第8讲嵌入化合物与锂离子电池材料.
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
1)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 例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料 电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各 种结构(包括异质结、量子阱)以提高大阳电池 的效率、寿命与耐辐照性能等。
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
2)资源的合理利用
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
3)安全与环境保护
这是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂电池具 有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现过因 短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于 着火燃烧，因而影响了应用。为此，研究出用碳素体 等作负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免， 现已成为发展速度最快的二次电池。另外有些新能源 材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染； 还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，会对环境 造成污染。这些都是新能源材料科学与工程必须解决 的问题。
新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资 源问题。例如，太阳电池若能部分地取代常规发电， 所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元素(如镓、 铟等)而言是无法满足的。因此一方面尽量利用丰度高 的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的 用量。又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或 节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到 一定规模时，还必须考虑பைடு நூலகம்料中有价元素的回收工艺 与循环使用。
苏玉长
(3)新材料决定着新能源的性能与安全性。新型 核反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。这 些材料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和 环境污染起决定性作用。 (4)材料的组成、结构、制作与加工工艺决定 着新能源的投资与运行成本。例如，太阳电池 所用的材料决定着光电转换效率，燃料电池及 蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池 的性能与寿命，而这些材料的制备工艺与设备 又决定着能源的成本。因此，这些因素是决定 该种新能源能否得到大规模应用的关键。
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
5)延长材料的使用寿命 现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在 几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源及其装置 对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争 性。从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上 述各研究开发要点方面进行努力；另一方面还要靠延长 材料的使用寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决 材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材 料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合 理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃 料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。
苏玉长
1 材料的作用
(1)新材料把原来习用已久的能源变成新能源。 例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干 等，现在利用半导体材料把太阳能有效地直接 转变为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来 获得高温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质， 使氢与氧反应而直接产生电能，并有望在电动 汽车中得到应用。 (2)一些新材料可提高储能和能量转化效果。 如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化学 能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电 池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功 能而发展起来的新型二次电池。
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
4)材料规模生产的制作与加工工艺 在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究 的重点，而材料的制作和加工常使用现成的工艺与设备。 到了工程化的阶段，材料的制作和加工工艺与设备就成为 关键的因素。在许多情况下，需要开发针对新能源材料的 专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包括： ①大的处理量；②高的成品率；③高的劳动生产率；④材 料及部件的质量参数的一致性、可靠性；⑤环保及劳动防 护；⑥低成本。 例如，在金属氢化物镍电池生产中开发 多孔态镍材的制作技术、开发锂离子电池的电极膜片制作 技术等。在太阳电池方面，为了进一步降低成本，美国能 源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺”(Photo voltaic Manufacturing Technology)的项目，力求通过完善大规模生 产工艺与设备位太阳电池发电成本能与常规发电相比拟。
苏玉长
2 新能源材料的任务及面临的课题
为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨 的任务。作为材料科学与工程的重要组成部分， 新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组 成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材 料的使用效能以及它们四者的关系。结合新能 源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有 以下几方面。
苏玉长
3 嵌入化合物与二次电池
新能源材料的种类繁多。在此仅介绍一种有 重大意义且发展前景看好的新能源及材料，即 新型二次电池材料（镍－金属氢化物电池，锂 离子二次电池）。这些材料的最主要的特征是 均采用嵌入化合物作正、负电极材料。
苏玉长
能量密度和功率密度
苏玉长
苏玉长
作为二次电池的电极材料，这些化合物都涉及 到客体（ Guest ，简称嵌质 G ，如 Li+ ， H ）在主 体晶格 (Host ，简称嵌基 H ， 如 C 、 Li1-xMO2 ， LaNi5) 中的嵌入、脱出量以及主体的可逆嵌脱 循环性能（即二次电池的容量与循环寿命）， 这些性能与主体材料的结构及嵌脱过程中的结 构变化密切相关，其中最重要的结构特征就是 主体材料要有一定程度的结构开放性，能允许 外来的原子或离子易于扩散进或逸出晶体。
材料科学研究进展
嵌入化合物与锂离子电池材料
苏 玉 长
苏玉长
新能源与新能源材料
新能源的出现与发展，一方面是能源技术本 身发展的结果，另一方面也是由于这些能源有 可能解决资源与环境问题而受到支持与推动。 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 等被认为是新能源，其中氢能、太阳能、核能 是有希望在2l世纪得到广泛应用的能源。新能 源的发展一方面靠利用新的原理(如聚变核反应、 光伏效应等)来发展新的能源系统，同时还必须 靠新材料的开发与应用，才能使新的系统得以 实现，并进一步地提高效率、降低成本。
