《能源材料-新型二次电池材料》
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1.4 锂离子电池
锂是自然界最轻的金属元素， 具有最低的电负性（3.045V）。选择适当的正极 与之匹配，可以获得较高的 电动势，具有最高的比能量 (单位重量电极物质所能放出 的能量)。 锂遇水会发生剧烈反应，应 选用非水电解质溶液。
18
1．锂离子电池结构示意图
19
2．设计思想
80年代，提出了“摇椅式”锂离子二次电池的概 念。提出电池的正、负极材料采用可以储存和交换锂 离子的材料，利用充放电时，锂离子的来回移动进行 能量交换。
22
Mn2O4构成的尖晶石基本框架
空位形成的三维网络，成为Li+离子的输运通道。 利于Li+离子脱嵌。 23
3．锂离子电池工作原理
24
4．锂离子电池电极反应
充电
正极反应:LiCoO2
放电
Li1-xCoO2+xLi++xe充电 放电 充电
负极反应:6C+xLi++xe-
LixC6
电池反应:6C+LiCoO2 放电
14
3种工作状态：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。
表：镍氢电池的电极反应及对应的标准电位 工作状态 镍电极 正常 氢电极 总反应 镍电极 过充电 氢电极 电池反应 总反应 镍电极 过放电 (反极) 氢电极 总反应 电 极 反 应
NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
E(V) +0.490 -0.820 1.319 +0.401 -0.829 ＋1.23
Li1-xCoO2+ LixC6
25
5．锂离子电池的组成
正极
LiCoO2 、 LiNiO2 、 LiMn 2 O 4 等
电池
负极
人造石墨系列、天然石墨系列、 焦炭系列等
电解质
有机溶剂电解质（液态） 聚合物电解质（固态、凝胶）
新型二次电池材料
第1章 新型二次电池概述 第2章 金属氢化物镍电池材料 第3章 锂离子电池材料
1
第1章
新型二次电池概述
电池是一种利用电化学的氧化-还原反应，进行化学能------
电能之间转换的储能装置。
2
电池的应用
3
一次电池只能放电一次。 二次电池可反复充放电循环使用，可充电电池。
锌锰干电池
一次电池 电池
16
长期不用的电池保存和恢复方法
镍镉电池和镍氢电池特性不同，保存方法不同。 镍镉电池应将电用完保存，所以一般新镍镉电池是 基本没有电的，需要自己来充。采用正确的充电方 法，大概需要充放3－5次才能将电池恢复到最佳状 态。 镍氢电池要长期保存前，应该充电到80％左右保存。 因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预充电， 防止运输周转时间太长电池受到影响。长期保存的 镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确方法 充放2－3次就可以恢复到最佳状态。
银锌纽扣电池 锂原电池
铅酸电池
二次ห้องสมุดไป่ตู้池
镍氢电池
锂离子电池
4
1800年伏打首先制成了伏打电池。
1836年英国化学家发明了古典原电池。 1865年法国化学家发明了第—个干电池。
现代的干电池不过是其改进。
5
1.1 锌锰干电池
锌锰干电池结构图
6
1.2 铅蓄电池
电池组成： 由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的铅板(正 极)浸入30％（密度为1.2—1.3 g/cm3）的硫酸水溶液所组成。 铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压 降至l.25伏时(这时溶液密度为1.05 g/cm3 ) 不能再使用，必须 充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源，用
另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。
氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属或合金形成金属氢化 物，如1体积胶状Rh能吸收2900体积氢气。储氢合金的共同特点 是在低温低压下能够可逆地吸收、释放氢。（当温度升高或体系 氢压降低时，它们就放出氢）具有储存量高、可逆、安全等优点。
13
储氢合金材料 AB5: LiNi5, MnNi5, CaNi5, AB2: ZrMn2, TiCr2, ZrV2, ZrMn2, AB: TiFe,TiCo, TiNi A2B: Mg2Ni, Mg2Cu
1/2H2 + OH- H2O + e1/2H2 + NiOOH Ni(OH)2 2OH- 2e- + 1/2O2 +H2O 2H2O + 2e- 2OH- + H2 氧氢化学复合 1/2O2 + H2 H2O 不发生 H2O + e- OH- +1/2H2 1/2H2 + OH- e- + H2O 不产生
层状化合物LiCoO2的合成，发现石墨可插入锂离 子生成石墨层间化合物LixC6。 1991年由日本SONY公司生产出以LiCoO2为正极材 料，碳黑为负极材料的商业化锂离子电池。
20
层状结构材料（ LiCoO2、 LiNiO2等）
21
尖晶石结构材料
氧离子立方密堆积排列，Li+占据四面体位置，Mn3+/Mn4+ 占据八面体位置。
-0.829 -0.829 0
