蓄电池技术的现状和发展趋势

正极反应 : NiOOH+ H 2O+ e-
Ni( OH) 2 + OH -
溶剂中形成。 负极以炭材料为例 , 反应式为 : XLi+ x e- + nC LixCn 正极 以 LiCoO2 为 例 , 反 应 式 为 : LiCoO2 CoO2 + xLi+ + xe4. 2. 1 电池的正极 : 锂离 子的正 极材料 有 LiCoO2、 LiNix Co1- x O2、 LiMn2O4 等 , 它 们 可 逆 地 使 Li+ 嵌 出 / 嵌 入 , 成其 中 LiCoO2 性能 稳 定 , 研 究较 为 成熟。 LiMn2O4 有尖晶石、 正交及层 状结 构等 , 电 压和 容量 较高 , 是 研 究的热点。为了 提高性 能 , 对现 有的 正极 材料 进行 掺 杂改性处 理 , 如 Li- Co1- x Nix 、 Li1- x 、 Mn2O4 等。 目前 多 数的锂 电池正极采 用 LiCoO2, 小部分 产品开始采 用 Li Ni0. 8Co0. 2O2 及 L iMn2O4。 4. 2. 2 电 池的 负极 : 作 为锂 电池 的负 极应 满足 以 下要求 : Li 有较高的嵌入量 ; 对 Li+ 的嵌入、 嵌出好 的可 逆性 ; 低的 电化当量 , 高 的热 稳定 性和 化学 稳定 性 ; 易 于加工成型。目前在生产中已 使用的负 极材料是碳 素 材料。目前 , 对碳素材料的研究已非 常深入 , 锂离子 的 嵌入量已 超 过 LiC6 的计 量 值 , 达 到 500 mAh/ g 。近 年 来 , 非碳 类新型 LIB 负 极材 料也在 引起 人们的 广泛 关 注。这些材料主要有氮化物 和氧化物。氮 化物中主 要 有反萤石结构的 Li- M- N( M 表示 过渡金 属元素 ) , 另 一种是 Li3N 结构。氧化物中研究较多的是锡氧化 物。 4. 3 发展趋势 : 随着 电子产 品的 日新 月异 , 对电 源 的要求越来越高 , 而 LIB 的发展 趋势为 : 继续 开发新 材 料 , 以便进一 步提 高性 能、 降低 成本。 研究 的热 点为 : 研究新型 LiFePO4 材料 的可适 应性 ; 研 究高 比容 量、 安 全性优于 LiCoO2 的 Mn 基材料 ; 可替代石墨的负极材料 的研究及应用。近来日本采用 等离子喷 涂技术制备 了 无定型硅合金 薄膜 , 具有 对锂 的良好 的贮 存能 力和 循 环稳定性。 5 结论
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蓄电池技术的现状和发展趋势
邱宝玉 蒋柏泉 白兰丽 肖正强
( 南昌大学环境科学与工程学院 江西南昌 330029) 摘 要 : 介绍了铅蓄、 Cd/ Ni 、 MH/ Ni、 锂离子四种蓄电池 的原理、 特征 和发展现 状 , 分析 Cd/ Ni 蓄电 池 MH/ Ni 蓄电池 锂离子蓄电池
镍镉 蓄电 池 最早 是 在 1899 年 由 瑞 典 人 Waldemar
2005 年 3 月 负极反应 :MH+ OH 放电 充电
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M + H 2O+ e放电 充电
嵌而进入负极 , 放电 时 , Li + 又从 负极 材料 中脱 嵌而 进 入正极 , 电 解液采用电解质 LiCl04 或 LiPF6 溶 解于有 机
1994, 24( 1) : 29 [ 8] Moseley P T, Rond D A J. Proceeding of 8th European Lead Bat t ery Conference[ C] . Netherlands: Elsevier, 2003 [ 9] Chen L. Advanced nanocrystalline Zr- based AB 2 hydrogen storage elect rode mat erials for NiMH EV bat teries [ J ] . J Alloys and Comp, 1999( 293- 295) ; 508- 520. [ 11] US Kline&Company lnc. Global Opportunit ies in Advanced Bat t ery Technologies, 2001 ! 2010 [ R ] . 2001.
