新能源材料复习资料-13材化

新能源材料复习资料-13材化

新能源材料（华东理工出版社）

第一部分前言、概述和锂离子电池

相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源枯竭（特别是化石能源）具有重要意义。

新能源材料是指支撑新能源发展，具有能量储存和转换功能的功能材料或结构的功能一体化材料。

能源按其形成方式分为一次能源和二次能源。

一次能源包括以下三大类：

1)来自地球以外天体的能量，主要是太阳能；

2)地球本身蕴藏的能量、海洋和陆地内储存的燃

料、地球的热能等；

3)地球与天体相互作用产生的能量，如潮汐能。

能源按照其循环方式分为不可再生能源（化石燃料）和可再生能源（生物质能、氢能、化学能源）；按照使用性质可分为含能体能能源（煤炭、石油等）和过程能源（太阳能、风能等）；按环境保护要求可分为清洁能源（太阳能、氢能、风能、潮汐能等）和非清洁能源；按现阶段的成熟程度可分为常规能源和新能源。

主要的八种新能源：太阳能、氢能、核能、生物质能、化学能源、风能、地热能、海洋能。

对应的八种新能源技术：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，海洋能与地热能应用技术；潮流能利用技术；地热能技术。

新能源材料作用：

1)新材料把原来习用已久的能源变成新能源；

2)新材料可提高储能和能量转化效果；

3)新材料决定了新能源的性能和安全性能；

4)材料的组成、结构、制作和加工工艺决定着新

能源的投资和运行成本。

新能源材料的任务和面临的课题：

1)研究新材料、新结构、新效应从提高能量的利

用效率；

2)资源的合理应用；

3)安全与环境保护；

4)材料规模生产的制作与加工工艺；（要求大量

生产，大成品率，高劳动生产率，材料及部件的质量参数异质、可靠性、环保及劳动保护，低成本。）

5)延长材料使用寿命；

锂离子电池的电池参量：

1) 电压 开路电压：ψ正-ψ负 锂电池为3.6～

4.OV ，铅酸蓄电池为12V 。

工作电压：负载后的放电电压。 E 理论>E 开路>E 工作

锂具有较低的电极电位-3.045V 。 2) 放电容量 电池放电时释放出来的电荷量，单

位为A ·h 。且有1A ·h=3600C 。

目前锂离子电池的容量为2550mA ·h 。

欧姆内阻——符合欧姆定律 3) 内阻

电化学极化：由于氧化还原速率小于电子迁移速率而引起的极化；

浓差极化：由于离子扩散速率小于电子迁移速率而引起的极化；

4)电化容量单位质量或体积所能释放出的电

量，单位为mA·h/L或mA·h/Kg.

(涉及相关的公式：Q=znF=It 或者Q/m=zF/M)

5)循环寿命电池在完全充放电循环进行，直到

容量降低为初始的75%的次数即为循环寿命。

6)放电平台 Li电池完全充电后，放电至3.6V

时容量为C

1,放电至3.0V时为C

，那么C

1

/C

称为放电平台。（关系到手机通话时声音清晰度），改平台越宽越好！

7)自放电电池完全充电后，放置一个月，用

1C放电至3.0V，容量记为C

2，初始记为C

,

那么(1-C

2)/C

则为电池一个月的自放电，行

标应小于12%

8)放电速率表示放电快慢的一种量度，例如

1C放电，即为所用的容量1h放电完毕；5h放电完毕，则称C/5放电。≧1C为大电流充放电；≦0.1C时为小电流充放电。

9)记忆效应放电时，会形成次级放电平台，

电池会把该平台作为下次放电点（针对镍镉电池）

消除记忆效应的方法：采用小电流深度放电；

采用大电流充放电几次。

锂离子电池的工作原理：

锂离子电池由正电极、负电极、电解质、隔膜和外部控制电路组成。在充电时锂离子从正极中脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极晶格中，同时得到由外电路从正极流入的电子。放电时，锂离子从负极中脱嵌，通过电解质和隔膜，又嵌入到到正极中，正好与充电过程相反。

正负极材料一般均为嵌入化合物，这些化合物的晶体结构中存在着可供锂离子占据的空位。例如，LiCoO

2

和石墨为具有二维通道的层状结构的典型嵌入化合物，以这两种正负极活性材料组成的锂离子电池的充电时反应式为：

正极：LiCoO

2 Li

1-x

CoO

2

+xLi++xe-

负极：C+xLi+ + xe- Li

x

C

电池总反应：LiCoO

2+ C Li

1-x

CoO

2

+ Li

x

C

锂离子电池特点：

1)工作电压高，达到3.6V，相当于3节Ni-Cd

H电池；

或Ni-M

x

2)能量密度高，锂离子电池质量比能量是镍镉电

池的四倍，镍氢电池的两倍；

3)能量转换效率高，锂离子电池能量转换率达到

96%，镍镉电池为55%～75%，镍氢电池为55%～65%；

4)自放电率小，锂离子电池自放电率小于2%/月；

5)循环寿命长；

6)具有高倍率充放电性；

7)无任何记忆效应，可以随时充放电；

8)不含重金属及有毒物质，无环境污染，是真正

的绿色电源；

用嵌入化合物的优点：锂为最轻的金属；具有最负的标准电极电位；