镍氢电池设计 时，容量由正 极限制的，负 极容量设计过 剩，保证过充 电时候，电池 的内压不会有 明显升高。
15
镍氢电池的优、缺点
它的初始成本较高，有爆炸的可能性。 这种电池的突出优点是循环寿命长，1977年起 在地球同步轨道条件下工作寿命超过10年。电 池自放电速度较大。它承受过充电和过放电的 能力很强。 绿色电池。 镍氢电池的前景十分乐观，最终将在航天领域 取代镉镍电池。
于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、拖拉机、坦克的
照明光源。
7
铅蓄电池的电极反应
8
发展中的新型二次电池
镍氢电池
锂离子电池
9
1.3 金属氢化物镍电池
镍氢电池是新型的二 次电池，以氢氧化镍 作为正极，储氢合金 作为负极，氢氧化钾 溶液做电解液。无论 它的独特外形还是高 达4MPa的内部压力都 使人感到新奇。
10
镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢 壳，顶盖，密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分 开卷绕在一起，然后密封在钢壳中的。在方形电池中，正负极由 隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。
11
镍氢电池的电极反应
12
氢的储存方法 一种方法是高压下液化为液氢。
在常压下，氢气必须降温至-252度才能变成液体，这种方法成本 高，而且储存液氢要有极好的绝热设备—托瓦瓶。液氢易逸散渗 漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。
1.4 锂离子电池
锂是自然界最轻的金属元素， 具有最低的电负性（3.045V）。选择适当的正极 与之匹配，可以获得较高的 电动势，具有最高的比能量 (单位重量电极物质所能放出 的能量)。 锂遇水会发生剧烈反应，应 选用非水电解质溶液。
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1．锂离子电池结构示意图
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2．设计思想
80年代，提出了“摇椅式”锂离子二次电池的概 念。提出电池的正、负极材料采用可以储存和交换锂 离子的材料，利用充放电时，锂离子的来回移动进行 能量交换。
22
Mn2O4构成的尖晶石基本框架
空位形成的三维网络，成为Li+离子的输运通道。 利于Li+离子脱嵌。 23
3．锂离子电池工作原理
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4．锂离子电池电极反应
充电
正极反应:LiCoO2
放电
Li1-xCoO2+xLi++xe充电 放电 充电
负极反应:6C+xLi++xe-
LixC6
电池反应:6C+LiCoO2 放电
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3种工作状态：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。
表：镍氢电池的电极反应及对应的标准电位 工作状态 镍电极 正常 氢电极 总反应 镍电极 过充电 氢电极 电池反应 总反应 镍电极 过放电 (反极) 氢电极 总反应 电 极 反 应
NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
E(V) +0.490 -0.820 1.319 +0.401 -0.829 ＋1.23
Li1-xCoO2+ LixC6
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5．锂离子电池的组成
正极
LiCoO2 、 LiNiO2 、 LiMn 2 O 4 等
电池
负极
人造石墨系列、天然石墨系列、 焦炭系列等
电解质
有机溶剂电解质（液态） 聚合物电解质（固态、凝胶）
新型二次电池材料
第1章 新型二次电池概述 第2章 金属氢化物镍电池材料 第3章 锂离子电池材料
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第1章
新型二次电池概述
电池是一种利用电化学的氧化-还原反应，进行化学能------
电能之间转换的储能装置。
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电池的应用
3
一次电池只能放电一次。 二次电池可反复充放电循环使用，可充电电池。
锌锰干电池
一次电池 电池
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长期不用的电池保存和恢复方法
镍镉电池和镍氢电池特性不同，保存方法不同。 镍镉电池应将电用完保存，所以一般新镍镉电池是 基本没有电的，需要自己来充。采用正确的充电方 法，大概需要充放3－5次才能将电池恢复到最佳状 态。 镍氢电池要长期保存前，应该充电到80％左右保存。 因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预充电， 防止运输周转时间太长电池受到影响。长期保存的 镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确方法 充放2－3次就可以恢复到最佳状态。