PbSO4+ H + + 2e放电 充电
3 镍氢蓄电池 ( MH/ Ni) MH/ Ni 蓄电池是 1976 年发明的 , 直到 80 年代 末仍 然停留在实验 室阶段 , 技 术难 点的关 键是 找不 到合 适 的吸氢材 料。MH/ Ni 蓄 电池 真 正工 业 化生 产 是 从 20 世纪 90 年代 初期 开始 的。电池 有以 下特 点 : 容 量高 ; 无镉污染 , 无记忆效应 ; 可快 速充电 , 低温性能 好 ; 无 枝 晶生成 , 防止了电池内微短路。 3. 1 MH/ Ni 蓄电池的工作原理 电池是以金属 氢化 物为 负极、 氧 化镍 为正 极组 成 的碱性蓄电 池。如果 M 表示 贮氢 合金 材 料 , MH 即 为 其金属氢化物。
铅酸蓄电池是 1859 年由法 国人普 朗特发 明的 , 至 今已经有了一百多年的历史 , 是目前使 用最广泛、 技术 最成熟的电 池之 一。它具 有以 下特 征 : 电池 电动 势高 ( 2V) , 能大电流放 电 , 可在 较宽的 温度 范围内 使用 , 性 能稳定可靠。 1. 1 铅酸蓄电池的工作原理 电池的正极活 性 物质 为 PbO2, 负 极为 海绵 状 Pb, 电解液为硫酸的水溶液。 负极反应 : Pb+ HSO4
放电 充电
Cd( OH) 2+ 2e放电 充电
正极反应 : NiOOH+ H2O+ e-
N i( OH) 2+ OH -
2. 2 发展趋势 : 由于存在着镉的污染以及电池 的记 忆效应等不足 , 使得 该电 池在 使用和 开发 上都 受到 了 限制。由于其它 新的电 池技 术目 前尚 不完 全成 熟 , 镍 镉蓄电池在一定时期内仍 然占据着很 大的市场。随 着 科技的发展 , 镍镉电池将有逐步 被 MH/ Ni、 锂离子等 绿 色蓄电池所取代的趋势。
4. 1 锂 离子蓄电池的工作原理 LIB 正负极材料为层状结构 , 充电时 , Li+ 从正极脱
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无论是新型的 MH/ Ni 、 锂离子 等绿色蓄 电池 , 还是 传统的铅酸蓄电池都存在广阔 的研发 和创新 空间。 21 世纪的蓄电池产业会更加辉煌。
[ 6] 孔 德龙 . 从 9ABC 看铅 蓄电 池的 发展 [ J ] . ∀ 蓄电 池 # , 2002 ( 1) . [ 7] 黄震谦, 赖为华 . 高性能 MH/ Ni 电池的研究 概况 [ J] . 电池 ,
几种电池在新世纪的发展趋势。 关键词 : 铅酸蓄 电池
前言 随着科技的发展 和人 类社 会的 不断 进步 , 人 们对 蓄电池的要求越来 越高 , 在 新世纪 必将 掀起 蓄电 池技 术革命新浪潮。目 前铅蓄 、 Cd/ Ni、 MH/ Ni、 锂 离子 四种 蓄电池构成了蓄电 池工 业的 支柱 , 它们 占据 了世 界蓄 电池市场的绝大部分。 1 铅酸蓄电池
正极反应 : PbO2 + 3H + + HSO4 + 2e
PbSO4 +
2H2O 1. 2 发展趋势 : 完善 VRLA( 阀控 式铅 酸蓄电 池 ) 技 术 ; 优化电池设计 , 以 满足 不同 用途 的电 性要 求 ; 进一 步确认 VRLA 的可靠性 , 使其成为新型 12V 和 36V 实用 化汽车电池 ; 目前 流行 的圆 筒式、 水平、 双 极性、 胶 体、 智能型等多种阀控 式电 池 , 以其独 特的 性能 越来 越受 到人们的重视。 2 镍镉蓄电池
