技术代达到了其技术的极限,其放电的极限,其放电容量不可能再有容量不可能再有大的提高大的提高2.4锂离子二次电池锂离子二次电池2.4.1 概述概述音频和视频音频和视频等装备的便等装备的便携化小型化携化小型化二十世纪八十年代中期开始二十世纪八十年代中期开始促促进进作为电源的电池作为电源的电池从干电池向可充从干电池向可充电电池的过渡电电池的过渡促促进进镍镍-镉二次电池镉二次电池的大容量化的大容量化开发出镍开发出镍-氢二氢二次电池和锂离次电池和锂离子二次电池子二次电池二十世纪九十年代前后二十世纪九十年代前后至至2004年锂离子电池的销售额高达年锂离子电池的销售额高达44亿美元以上,占二次电池市场
19、份额的亿美元以上,占二次电池市场份额的73,稳居二次电池市场的霸主地位。,稳居二次电池市场的霸主地位。2.4.2锂锂24电池电池自从自从1958 年美国加州大学的一位研究生年美国加州大学的一位研究生提出了锂,钠等活泼金属做电池负极的设想提出了锂,钠等活泼金属做电池负极的设想后,人类开始了对锂电池的研究。而从后,人类开始了对锂电池的研究。而从1971 年日本松下公司的福田雅太郎发明锂氟化碳年日本松下公司的福田雅太郎发明锂氟化碳电池并使锂电池实现应用化商品化开始。电池并使锂电池实现应用化商品化开始。什么是锂电池?锂电池是一类以金属锂或含锂锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的化学电源的总称。物质作
20、负极的化学电源的总称。锂电池的优点优点优点比能量高比能量高电池电压高电池电压高工作温度范围宽工作温度范围宽储存寿命长储存寿命长锂电池的优点优点优点比能量高比能量高电池电压高电池电压高工作温度范围宽工作温度范围宽储存寿命长储存寿命长200450Wh/kg锂电池的优点优点优点比能量高比能量高电池电压高电池电压高工作温度范围宽工作温度范围宽储存寿命长储存寿命长3V左右锂电池的应用移动电话移动电话便携式计算机便携式计算机照相机照相机摄像机摄像机应用应用实用化的锂电池实实用用化化的的锂锂电电池池LiMnO2LiI2LiCuOLiSOCl2Li(CFx)nLiSO2LiAg2CrO4锂电池的缺点缺缺点点安
21、全性能差安全性能差9寿命短寿命短锂电池与锂离子二次电池的关系锂电池与锂离子二次电池的关系25锂电池锂电池锂离子二次电池锂离子二次电池锂电极用碳代替时锂离子电池锂离子电池液态锂离子电池液态锂离子电池(LIB)聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池(PLIB)能量密度高能量密度高循环特性好循环特性好自放电小自放电小输出电压高输出电压高记忆效应小记忆效应小锂离子电池优势锂离子电池优势2.4.2 锂离子二次电池的优势锂离子二次电池的优势无污染无污染质量轻质量轻体积小体积小能量密度高能量密度高循环特性好循环特性好自放电小自放电小输出电压高输出电压高记忆效应小记忆效应小锂离子电池优势锂离子电池优势2.4.2 锂
22、离子二次电池的优势锂离子二次电池的优势300-350Wh/dm3,125-145Wh/kg,且且还在继续提高。还在继续提高。无污染无污染能量密度高能量密度高循环特性好循环特性好自放电小自放电小输出电压高输出电压高记忆效应小记忆效应小锂离子电池优势锂离子电池优势2.4.2 锂离子二次电池的优势锂离子二次电池的优势初始开路电压为初始开路电压为4.1-4.2V,平均,平均工作电压为工作电压为3.6-3.7V。无污染无污染能量密度高能量密度高循环特性好循环特性好自放电小自放电小输出电压高输出电压高记忆效应小记忆效应小锂离子电池优势锂离子电池优势2.4.2 锂离子二次电池的优势锂离子二次电池的优势自放电
23、率在常温自放电率在常温下每月下每月10是镍镉是镍镉电池、镍氢可充电电池、镍氢可充电电池的一半一下。电池的一半一下。无污染无污染能量密度高能量密度高循环特性好循环特性好自放电小自放电小输出电压高输出电压高记忆效应小记忆效应小锂离子电池优势锂离子电池优势2.4.2 锂离子二次电池的优势锂离子二次电池的优势可以循环使用的次数多可以循环使用的次数多,用硬碳材料做负极材料用硬碳材料做负极材料的电池已达到了的电池已达到了1200次次.无污染无污染能量密度高能量密度高循环特性好循环特性好自放电小自放电小输出电压高输出电压高记忆效应小记忆效应小锂离子电池优势锂离子电池优势2.4.2 锂离子二次电池的优势锂离子
24、二次电池的优势在满充电或近乎在满充电或近乎满充电状态长时满充电状态长时间保存后电池的间保存后电池的可放电时间缩短可放电时间缩短的现象的现象无污染无污染2.4.3 锂离子电池的应用锂离子电池的应用应用领域应用领域移动电话移动电话数码产品数码产品动力车动力车电动工具电动工具蓝牙蓝牙备用电源备用电源军事军事我国的研究现状我国科学家从我国科学家从70代末就开始二次锂电池研究,代末就开始二次锂电池研究,80年年代开始,中科院的代开始,中科院的“六五六五”、“七五七五”和和“八五八五”三个三个五年计划期间都把固体电解质二次锂电池列为重点课题。五年计划期间都把固体电解质二次锂电池列为重点课题。“七五七五”国
25、家国家“863”计划启动时,就以储能材料专题计划启动时,就以储能材料专题的名义对二次聚合物锂电池给予了大力支持,包括中科的名义对二次聚合物锂电池给予了大力支持,包括中科院、大学和产业界的院、大学和产业界的11个实验室在专题负责单位中科院个实验室在专题负责单位中科院物理所的协调下,在聚合物电解质、电极材料和电池的物理所的协调下,在聚合物电解质、电极材料和电池的设计、制作方面取得了丰富的成果,为目前我国几千亿设计、制作方面取得了丰富的成果,为目前我国几千亿安时的锂离子电池产业化群体的形成在科学技术和工程安时的锂离子电池产业化群体的形成在科学技术和工程设计以及人员储备等方面都作出了重大贡献。目前我国
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