新能源材料1~3章

❖ 核能材料
（1）包壳材料； （2）核燃料； （3）聚变堆的第一壁材料； （4）核废料的处理。
第一篇 新型二次电池概述
❖ 新型二次电池概述 ❖ 金属氢化物镍电池材料 ❖ 锂离子电池材料
第1章 新型二次电池材料
1 二次电池 2 Ni/MH二次电池 3 锂离子二次电池
二次电池
❖ 放电时通过化学反应可以产生电能，通以反向电流（充 电）时则可使体系回复到原来状态，即将电能以化学形 式重新储存起来。这种电池称为二次电池或蓄电池。
第2章 金属氢化物镍电池材料
❖ 高密度球形Ni(OH)2正极材料 ❖ 储氢合金材料 ❖ AB2型Laves相储氢电极合金 ❖ 其他新型高容量储氢电极合金、 ❖ Ni/MH电池材料的再生利用
2.1高密度球形Ni(OH)2正极材料 2.1.1 球形Ni(OH)2的基本性质与制备方法
Ni(OH)2是涂覆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+。电极的充放电反应式为：
➢太阳能、生物质能、核能（新型反应堆）、风能、地热 、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。
➢太阳能利用技术、氢能利用技术、核电技术、化学电能 技术、生物质能应用技术、风能、海洋能与地热应用技术 、潮流能利用技术、地热能技术。
➢新型二次电池材料、燃料电池材料、太阳电池材料及核 能材料。
新能源材料的主要进展
（1）钴的影响 在Ni(OH)2中添加Co可提高Ni(OH)2的利用率、 增加电化学过程中Ni2+/Ni3+间反应的可逆性及改善传 质和导电性能。此外掺钴还能提高析氧电位，降低电池 内压，提高Ni(OH)2的利用率。掺加量在2%以下较 合适，过高会增加电池的自放电率，影响其他电学性能
。 （2）锌的影响 掺锌提高析氧电位、细化微晶晶粒、抑制过充时γNiOOH的产生并可减少电极体积膨胀
❖ 燃料电池材料
（1）质子交换膜型燃料电池 （ PEMFC材料） （2）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC材料） （3）固体氧化物燃料电池（SOFC材料）
❖ 太阳电池材料
太阳能电池发展的制约因素： （1）接受面积的问题； （2）能量按时间分布不均匀的问题； （3）电池材料的问题； （4）成本问题。
太阳能电池材料的进展： （1）发展材料工艺，提高转换效率； （2）发展薄膜电池，节约材料消耗； （3）材料的大规模加工技术； （4）与建筑相结合。
❖ 金属氢化物镍电池材料
（1）正极材料的改善，如改进球形Ni/(OH)2 （2）AB5型储氢合金的改进 （3）新型高容量储氢电极合金的研究与开发，如Ni/MH合
金、Mg-Ni系合金
❖ 锂离子二次电池材料
（1）碳负极材料 （2）纳米合金材料，如纳米Sn、SnSb、SnAg等 （3）正极材料，如LiCoO2 （4）电解质材料
充电 放电LiC6
电池反应
充 电 LiCO2+C6放 电CoO2+LiC6
商用锂离子电池按形状分类有圆柱形、方形和 扣式。按正极材料分类，有氧化钴锂型、氧化 镍锂型和氧化锰锂型。
❖ 锂离子电池的前景展望
（1）发展电动汽车用大容量锂离子电池； （2）开发及使用新的高性能电极材料； （3）加速聚合物锂离子电池的实用化进展。
Ni/MH电池正极材料初期采用Ni/Cd电池用的烧结式正极； 随后采用高孔率泡沫或纤维镍和球形Ni(OH)2制造的氧化镍 材料；目前生产Ni/MH电池所用的储氢负极材料有AB5型合 金和AB2型合金两种。
锂离子二次电池
❖ 工作原理
正极反应 负极反应
LiCO2充 放电 电CoO2+Li++e
Li++e+C6
❖ 分类：铅酸电池、镉镍电池、锌镍电池、金属氢化物镍 电池、锂高温电池及锂离子电池等（绿色电池）。
❖ 研究热点：储氢材料及金属氢化物镍电池；锂离子嵌入 材料及液态电解质锂离子电池；聚合物电解质密度高，同尺寸电池，容量是Ni/Cd电池的 1.5~2倍； ② 无镉污染，又称绿色电池；③ 可大电流快速 充电； ④ 工作电压为1.2V，与Ni/Cd电池有互换性。
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新能源材料
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第一章 概述
人类社会对能源的需求与面临的挑战
能源需求的持续增长;
能源结构的变化；
一次性商品能源（原煤、原油、天然气、水电）到二次电 池的发展
矿物能源面临枯竭的前景； 矿物燃料燃烧造成的环境污染；
如：矿物燃烧时放出的SO2、CO、CO2、NOx、烟尘等。
新能源、新能源技术与新能源材料
在充放电过程中，各种晶型的转变关系如下图：
❖ 制备方法
主要有化学沉淀晶体生长法（制备的 Ni(OH)2综合性能较好）、镍粉高压催化氧化法 及金属镍电解沉淀法。
2.1.2影响高密度球形Ni(OH)2电化学性能的因素
主要因素有化学组成、粒径大小及粒径分布、密度、 晶型、表面形态和组织结构等。
化学组成的影响
（3）钙、镁的影响
钙镁过高（>0.02%）会降低Ni(OH)2的活性，阻止 Ni(OH)2中的质子的传递，妨碍Ni2+/Ni3+的相互转化、 加速容量和电压平台的衰减和影响电池循环寿命。
（4）铁的影响
含有较高的铁，增加电池的自放电，影响电池正常 使用。
N i(O H ） 2+O H -充 放 电 电 N iO O H +H 2O +e
高密度球形Ni(OH)2能提高电极单位体积的填充 量和放电容量，且具有良好的充填流动性；松 装密度大于1.5g/mL、振实密度大于2.0g/mL的球形 Ni(OH)2为高密度球形Ni(OH)2。
Ni(OH)2存在α、β两种晶型， NiOOH存在β、γ两种晶型。 目前生产Ni/MH电池使用的Ni(OH)2均为β型。
原理：
电池反应 Ni(OH） 2+M充 放 电 电 NiOOH+M H
正极
N i(O H ） 2+O H -充 放 电 电 N iO O H +H 2O +e
负极
M+H2O+e充 放电 电MH+OH-
商品Ni/MH电池的形状有圆柱形、方形和扣式等多种类型； 按电池的正极制造工艺分类，则有烧结式和泡沫镍式（含 纤维镍式）两大类型。