Abstract: This thesis has introduced the theory , performance and developmental status of Lead- acid batteries, MH/ Ni batteries, Ni/ Cd batteries and L ithium- ion batteries four kinds secondary batteries and analyzed the development trends of the secondary batteries in new century. Keyword: Lead- acid batteries MH/ Ni batteries Ni/ Cd batteries and Lithium- ion batteries
放电 充电 放电 充电
3. 2. 1 电池的正极 : 电池的正极采用高能 密度镍正 极 , 其容量密度 要大 于 0. 52Ah/ cm 。覆 钴型 氢氧 化镍 是一种新型正极材料 , 用它制 作电池时 加入粘结剂 后 , 可直接投入泡沫镍中 , 简化了 电池的生 产程序 , 不增加 成本 , 而性能显著改善。 3. 2. 2 电池的负极 : 储氢材料的选择是改 种电池生 产的关键技 术。对负 极储 氢材 料的 要求 : 有 效储 氢量 大 , 每 单位 质量的 吸氢 容量要 求达 到 260mAh/ g 以 上 ; 吸放氢速度快 , 氢 在合 金中的 扩散 速度 快 ; 寿 命长 , 要 保证使 用寿命 达到 反复使 用 510 次以上 ; 耐 腐蚀 性能 好 ; 具有优良的电催 化性 能。现在 使用的 MH/ Ni 电池 的储氢 材料 大 多 选 择 钛 镍 系 ( ABO2 型 ) 和 稀 土 镍 系 ( ABO5 型 ) 。目前 国外 已经 开发 出 ABs 合 金和 纳 米级 负极材料。 3. 3 发展 趋势 : 目前 MH/ Ni 电池仍 然存 在着 很多 的技术问题 : 循环次数低 , 深充、 放循环不 好 ; 放 电电流 低于 Cd/ Ni 电池 , 不适于大 功率脉冲 放电 , 也不 能快速 充电。因此 MH/ Ni 电池下一 步的 主要 研究方 向为 : 进 一步提高电性能 : 目前 大量 生产的 AA 电池 容量 已达 到 1500mAh, 日本 三 洋 公司 的 AA 电池 的 标 准 容量 为 1500 ! 1600mAh; 发 展 高 功 率 电 池 技 术 : 目 的 是 扩 展 MH/ Ni 电池用于电动 工具 , 混 合动 力车 以及 开发 汽车 用 42V 电机电池系统等。 4 锂离子蓄电池 ( LIB)
2
Li1-
x
锂离子蓄电 池 ( LIB) 是近 年来 的新 型高 能量 二次 电池 , 1992 年日 本索 尼公司 率先 推出 1Ah 级 商品 锂蓄 电池。 LIB 有如 下 特点 : 电压 高 , 工 作 电压 在 3. 6V 左 右 ; 比能量高 , MH/ Ni 电池的 1. 5 倍 ; 循环寿 命长 , 多数 已达 1000 次 : 自放电小 , 室温 每月自 放电率 小于 10% ; 工作范围宽 , 能在 - 20~ 60 下工作。
参考文献 :
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Junger 发明的 , 镍镉电池的特点 有: 使用 寿命长 , 自 放电 小 , 使用温度宽 ( 动等。 2. 1 镍镉蓄电池的工作原理 40 ) , 耐 过充电、 过 放电 , 耐冲 击震
电池的正极为 NiOOH, 负极为海绵 状镉 , 电解液 为 KOH 或 NaOH 的水溶液。 负极反应 : Cd+ 2OH 放电 充电
The Status and Prospects of Secondary Batteries
Qiu Bao- yu, Jiang Bo- quan, BaiLan- li, Xiaozheng - qiang ( Envir onmental and Chemical Engineering SBiblioteka Baiduhool o f Nanchang Unversity , Nanchang 330029, China)