新能源材料的任务及面临的课题
1)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 例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料 电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各 种结构(包括异质结、量子阱)以提高大阳电池 的效率、寿命与耐辐照性能等。
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
2)资源的合理利用
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
3)安全与环境保护
这是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂电池具 有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现过因 短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于 着火燃烧，因而影响了应用。为此，研究出用碳素体 等作负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免， 现已成为发展速度最快的二次电池。另外有些新能源 材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染； 还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，会对环境 造成污染。这些都是新能源材料科学与工程必须解决 的问题。
新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资 源问题。例如，太阳电池若能部分地取代常规发电， 所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元素(如镓、 铟等)而言是无法满足的。因此一方面尽量利用丰度高 的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的 用量。又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或 节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到 一定规模时，还必须考虑பைடு நூலகம்料中有价元素的回收工艺 与循环使用。
苏玉长
(3)新材料决定着新能源的性能与安全性。新型 核反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。这 些材料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和 环境污染起决定性作用。 (4)材料的组成、结构、制作与加工工艺决定 着新能源的投资与运行成本。例如，太阳电池 所用的材料决定着光电转换效率，燃料电池及 蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池 的性能与寿命，而这些材料的制备工艺与设备 又决定着能源的成本。因此，这些因素是决定 该种新能源能否得到大规模应用的关键。
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
5)延长材料的使用寿命 现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在 几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源及其装置 对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争 性。从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上 述各研究开发要点方面进行努力；另一方面还要靠延长 材料的使用寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决 材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材 料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合 理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃 料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。
苏玉长
1 材料的作用
(1)新材料把原来习用已久的能源变成新能源。 例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干 等，现在利用半导体材料把太阳能有效地直接 转变为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来 获得高温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质， 使氢与氧反应而直接产生电能，并有望在电动 汽车中得到应用。 (2)一些新材料可提高储能和能量转化效果。 如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化学 能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电 池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功 能而发展起来的新型二次电池。
苏玉长
新能源材料的任务及面临的课题
4)材料规模生产的制作与加工工艺 在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究 的重点，而材料的制作和加工常使用现成的工艺与设备。 到了工程化的阶段，材料的制作和加工工艺与设备就成为 关键的因素。在许多情况下，需要开发针对新能源材料的 专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包括： ①大的处理量；②高的成品率；③高的劳动生产率；④材 料及部件的质量参数的一致性、可靠性；⑤环保及劳动防 护；⑥低成本。 例如，在金属氢化物镍电池生产中开发 多孔态镍材的制作技术、开发锂离子电池的电极膜片制作 技术等。在太阳电池方面，为了进一步降低成本，美国能 源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺”(Photo voltaic Manufacturing Technology)的项目，力求通过完善大规模生 产工艺与设备位太阳电池发电成本能与常规发电相比拟。
苏玉长
2 新能源材料的任务及面临的课题
为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨 的任务。作为材料科学与工程的重要组成部分， 新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组 成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材 料的使用效能以及它们四者的关系。结合新能 源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有 以下几方面。
苏玉长
3 嵌入化合物与二次电池
新能源材料的种类繁多。在此仅介绍一种有 重大意义且发展前景看好的新能源及材料，即 新型二次电池材料（镍－金属氢化物电池，锂 离子二次电池）。这些材料的最主要的特征是 均采用嵌入化合物作正、负电极材料。
苏玉长
能量密度和功率密度
苏玉长
苏玉长
作为二次电池的电极材料，这些化合物都涉及 到客体（ Guest ，简称嵌质 G ，如 Li+ ， H ）在主 体晶格 (Host ，简称嵌基 H ， 如 C 、 Li1-xMO2 ， LaNi5) 中的嵌入、脱出量以及主体的可逆嵌脱 循环性能（即二次电池的容量与循环寿命）， 这些性能与主体材料的结构及嵌脱过程中的结 构变化密切相关，其中最重要的结构特征就是 主体材料要有一定程度的结构开放性，能允许 外来的原子或离子易于扩散进或逸出晶体。
材料科学研究进展
嵌入化合物与锂离子电池材料
苏 玉 长
苏玉长
新能源与新能源材料
新能源的出现与发展，一方面是能源技术本 身发展的结果，另一方面也是由于这些能源有 可能解决资源与环境问题而受到支持与推动。 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 等被认为是新能源，其中氢能、太阳能、核能 是有希望在2l世纪得到广泛应用的能源。新能 源的发展一方面靠利用新的原理(如聚变核反应、 光伏效应等)来发展新的能源系统，同时还必须 靠新材料的开发与应用，才能使新的系统得以 实现，并进一步地提高效率、降低成本。