新能源材料第1讲

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方形Ni/MH电池的结构示意图：
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1.2.3 Ni/MH 二次电池及正负极材料的发展现状
• Ni/MH电池研制和生产初期，厂家采用生产Ni/Cd电池用的
烧结式正极；
• 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；
• 日本、欧洲、亚洲及美国的大多数电池厂家都采用AB5型
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0.1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
• 矿物能源面临枯竭的前景
• 矿物燃料燃烧造成的环境污染
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能源消耗
几个发达国家单位 GDP能耗的变化曲线
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能源结构
能源结构的变化： 一方面反映人类能源技术的进步； 另一方面反映出产业结构和社会生活的变化。
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能源枯竭




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• 太阳能电池材料

发展材料工艺，提高转换效率；
发展薄膜电池，节约材料消耗；


材料的大规模加工技术；
与建筑相结合。

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• 核能材料

包壳材料（使燃料与冷却剂分开）；
核燃料（性能、形貌）；


聚变堆的第一壁材料（要求最苛刻：辐射、真
空、腐蚀等）；

核废料的处理。
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• 超级电容器材料
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1.1.2新型二次电池及其在国民经济中的地位、 作用及发展前景

新型二次电池技术的研究热点：
① 储氢材料及金属氢化物镍电池；
② 锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；
③ 聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池。
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电池技术产业化发展的推动力：
的迅速发展，迫切需要电池小型化、轻型化、长服务时间、



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• 锂离子二次电池材料

碳负极材料（由最初的锂负极发展为现在的碳负极材料）；
纳米合金负极材料； 正极材料（LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO2、复合材料等）； 电解质材料（高性能、高安全）。



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• 燃料电池材料

碱性氢氧电池（AFC） 磷酸型燃料电池（PAFC） 质子交换膜型燃料电池（PEMFC）材料 熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC）
① 改变我国电池工业的现有产业格局，提升二次电池在市 ② 加速我国电池无汞化和无镉化进程，改善目前电池生产
和使用造成严重的环境污染；
③ 逐步满足我国正在迅猛崛起的电子信息产业对绿色环保
电池的需求；
④ 随新型二次电池的开发，推动所需电池材料产业的迅速
发展。
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1.2 Ni/MH 二次电池
1.2.1 Ni/MH 二次电池的生产及其特点 1.2.2 Ni/MH电池的结构和工作原理 1.2.3 Ni/MH 二次电池及正负极材料的发展现 状
•
• •
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• Ni/MH电池的显著优点：
① ② ③ ④
能量密度高，同尺寸电池，容量是Ni/Cd电池的1.5～2倍； 无镉污染，所以Ni/MH电池又称为绿色电池；
可大电流快速充放电；
电池工作电压也为1.2V，与Ni/Cd电池有互换性。
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1.2.2 Ni/MH电池的结构和工作原理
• Ni/MH电池的工作原理
与运行成本。
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新能源材料的任务及面临的课题：
• 研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转
换效率；
• 资源的合理利用；
• 安全与环境保护；
• 材料规模生产的制作与加工工艺；
• 延长材料的使用寿命。
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0.3 新能源材料的主要进展
• 金属氢化物镍电池（Ni/MH）

