新能源材料论文图文稿

新能源材料论文

集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

新能源材料的研究进展及其应用

摘要: 新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现可持续发展的重要途径, 新能源材料是引导和支撑新能源发展的重要基础,对新能源的发展发挥了重要作用,一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生。在新能源系统中得到了大量应用。主要介绍目前在新能源发展过程中发挥重要作用的锂离子电池关键材料、相变储热材料及储氢材料等新能源材料的现状应用及存在问题。

关键词:新能源; 储热；储氢

Progress in Research of Green Energy Materials Abstract: New energy materialsrefers to thefunctional materialorstructure function integration material supportingthe development of new energy,withenergy storage and conversionfunction. Utilizing green energy is one of the ways to decrease carbon em ission, optimize energy structure and realize sustainable development. New energy materials are important for guiding and supporting the development of new energy and are extensively used in the new energy systems. Current status and existing problems of some new energy materials that play important roles in the developing process of new energy, such as related materials for batteries, and

hydrogen energy and fuel cells, phase change thermal storage materials and hydrogen storage materials are briefly introduced. Key words: new energy; thermal storage；hydrogen storage

引言

新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影

响的5个技术领域之一。新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次能源中的氢能等。新能源材料是指支撑

新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化

材料。[1]新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用,一些新能源材料

的发明催生了新能源系统的诞生,一些新能源材料的应用提高了新能源系统的效率,新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本。本文主要介绍锂离子电池关键材料、相变储热材料及储氢材料等新能源

材料的现状及存在问题。

1. 锂离子电池关键材料

新能源汽车用锂离子动力电池和新能源大规模储能用锂离子电池也已日渐成熟,市场前景广阔。近10年来锂离子电池技术发展迅速,其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg,比功率达到2 000W /kg,循环寿命达到1 000次以上。[2]在此基础上,如何进一步提高锂离子电池的性价比及其安全性是目前的研究重点,其中开发具有优良综合性能的正负极材料、工作温度更高的新型隔膜和加阻燃剂的电解液是提高锂离子电池安全性和降

低成本的重要途径。

1.1 锂离子电池正极材料应用及相关问题

锂离子电池的正极材料比容量目前仅130 mAh/g左右,远低于负极材料350 mAh/g的比容量,成为锂离子电池容量的限制因素,因此改善正极材料性能是提高锂离子电池性能的关键因素之一。LiCoO2一直是锂离子电池的主导正极材料。它是一种具有层状结构的化合物,为A-NaFeO2六方形结构, R3m空间群,其理论比容量为274 mAh/g,实际比容量为140~155 mAh/g,平均电压317 V[3]。LiCoO2可以快速充放电,在2175~413 V范围内,锂离子在LixCoO2中可可逆脱嵌,材料具有较好的结构稳定性和循环性能[4]。但LiCoO2热稳定性较差,同时当充电电压由413 V提高到414 V时,LiCoO2的晶格参数c由1144 nm急剧下降至1140 nm,导致其电化学性能和安全性能下降[5]。尖晶石结构LMi n2O4正极材料具有比LiCoO2更好的安全性,而且价格低廉,特别适用于动力电池。LMi n2O4属于立方晶系,为Fd3m空间群,其理论比容量为148 mAh/g,实际比容量一般在

115~125 mAh/g之间,在313~4135 V之间充放电时可逆性好[6]。但尖晶石LMi n2O4在3 V附近过渡嵌锂时,易发生Janh-Teller效应,由尖晶石结构向四方结构转变,电化学性能急剧下降。未改性的尖晶石LMi n2O4循环衰减较快, 50e以上容量衰减更快。目前通过向尖晶石LMi n2O4中引入适当的金属离子和氧,氟,碘,硫,硒等阴离子进行掺杂,或进行颗粒表面包覆改性,有效提高了其在高温下的循环稳定性。目前存在的主要问题是材料的比表面积较大,震实密度偏小,加工性能较差,这些问题在一定程度上制约了该材料在锂离子电池中的应用。

1.2 锂离子电池负极材料应用及相关问题

目前锂离子电池用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,实际比容量达到350 mAh/g左右[7]。锡氧化物是最早开始

研究的锡基嵌锂材料,具有较高的首次容量(1 200 mAh/g),但在首次充放电过程中易生成氧化锂,产生较大的首次不可逆容量,此外在充放电循环

过程中材料的体积变化大,易造成材料的结构破坏,导致材料循环性能下

降[8]。为抑制材料的结构破坏,开发了由SnO, B2O3, P2O5复合而成的

非晶态复合材料,在此材料中, SnO弥散分布于惰性组分B2O3,P2O5中,这些不参与嵌脱锂的惰性组分抑制了材料的体积变化,改善了材料的循环性能,但材料的不可逆容量仍较大[9]。为降低材料的不可逆容量,同时保持材料结构的稳定,材料研究者先后研发出多种由活性组分(Sn)和惰性组分(Sb, Cu, N,i Fe, Co等)形成的金属间化合物、合金及非晶材料,其中SnCo非晶材料为成功的一例,其首次放电容量为586 mAh/g,库仑效率为87%,在前15次循环过程中,循环保持率为95%。Li4Ti5O12是一种具有尖晶石结构的可嵌锂电极材料,在脱/嵌锂离子过程中,该材料在Li4Ti5O12

与Li7Ti5O12之间进行两相转变,二者的晶格常数几乎相同,体积变化小

于1%,因而被称之为/零应变材料,与目前商业化较多的碳负极材料相比, Li4Ti5O12具有放电平稳,电压指示明显,首次充放电过程中不形成SEI膜,不易产生枝晶,与电解液相容性好以及锂离子扩散系数大等特点[10]。但Li4Ti5O12仍存在着导电性较差,容量不高以及平台电压较高等问题。

2.相变储热材料

相变材料(PCM)主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。无机PCM包括结晶水合盐，熔融盐，金属合金和其他无机物；有机类PCM包括石蜡，