银锌纽扣电池 锂原电池
铅酸电池
二次ห้องสมุดไป่ตู้池
镍氢电池
锂离子电池
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1800年伏打首先制成了伏打电池。
1836年英国化学家发明了古典原电池。 1865年法国化学家发明了第—个干电池。
现代的干电池不过是其改进。
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1.1 锌锰干电池
锌锰干电池结构图
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1.2 铅蓄电池
电池组成： 由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的铅板(正 极)浸入30％（密度为1.2—1.3 g/cm3）的硫酸水溶液所组成。 铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压 降至l.25伏时(这时溶液密度为1.05 g/cm3 ) 不能再使用，必须 充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源，用
另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。
氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属或合金形成金属氢化 物，如1体积胶状Rh能吸收2900体积氢气。储氢合金的共同特点 是在低温低压下能够可逆地吸收、释放氢。（当温度升高或体系 氢压降低时，它们就放出氢）具有储存量高、可逆、安全等优点。
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储氢合金材料 AB5: LiNi5, MnNi5, CaNi5, AB2: ZrMn2, TiCr2, ZrV2, ZrMn2, AB: TiFe,TiCo, TiNi A2B: Mg2Ni, Mg2Cu
1/2H2 + OH- H2O + e1/2H2 + NiOOH Ni(OH)2 2OH- 2e- + 1/2O2 +H2O 2H2O + 2e- 2OH- + H2 氧氢化学复合 1/2O2 + H2 H2O 不发生 H2O + e- OH- +1/2H2 1/2H2 + OH- e- + H2O 不产生
层状化合物LiCoO2的合成，发现石墨可插入锂离 子生成石墨层间化合物LixC6。 1991年由日本SONY公司生产出以LiCoO2为正极材 料，碳黑为负极材料的商业化锂离子电池。
20
层状结构材料（ LiCoO2、 LiNiO2等）
21
尖晶石结构材料
氧离子立方密堆积排列，Li+占据四面体位置，Mn3+/Mn4+ 占据八面体位置。
-0.829 -0.829 0
镍氢电池设计 时，容量由正 极限制的，负 极容量设计过 剩，保证过充 电时候，电池 的内压不会有 明显升高。
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镍氢电池的优、缺点
它的初始成本较高，有爆炸的可能性。 这种电池的突出优点是循环寿命长，1977年起 在地球同步轨道条件下工作寿命超过10年。电 池自放电速度较大。它承受过充电和过放电的 能力很强。 绿色电池。 镍氢电池的前景十分乐观，最终将在航天领域 取代镉镍电池。
于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、拖拉机、坦克的
照明光源。
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铅蓄电池的电极反应
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发展中的新型二次电池
镍氢电池
锂离子电池
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1.3 金属氢化物镍电池
镍氢电池是新型的二 次电池，以氢氧化镍 作为正极，储氢合金 作为负极，氢氧化钾 溶液做电解液。无论 它的独特外形还是高 达4MPa的内部压力都 使人感到新奇。
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镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢 壳，顶盖，密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分 开卷绕在一起，然后密封在钢壳中的。在方形电池中，正负极由 隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。
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镍氢电池的电极反应
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氢的储存方法 一种方法是高压下液化为液氢。
在常压下，氢气必须降温至-252度才能变成液体，这种方法成本 高，而且储存液氢要有极好的绝热设备—托瓦瓶。液氢易逸散渗 漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。