正极材料（球形Ni(OH)2）的改善； AB5型混合稀土负极储氢合金的改进； 新型高容量储氢电极合金的研究与开发； 电池的再生利用问题。
容量（Ah、F、J）、内阻（ESRAC、ESRDC） 工作温度 功率密度（重量功率密度、体积功率密度） 能量密度（重量能量密度、体积能量密度） 循环寿命、一致性 充放电曲线、放电平台、自放电
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1.1 新型二次电池及其在国民经济中的地位、 作用及发展前景
• 1.1.1 二次电池简介 • 1.1.2新型二次电池及其在国民经济中的地位、作
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1.2.1 Ni/MH 二次电池的生产及其特点
• 20世纪60年代末，发现LaNi5和Mg2Ni等合金具有可逆吸 •
放氢的性能； 1973年，开始研究LaNi5型储氢合金作为二次电池负极材 料； 1984年，研究解决了LaNi5合金在充放电中容量衰减迅速 的问题； 1987年，美国建成试生产线； 我国“863”计划研制出第一代“AA”型Ni/MH电池，并于 1992年在广东中山市建立国家高新技术新型储能材料工程 开发中心和Ni/MH中试生产基地。
进展 ，冶金工业出版社，1998
• （4）陈华辉等. 现代复合材料，中国物资出版社，1998
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主要内容
前言 高性能超级电容器 新型二次电池材料 燃料电池 太阳能电池材料 核能材料
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前言
• 0.1 人类社会对能源的需求与面临的挑战
• 0.2 新能源与新能源材料 • 0.3 新能源材料的主要进展
由Ni(OH)2正极材料和储氢合金(M)负极材料组成的 电池反应式： 电池反应
正极
负极
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• Ni/MH电池的工作原理示意：
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• Ni/MH二次电池的结构和性能
目前商品Ni/MH电池的形状有圆柱形、方形和扣式等形 状，按电池的正极制造工艺分类，有烧结式和泡沫镍式 （含纤维镍式）两大类型。 圆柱形Ni/MH电池的结构示意图如下：
用及发展前景
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1.1 新型二次电池及其在国民经济中的地位、 作用及发展前景
• 1.1.1 二次电池简介
在电池中，有一类电池的充放电反应是可逆的。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的状态，即将电能以化学能的形式重新 储存起来。这种电池称为二次电池或蓄电池。
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能源材料
Energy materials
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• 课程目的：
较为全面地了解掌握能源材料的相关原理、性
质、制备、表征、工艺设备及应用，掌握能源材料
的基本试验研究方法与检测技术，开拓能源材料领
域视野，了解相关的一些新动向。
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• 主要参考书目：
• （1）雷永泉. 新能源材料，天津大学出版社，2000 • （2）陈军，袁华堂. 新能源材料，化学工业出版社，2003 • （3）中国材料研究学会. 能源材料、智能材料和梯度材料新
• 1.3.2 锂离子电池的发展现状及前景展望
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1.3.1 锂离子电池原理和特性
• 锂离子电池工作原理
锂离子充放电反应式如下：
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锂离子电池工作原理示意图：
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• 结构和性能
按形状分类：圆柱形、方形和扣式（钱币形）； 按正极材料分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰 锂、磷酸亚铁锂型等
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碳材料
氧化物材料


导电聚合物材料
复合材料 应用


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第1章 新型二次电池概述
• 1.1 新型二次电池及其在国民经济中的地
位、作用及发展前景
• 1.2 Ni/MH 二次电池
• 1.3 锂离子二次电池
• 1.4 超级电容器
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二次电池若干定义、概念
• • • • • • •
工作电压（额定电压）、工作电流（额定电流）
矿物能源枯竭的必然性已取得共识；面对21世纪，原油和 天然气资源与需求的形式是比较严峻的。
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环境污染
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0.2 新能源与新能源材料
• 材料的作用
• 新能源材料的任务及面临的课题
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材料的作用：
• 新材料把原来习用已久的能源变成新能源；
• 一些新材料可提高储能和能源转化效率； • 新材料决定着核反应堆的性能和安全性； • 材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资
混合稀土系储氢合金作为Ni/MH电池的负极材料；
• 美国的Ovonic公司采用AB2型Ti－Zr－V－Ni－Cr系储氢合
金材料研制大容量电动汽车电池。合金的典型组分为 Ti16Zr16V22Ni39Cr7和Ti17Zr16V22Ni39Cr7等。
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1.3 锂离子二次电池
• 1.3.1 锂离子电池原理和特性
长工作寿命和免维护。
（1） 信息技术的发展，特别是移动通信及笔记本计算机等
（2） 环境保护呼声愈来愈高。 （3） 全世界天然能源正在不断消耗，终将耗竭，寻求新能 源的呼声愈来愈高。 （4） 航空领域和现代化武器装备对高性能二次电池的需求 迫切。
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我国发展新型二次电池产业的现实意义：
场中的主导地位；
• 加速聚合物锂离子电池的实用化进程。
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子电池应用比例不断上升，从40％(1997年)上升到80％ （1999年）；
• 我国从1966年开始研究锂离子电池，80年代推出商品化
Li/MnO2、Li/SOCl2和Li/SO2电池，90年代研制出Li/V6O13
二次电池。
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几个值得关注的技术发展方向：
• 发展电动汽车用大容量锂离子电池；
• 开发及使用新的高性能电极材料；
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1.3.2 锂离子电池的发展现状及前景展望
目前，产量大、用途广的锂离子电池主要是圆柱形和 方形氧化钴锂型电池
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• 美国已开发出LiNi1－xCoxO2作为正极的方形电池； • 1997年，美国、日本的公司宣称它们的聚合物锂离子电池
即将商品化；
• 自1990年，随移动通讯及笔记本计算机的迅猛发展，锂离